The quality of the lubricant between cartilaginous joint surfaces impacts the joint’s mechanistic properties. In this study, we define the biochemical, ultrastructural, and tribological signatures of synovial fluids (SF) from patients with degenerative (osteoarthritis-OA) or inflammatory (rheumatoid arthritis-RA) joint pathologies in comparison with SF from healthy subjects. Phospholipid (PL) concentration in SF increased in pathological contexts, but the proportion PL relative to the overall lipids decreased. Subtle changes in PL chain composition were attributed to the inflammatory state. Transmission electron microscopy showed the occurrence of large multilamellar synovial extracellular vesicles (EV) filled with glycoprotein gel in healthy subjects. Synovial extracellular vesicle structure was altered in SF from OA and RA patients. RA samples systematically showed lower viscosity than healthy samples under a hydrodynamic lubricating regimen whereas OA samples showed higher viscosity. In turn, under a boundary regimen, cartilage surfaces in both pathological situations showed high wear and friction coefficients. Thus, we found a difference in the biochemical, tribological, and ultrastructural properties of synovial fluid in healthy people and patients with osteoarthritis and arthritis of the joints, and that large, multilamellar vesicles are essential for good boundary lubrication by ensuring a ball-bearing effect and limiting the destruction of lipid layers at the cartilage surface.

The morphology of fibroblast-like synoviocytes (FLS) issued from the synovial fluid (SF) of patients suffering from osteoarthritis (OA), rheumatoid arthritis (RA), or from healthy subjects (H), as well as the ultrastructure and mechanical properties of the FLS-secreted extracellular vesicles (EV), were analyzed by confocal microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy, and tribological tests. EV released under healthy conditions were constituted of several lipid bilayers surrounding a viscous inner core. This “gel-in” vesicular structure ensured high mechanical resistance of single vesicles and good tribological properties of the lubricant. RA, and to a lesser extent OA, synovial vesicles had altered morphology, corresponding to a “gel-out” situation with vesicles surrounded by a viscous gel, poor mechanical resistance, and poor lubricating qualities. When subjected to inflammatory conditions, healthy cells developed phenotypes similar to that of RA samples, which reinforces the importance of inflammatory processes in the loss of lubricating properties of SF.

Matrix vesicles (MVs) are 100–300 nm spherical structures released by mineralization competent cells to initiate formation of apatite, the mineral component in bones. Among proteins present in MVs, annexin A6 (AnxA6) is thought to be ubiquitously distributed in the MVs’ lumen, on the surface of the internal and external leaflets of the membrane and also inserted in the lipid bilayer. To determine the molecular mechanism(s) that lead to the different locations of AnxA6, we hypothesized the occurrence of a pH drop during the mineralization. Such a change would induce the AnxA6 protonation, which in turn, and because of its isoelectric point of 5.41, would change the protein hydrophobicity facilitating its insertion into the MVs’ bilayer. The various distributions of AnxA6 are likely to disturb membrane phospholipid organization. To examine this possibility, we used fluorescein as pH reporter, and established that pH decreased inside MVs during apatite formation. Then, 4‐(14‐phenyldibenzo[a,c]phenazin‐9(14H)‐yl)‐phenol, a vibration‐induced emission fluorescent probe, was used as a reporter of changes in membrane organization occurring with the varying mode of AnxA6 binding. Proteoliposomes containing AnxA6 and 1,2‐Dimyristoyl‐ sn‐ glycero‐3phosphocholine (DMPC) or 1,2‐Dimyristoyl‐ sn‐ glycero‐3phosphocholine: 1,2‐Dipalmitoyl‐ sn‐ glycero‐3‐phosphoserine (DMPC:DPPS 9:1), to mimic the external and internal MV membrane leaflet, respectively, served as biomimetic models to investigate the nature of AnxA6 binding. Addition of Anx6 to DMPC at pH 7.4 and 5.4, or DMPC:DPPS (9:1) at pH 7.4 induced a decrease in membrane fluidity, consistent with AnxA6 interactions with the bilayer surface. In contrast, AnxA6 addition to DMPC:DPPS (9:1) at pH 5.4 increased the fluidity of the membrane. This latest result was interpreted as reflecting the insertion of AnxA6 into the bilayer. Taken together, these findings point to a possible mechanism of AnxA6 translocation in MVs from the surface of the internal leaflet into the phospholipid bilayer stimulated upon acidification of the MVs’ lumen during formation of apatite.

