Boundary lubricants in osteoarthritic synovial fluid

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease characterised among others by the progressive loss of articular cartilage. Lubricin, hyaluronic acid (HA) and surface-active phospholipids contribute to the boundary lubrication provided by synovial fluid (SF). During OA, alterations in the concentrations of lubricin and HA impair the boundary lubricating ability of SF and may lead to increased friction and ultimately greater cartilage damage. In this line, the main hypothesis of the current study was that OA SF contains altered amounts of individual PL species, which might contribute to cartilage destruction during OA, and that these alterations are dependent on the stage of the disease. Before starting the experiments, approval by the University ethics commission and the written informed consent of the patients were obtained. Qualitative and quantitative analyses of all phospholipids (PL) species were performed using electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS/MS) for human SF from healthy, rheumatoid arthritic (RA) and OA knee joints at different stages of the disease. Moreover, healthy and OA canine SF were also analysed in order to evaluate whether a canine model of OA reflects composition of PL species as found in human. In addition, the protein and mRNA expression pattern of surfactant proteins (SP-A, -D) was obtained in joint cells and SF.The results of our lipidomic study provide for the first time a detailed overview of all PL species being present in human SF. Our analyses of SF indicate differences between healthy, OA and RA SF. Interestingly, SF from late stage of OA exhibited significantly higher concentrations of most of PL species when compared with healthy SF. More importantly, we provide first evidence that significant differences in PL composition exist between early and late stage of OA indicating, that PL composition of SF can serve as biomarker to distinguish between stages of OA. Moreover, the results obtained from human were confirmed by analysis of SF from canine model of OA. Our results also indicate a possible pathologic function of PL in the development of OA as based on their role in the boundary lubrication of joints as well as their biological activities. In addition, we provide several experimental proofs that human SF does not contain SP-A and -D.In conclusion, our results support the hypothesis that alterations in composition and concentrations of PL species may also contribute to cartilage destruction during OA. Moreover, the specific PL pattern reflects stages of the disease. Hence, analysis of the SF lipidome can serve as a novel useful tool for diagnosis and prognosis of OA. Our data also indicate that surfactant proteins do not play any role in the boundary lubrication of joints. Arthrose, auch Osteoarthritis genannt, ist eine degenerative Gelenkerkrankung, die unter anderem durch einen fortschreitenden Verlust des Gelenkknorpels gekennzeichnet ist. Lubricin, Hyaluronsäure (HS) und oberflächenaktive Phospholipide (PL) der Synovialflüssigkeit (SF) sind an deren Fähigkeit zur Grenzflächenschmierung beteiligt Während der Arthrose kommt es zu Veränderungen in den Konzentrationen an Lubricin und HS, wodurch die Grenzflächenschmierung der SF beeinträchtigt wird, was zu einer erhöhten Reibung und letztlich zu größeren Knorpelschäden führen kann. Im Rahmen der vorliegenden Studie sollte daher die Hypothese geprüft werden, dass arthrotische SF veränderte Mengen an einzelnen PL-Spezies enthält, die möglicherweise zur Knorpelzerstörung während der Arthrose beitragen können und dass diese Veränderungen abhängig vom Stadium der Erkrankung sind.Vor Beginn der Experimente wurde die Genehmigung durch die Ethikkommission der Universität und eine schriftliche Einwilligung der Patienten eingeholt. Qualitative und quantitative Analysen der PL-Spezies wurden mit Hilfe der Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS/MS) in humanen SF von gesunden, rheumatoid arthritischen und arthrotischen Kniegelenken verschiedener Krankheitsstadien durchgeführt. Darüber hinaus wurden gesunde und arthrotische SF von einem Hundemodell der Arthrose analysiert um zu beurteilen, ob die SF eine ähnliche Zusammensetzung der PL-Spezies aufweist wie humane SF. Zusätzlich wurde das Protein- und mRNA-Expressionsmuster der Oberflächenproteine (SP-A und -D) in verschiedenen Zellen des Kniegelenks und der SF bestimmt.Das Ergebnis unserer Lipidomik-Studie zeigt zum ersten Mal eine detaillierte Übersicht über alle PL-Spezies, die in humaner SF vorhanden sind. Unsere Analyse ergab, dass es Unterschiede zwischen gesunder, arthrotischer und rheumatoid arthritischer SF gibt. Interessanterweise zeigt SF aus dem späten Stadium der Arthrose eine signifikant höhere Konzentration der meisten PL-Spezies im Vergleich zur SF gesunder Spender. Noch wichtiger ist, dass der erste Nachweis erbracht werden konnte, dass signifikante Unterschiede in der PL-Zusammensetzung zwischen frühen und späten Stadien der Arthrose bestehen und dass die PL-Zusammensetzung der SF möglicherweise als Biomarker genutzt werden kann, um zwischen den einzelnen Stadien der Arthrose unterscheiden zu können. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse aus der Untersuchung der humanen SF durch die Analyse der SF im Hundemodell der Arthrose bestätigt. Unsere Daten deuten außerdem auf eine mögliche Beteiligung der PL in der Pathogenese der Arthrose hin, da PL eine Rolle bei der Grenzflächenschmierung der Gelenke spielen und sogar biologische Aktivitäten entfalten können. Darüber hinaus können wir mehrere experimentelle Beweise erbringen, dass humane SF kein SP-A und -D enthält.Abschließend lässt sich sagen, dass unsere Ergebnisse die Hypothese stützen, dass Veränderungen in der Zusammensetzung und Konzentration der PL-Spezies zum Knorpelabbau während einer Arthrose beitragen können. Zudem reflektiert das spezifische PL-Muster der einzelnen Krankheitsstadien das Fortschreiten der Arthrose. Daher kann vermutlich eine Bestimmung des Lipidoms, zumindest aber der PL-Zusammensetzung für die Diagnose und Prognose der Arthrose genutzt werden. Unsere Daten zeigen auch, dass die Oberflächenproteine wie SP-A und -D an der Grenzflächenschmierung der Gelenke nicht beteiligt sind.