Le cartilage articulaire est principalement composé d'unréseau de fibres de collagène dans lequel sont encastrées dprotéoglycanes qui portent une charge négative fixe. II y a donc un excès d'ions mobiles positifs dans le fluide interstitiel. Lors de la compression du cartilage, unflux de fluide est induit et entraîne les ions positifs mobiles par rapport aux protéoglycanes chargées négativement, ce qui crée un potentiel d'écoulement. LES potentiels d'écoulement sont particulièrement sensibles au contenu de protéoglycanes et à l'intégrité du réseau de collagène de la matricextracellulaire. Nous avons développé récemment une technique de mesure des potentiels d'écoulement générés sur la surface articulaire du cartilage lors de la compression non confinée à l'aide d'une microélectrode composée d'une série linéaire d8 électrodes de platine (80%) et iridium (20%) de 50 pm de diamètre qui sont distancées d 300 μm.

Les cartilages ont été extraits de l'épaule d'un boeuf âgé entre 1 et 2 ans. Les disques de 4 mm de diamètre ont été placés dans un incubateur à 37°C et 5 % de CO₂. Le milieu de culture DME/F12 a un pH 7.2 et contient 50 pghl de gentamycine, 0.01% de BSA (Bovine Sem Albumin) et 20 pg/ml d'ascorbate. Les cartilages sont extraits de l'épaule par triplets, c'est-à-dire un disque de contrôle, un cartilage qui a été stimulé par un agent de degradation et un disque qui a été congelé directement après l'extraction. Nous avons utilisé deux agents de dégradation. L'interleukin-la (IL-la) est une cytokine qui inhibe la synthèse de protéoglycanes et de colIagènes et augmente laproduction des métalloprotéinases (MMP) qui sont responsables de la dégradation de la matrice extracellulaire. L'aminophénylmercuric acétate (APMA) active les MMP qui sont sécrétées sous forme latente de proenzyme. Nous avons réalisé trois expériences distinctes. Lors de la première expérience, ls cartilages ont été placés en culture avect sans 5 ng/d d'IL-la pendant 13 jours. Nous avons ensuite effectué une seconde expérience pour étudier l'effet de l'IL-la en fonction de la durée de culture. Au cours d'une troisième expérience, ls cartilages ont été traités avec 1 mM d'APMA.

Les pertes de protéoglycanes dans le milieu lors de la culture ainsi que le contenu de protéoglycanes dans les cartilages ont été évalués à l'aide d'une technique de spectrophotométrie avec le colorant DMB. Lors de la première expérience, les cartilages qui ont été traités avec 5 ndml d'IL-la ont perdu environ 91% de leur contenu de GAG après 13 jours de culture. Au cours de la deuxième expérience, nous avons observé que les cartilages stimulés avec IL-la ont perdu respectivement 9, 18, 65 et 74% de leur contenu de GAG après 1, 4, 7 et 11 jours de culture. Lors de la troisième expérience avec APMA, nous avons constaté que la perte de GAG est très rapide. La dénaturation et le clivage des fibres de collagène de type II ont été quanufilés par un essai biochimique de type ELISA. Nous avons observé que l'IL-la provoque la dénaturation et le clivage des fibres de collagène de type II. En effet, après 1 l jours de culture, les cartilages traités avec 5 ng/ml d'IL-1α sont caractérisés par 3 fois plus de fibres de collagène de type II dénaturées et 5 fois plus de fibres clivées que les disques de contrôle.

Afin de mesurer les propriétés électromécaniques des cartilages, la série linéaire de 8 électrodes a été intégrée à une chambre dtest qui est placée sur un actuateur. La compression non confinée du cartilage s'effectue à l'aide d'une tige qui est fixée à une cellule de charge. Le déplacement del'actuateur etL'acquisition de la charge et des potentiels d'écoulement sont contrôlés par unordinateur. Lors des tests électromécaniques, les disques sont d'abord poinçonnés à 3 mm de diamètre. La surface articulaire du cartilage est ensuite placée directement en contact avec les électrodes qui couvrent une distance totaIe de 2.1 mm. Les électrodes 2 à 6 couvrent le rayon du disque, l'électrode 1 est située de l'autre côté du centre et les électrodes 7 et 8 sont situées dans le bain. La chambre de test est remplie d'une solution saline (0.01 ou 0.15 M NaCl). Un offset de compression de 100 pm est d'abord appliqué au cartilage par pas de 20 pm à une vitesse de 2 gmls avec un temps de relaxation de 200 ou 300 secondes après chaque pas. Nous effectuons ensuite une série de compressions sinusoïdales de 8,4 et 2 pm d'amplitude à des fréquences de 1,O. 1, et 0.0 1 Hz.