Les maladies articulaires sont pour la plupart consécutives soit à une inflammation chronique auto-immune (RA), soit à un vieillissement précoce de l’articulation entière (OA) soit à un traumatisme et induisent l’usure des cartilages, ce qui se traduit par un handicap sévère. Pour l’instant aucun traitement permettant la réparation du tissu cartilagineux n'est vraiment efficace. Cela est dû principalement à la difficulté d’identifier de manière précoce les causes de ces maladies. Ces causes sont entre autres liées à la complexité structurale et biochimique du liquide synovial qui présente à la fois une fonction lubrifiante et une fonction de nutrition des cartilages. Ainsi, des études récentes, montrent que la structure du liquide synovial sain fait apparaitre des vésicules lipidiques micrométriques remplies d’un gel de glycoprotéique et entourées par des empilements des bicouches lipidiques ce qui permet l’obtention de très bonnes propriétés lubrifiantes. Par contre on ne connaît pas encore l’origine de cette structure et ses évolutions pendant les pathologies. Cette thèse a donc pour but d’une part de comprendre l’origine structurelle et fonctionnelle des vésicules du liquide synovial et d’autre part d’identifier des paramètres physicochimiques qui pourraient être utilisés en vue d’établir un diagnostic et/ou un outil thérapeutique précoce de ces pathologies. Afin de comprendre le rôle des membranes lipidiques du liquide synovial dans ces différentes pathologies, nous avons couplé des analyses de rhéologie locale membranaire avec des analyses biochimiques à partir de prélèvements humains et animaux du liquide synovial, mais aussi de modèles in vitro (cultures cellulaires de synoviocytes humaines) et ex-vivo (vésicules biomimétiques du liquide synovial). Nos résultats montrent que les grandes vésicules multi lamellaires (micrométrique) présentent dans le liquide synovial et incorporant un gel glycoprotéique, seraient issues de la synthèse cellulaire par les synoviocytes. Ceci confirme le rôle majeur des synoviocytes dans les pathologies articulaires et nous interroge sur le rôle des phospholipides dans ces pathologies. Dans ce sens, nous avons montré que les principales classes de phospholipides et le rapport acide gras saturé/monoinsaturé/polyinsaturées ne sont pas significativement modifiés par les pathologies, en analysant des prélèvements de liquide synovial ovin, canin et humain. Cela a permis ensuite de mettre au point une composition phospholipidique biomimétique et de reproduire ex vivo l’ultrastructure et la rhéologie locale des vésicules du liquide synovial sain. D’autre part, dans les situations pathologiques, nous avons montré que le rapport phospholipides totaux / protéines diminue significativement. La diminution de ce rapport pourrait être corrélée à la modification structurale des vésicules telle qu’observée en microscopie électronique. Afin de valider cette hypothèse nous avons montré que la fluidité des membranes de vésicules biomimétiques augmente significativement en présence de gammaglobuline, protéine immunitaire produite dans les pathologies articulaires de type inflammation chronique. Enfin, nous avons montré que la synthèse et les propriétés structurales et rhéologiques des vésicules extracellulaires est influencée non seulement par des facteurs inflammatoires dues aux différents pathologies (OA et RA) mais aussi par la présence de particules d’usure des implants articulaires. Toutes ces modifications structurales ont pu être corrélées avec des modification de la rhéologie locale membranaire