Formation de cristaux de pyrophosphates de calcium et arthrose : études in vitro et in vivo – CAPYROSIS

CAPYROSIS est un projet de recherche fondamentale basé sur une approche pluridisciplinaire couplant l’étude de la formation in vitro de cristaux de pyrophosphate de calcium (CPP) synthétiques, la caractérisation de cristaux synthétiques et biologiques ainsi que des études biologiques cellulaires chez l’animal pour progresser dans l’identification et la connaissance de ces cristaux et des mécanismes associés au développement de la maladie. L’originalité de ce projet repose sur la mise en commun de considérations cliniques et d’études physico-chimiques fondamentales impliquant : i) des chimistes et ingénieurs chimistes, pour la synthèse, l’étude physico-chimique des CPP en solution (synthèse, stabilité, transformation, cinétique de germination-croissance, effet d’additifs (inhibiteurs,…)) et la mise en œuvre d’un système pouvant mimer les effets de volume et d’interfaces rencontrés dans une articulation, ii) des physiciens pour la caractérisation fine des cristaux synthétiques et biologiques (mise en œuvre d’équipements de laboratoire et d’un grand instrument : synchrotron SOLEIL), iii) des biologistes et cliniciens pour l’étude in vitro et in vivo des propriétés inflammatoires des différents cristaux de CPP, et de l’expression de protéines connues pour être associées à la formation de cristaux de CPP dans le cartilage arthrosique et la calcification du cartilage.

Une nouvelle méthode de synthèse rapide et reproductible de quatre phases pures de CPP (CPP amorphe, m-CPPD, t-CPPD, m-CCPTß) a été mise au point. Nous avons résolu la structure du m-CPPD, synthétisé une nouvelle phase monohydratée monoclinique et mis en évidence l’effet inhibiteur de certains additifs ioniques sur la cristallisation du m-CPPD et t-CPPD.
Nous avons montré que les cristaux de CPP avaient un potentiel inflammatoire différent (m-CPPD plus inflammatoire que t-CPPD ; m-CPPTß et CPP amorphe non-inflammatoires) et activaient l’inflammasome NLRP3 et la production d’IL-1ß (cytokine centrale des réponses inflammatoires) par les monocytes et l’expression de gènes inflammatoires. Des résultats préliminaires suggèrent que les effets des cristaux de CPPD sont modulés par des protéines adsorbées à leur surface.

La constitution de la banque de ménisques avec et sans calcification associée à des données histologiques et physico-chimiques précises des types de cristaux sera poursuivie au-delà de ce projet. Il s’agit d’une banque unique. Son exploitation permettra de mieux comprendre in vivo les mécanismes de formations des cristaux.
La mise en évidence des potentiels inflammatoires différents pour les différentes phases cristallisées de pyrophosphate de calcium hydraté permet de mieux comprendre le large spectre clinique associé aux dépôts de cristaux de CPP chez l’homme. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes de recherche en étudiant par exemple le phénotype clinique en fonction des phases des cristaux de CPP. Ces études pourront être menées en utilisant les outils de caractérisation utilisés dans ce projet comme les spectroscopies vibrationnelles FTIR et Raman.
La compréhension des mécanismes d’activation cellulaire induite par les différentes phases de cristaux de CPP et notamment la production de l’IL-1b permettra le ciblage soit de cette cytokine soit de ses voies d’activation dans les réactions inflammatoires aiguës déclenchées par ces cristaux. De même, la possibilité de moduler la réponse cellulaire en modifiant les protéines adsorbées à la surface des cristaux ouvre d’intéressantes pistes thérapeutiques qui mériteront d’être testées dans les modèles in vivo.
Enfin, la mise en évidence des modifications de formation des différentes phases de cristaux de CPP suggère que l’on pourra in vivo modifier la formation des cristaux vers des phases moins inflammatoires.

Production scientifique (bilan en décembre 2017) :
6 publications internationales dans des revues à comité de lecture, 2 actes de congrès internationaux et 2 actes de congrès nationaux avec comité de lecture, 11 communications orales internationales et 9 communications orales nationales dont 6 conférences invitées (5 internationales et 1 nationale) et 11 communications par affiche à des congrès (1 nationale et 10 internationales). D’autres publications (au moins 5) vont être rédigées d’ici fin 2018 et les résultats directs de ce projet vont être présentées prochainement dans d’autres conférences internationales : Eurocrystals workshop 2018, EULAR 2018,… Deux des doctorants impliqués dans le projet ont participé à une action de diffusion scientifique auprès du grand public sous la forme d’un atelier sur les biominéralisations au Muséum d’Histoire Naturelle de Toulouse dans le cadre de l’année de la cristallographie (février 2014). Enfin un Workshop international CAPYROSIS a été organisé par le CIRIMAT à la fin du projet (le 14/11/2017 à la Maison de la Recherche et de la Valorisation de l’Université de Toulouse). Nous avons invité deux scientifiques internationaux extérieurs et 29 personnes au total ont participé à ce workshop.
Prix et distinctions en lien avec le projet : prix de thèse Léopold Escande 2015 pour Pierre Gras (prix attribué aux meilleures thèses de l’année par l’Institut National Polytechnique de Toulouse) et prix du meilleur poster pour K Ley-Ngardigal à la Journée de l’Ecole Doctorale Science de la Matière (Toulouse, 2015).