Le profil radial d'amplitude et de phase des potentiels d'écoulement est construit en additionnant chaque canal dans le domaine complexe. Selon les modèles théoriques du cartilage, l'amplitude du profü de potentiel est reliée à la pression dans le disque, alors que le gradient est proportionnel à la vitesse du fluide interstitiel. Nous avons constaté qu'un traitement des cartilages avec IL-la affecte l'amplitude du profil au centre ainsi que le gradient de potentiel à la périphérie du disque. En effet, lors de la première expérience, nous avons observé que l'amplitude du profd de potentiel mesurée dans la solution de 0.15 M NaCl est réduite d'un facteur 4 après un traitement avec IL-1α pendant 13 jours. De plus, le gradient de potentiel à la périphérie du disque est environ 6 fois plus faible pour les disques dégradés. Les rigidités statique et dynamique des cartilages traités avec IL-la sont respectivement 10 et 3 fois plus faibles que celles des disques de contrôle. Au cours de la deuxième expérience, nous avons étudié l'évolution de la dégradation en fonction de Ia durée de la culture. Nous avons obtenu des résultats semblables à ceux de la première expérience. Nous avons toutefois observé que le gradient de potentiel à la périphérie des cartilages traités avec IL-1α est réduit à plus de la moitié de celui des disques de contrôle sedernent 1 jour après le début de la culture. Ceci pourrait être expliqué par le fait que la perte de GAG au début de la culture est plus importante à la périphérie du disque. La diminution de l'amplitude du profil au centre du disque est plus importante entre les jours 4 et 7 de la culture, ce qui est également observé au niveau de la perte de GAG. La rigidité statique est très sensible à la dégradation du cartilage et nous pouvons supposer qu'elle est très sensible au contenu de GAG, mais aussi à la dégradation des fibres de collagène. La rigidité dynamique qui a un comportement semblable à celui de l'amplitude du profil de potentiel au centre du disque est probablement moins influencée par la dénaturation etle clivage du collagène. Les résultats obtenus au cours de l'expérience avec APMA ne sont pas concluants, car les cartilages sont restés congelés pendant plus d'unan. Nous avons égaiement observé q~p, la concentration de NaCl de la solution de test affecte l'amplitude et laforme du profil de potentiel. De plus, nous avons remarqué que la non linéarité de la rigidité dynamique et de l'amplitude du profil de potentiel est plus importante pour les cartilages dégradés. De façon générale, nous pouvons conclure que les propriétés électromécaniques du cartilage sont des indicateurs précis du degré de dégénérescence du cartilage.

Les profils de potentiel d'écoulement peuvent également être construits à partir des courbes de relaxation. Nous avons par contre observé que le filtrage des potentiels d'écoulement influence l'amplitude etla forme des courbes de relaxation. Les courbes de relaxation peuvent être corrigées à l'aide de la fonction de transfert théorique des filtres passe-haut et passe-bas qui ont respecavement aes fréquences de coupure de û.65 et 2% Hz. Nous avons toutefois cbservé que la correction des signaux est optimale pour une fréquence du filtre passe-haut de 0.1 Hz. Nous avons constaté que les profils de potentiel construits à partir des courbes de relaxation corrigées sont très semblables aux profils qui ont été mesurés lors des compressions sinusoïdales. Du côté pratique, il est toutefois plus facile d'appliquer un offset de compression de 100 μm au cartilage plutôt que d'effectuer des compressions sinusoïdales. D'ailleurs, un projet vient de débuter pour la construction d'une sonde arthroscopique qui permettrait de mesurer les potentiels d'écoulement directement sur la surface articulaire de patients ostéoarthritiques. Cette sonde serait utilisée pour évaluer localement l'état de dégradation dela matrice extracellulaire et tester les méthodes de régénération du cartilag

Aaicular cartilage extracellular matïx is prirnarily composed of proteoglycans entrapped in a collagenetwork. Due to the fixed negative charge of proteoglycans, there is an excess of mobile positive charge in the fluid. Compression of the cartilage produces streaming potentials via the induction ofintersitital fiow and the entrainment of positively charged mobile countenons relative to the fixed negatively charged proteoglycans. Streaming potentials are particularly sensitive to the proteoglycan content and the integrity of the collagenetwork of the extracellular rnatrix. Recently, we have developed a rnicroelectrode array to measure streaming potentials across the cartilage articular surface in unconfined compression geometry. We have constructed a linear array of 8 platinum (80%) and iridium (20%) wire electrodes of 50 pm diameter separated by 300 μm.