L’ostéoarthrite (OA) est la forme la plus commune des maladies rhumatismales chroniques et fait partie des maladies les plus coûteuses. En 2007, il était estimé que 35 à 40 millions d’européens souffraient d’OA. Les facteurs aggravants sont déterminés par l’hérédité, le surpoids, le vieillissement et la présence de microcristaux calciques au sein de l’articulation. Les deux principaux types de cristaux calciques rencontrés dans le fluide synovial et le cartilage de nombreux patients sont des pyrophosphates de calcium hydratés (CPP: Ca2P2O7, nH2O) et des orthophosphates de calcium basiques (BCP : phosphate octacalcique, apatite carbonatée,…). Outre l’inflammation de l’articulation, le dépôt de CPP (CPPD) peut également conduire à des arthropathies destructives. Les traitements actuels ciblent principalement les symptômes mais ne sont pas capables de dissoudre ou de prévenir la formation des cristaux de CPP et la pose d’une prothèse devient alors la solution ultime. Il est donc indispensable de comprendre pourquoi les cristaux de CPP se forment et comment ils engendrent la destruction de l’articulation.
Si la réactivité physico-chimique des BCP synthétiques et biologiques est relativement bien connue et étudiée, les différentes phases de CPP, leur formation, leur dissolution et même leur structure sont peu connues.
CAPYROSIS est un projet de recherche fondamentale basée sur une approche pluridisciplinaire incluant la science des matériaux, l’ingénierie (modélisation) ainsi que les sciences de la vie qui vise à déterminer in vitro les mécanismes de formation des cristaux de CPP et des arthropathies associées à ces derniers. Plusieurs étapes sont prévues afin de : i) mieux comprendre les relations de cause à effet entre l’apparition de ces phases minérales et l’éventuel rôle du vieillissement du cartilage et de l’OA dans ces processus, ii) développer de nouvelles méthodes pour le diagnostic précoce et fiable (identification de précurseur CPP amorphe in vivo) et, iii) proposer des voies de traitement ou de prévention des arthropathies associées à ces cristaux de CPP.
L’originalité de ce projet repose sur la mise en commun de considérations cliniques et d’études physico-chimiques fondamentales. L’approche interdisciplinaire qui sera développée, impliquant chimistes et ingénieurs chimistes, physiciens, biologistes et cliniciens, est basée sur des études à partir de CPP synthétiques et de spécimen biologiques et la mise en oeuvre d’un système pouvant mimer les effets de volume et d’interfaces rencontrés dans une articulation ce qui devrait permettre de progresser significativement dans la compréhension de la formation de ces phases minérales in vitro et in vivo.
Ce projet s’étend sur 48 mois, inclut 4 tâches principales et réunit 4 laboratoires français de renommée internationale, l’Institut Carnot CIRIMAT, le Laboratoire de Génie Chimique, le Laboratoire de Physique des Solides et l’UMR 606 Inserm, aux domaines d’expertise et savoir-faire complémentaires pour le bon développement de ce projet multi-disciplinaire : des chimistes et ingénieurs chimistes pour la synthèse, l’étude physico-chimique des CPP en solution, l’étude de leurs cinétiques de germination et dissolution ainsi que l’effet d’additifs (inhibiteurs,…), des physiciens pour la caractérisation fine (équipements de laboratoire et grands instruments) de CPP synthétiques et biologiques, des biologistes et des cliniciens pour l’étude in vitro et in vivo des propriétés inflammatoires des différentes phases de CPP (cristallines et amorphes), et de l’expression de 4 protéines connues pour être associées à la formation de cristaux de CPP dans le cartilage arthrosique et la calcification du cartilage.
Ce projet contribuera à la détermination des mécanismes de formation des cristaux de CPP ainsi que ceux des maladies associées à ces cristaux. Il permettra cibler de nouveaux agents thérapeutiques capables de dissoudre les cristaux de CPP ou d’inhiber la progression de la maladie.