Cartilage disks were isolated from the humeral head of a 1 to 2 year old steer. The 4 mm disks were cultured in an incubator at 37OC and 5 % CO₂. The serum-free media (DMEF12) was supplemented with 50 pglml of gentarnycin, 0.01% of bovine serum albumin (BSA) and 20 μg/ml of ascorbate. Cartilage disks were matched in triplets :​ a control disk, a cartilage explantreated with a degradation agent and a disk frozen immediately after isolation. Two degradation agents were used. The interleukin-1α (IL-1α) is a cytokine which inhibits proteoglycan and collagen synthesis and increases rnetalloproteinase (MMP) production. The MMPs are responsible for extracellular matrix degradation. The arninophenylmercuric acetate (APMA) also activates the latent forrns of the MMPs. We did three different experirnents. During the first one, disks were placed in culture for 13 days with and without 5 nghl of IL-1α. The second experiment was performed to study the evolution of IL-1α degradation with time of culture. During a third experiment, cartilage explants were treated with 1 mM of APMA.

The loss of proteoglycan to the media durng the culture and the decrease of the proteoglycan content in the disk were rneasured with DMB dye and spectrophotometry. During the first experiment, the cartilage disks treated with 5 ng/rnl of IL-la Lost 9 1% of their GAG content after 13 days of culture. During the second experiment, theIL-la treatedisks Iost 9, 18, 65 and 74% of their GAG content after 1, 4, 7 and 11 days of culture respectively. During the third experiment, the disks treated with APMA lost the majonty of their GAG content after 3 days of culture. The denaturation ad cleavage of the collagen type II fibers was evaiuated with an ELISA assay. We have observed that ILla increases the degradation of the collagen fibers. In fact, after 11 days of culture, the IL-la treatedisks has 3 times more denatured collagen type II and 5 times more cleaved collagen type II than the control explants.

The electromechanical properties of cartilage were evaluated by incorporating the linear may of 8 electrodes into the nonconducting base of a testing charnber. The chamber was mounted on an actuator and the load ce11 fixed to a steel frame. The cornputer controled the displacement of the actuator, the acquisition of the position, load and streaming potentials. During electromechanical testing, disks were first punched to3 mm diameter. The articular surface was placed in contact with the 8 electrodes which cover a total length of 2.1 mm. The electrodes 2 to 6 were covering the 1.5 mm radius, electrode 1 was on the opposite side of the disk center and electrodes 7 and 8 were extemal to the cartilage in the bath. The testing chamber was filled with saline solution (0.01 M or 0.15 M NaCl). A static compression offset of 100 pm was applied in a sequence of small step compressions of 20 pm at 2 pds with a relaxation time of 200 or 300 seconds after each step. Dynamic sinusoidal tests were performed at frequencies of 1, 0.1 and 0.01 Hz with displacement amplitudes of 8,4 and 2 μm.

The streaming potential radial profile is constnicted by the addition of each channel in the complex domain. Cartilage theoreticai models show that the amplitude of the strearning potential profde is related to the pressure profile in the disk and the potential gradient or equivalently the electncd field is proportional to the fluid velocity. A treatment of the cartilage explants with IL-1α reduces the profile amplitude at the center and the potential gradient at the penphery of the disk. During the first experiment, we observed that the streaming potential profile amplitude measured in 0.15 M NaCl solution was reduced by about 4 times in IL-la treated disks compared to control explants. The potential gradient at the periphery was also reduced by a factor of 6 for the degraded tissue. Static and dynamic stifhess were 10 and 3 times lower for the IL-la treated disks compared to control explants. During the second experiment, we studied the evolution of the degradation with the culture tirne. We obtained results similar to the first experirnent. We also observed that the profüe potential gradient at the periphery for the Lla treated explants was reduced by half compared to control disks only one day after the beginning of the culture. The reduction of the profile amplitude at the center of the disk was more gradual. The potential profile amplitude was significantly lower for degraded disks compared to control explants after 7 days of culture. Static stifiess was very sensitive to cartilage degradation. The reduction of dynamic stiffhess was similar to the decrease of the potential profile amplitude at the center ofthe disk. The results obtained during the third expenment with APMA were not conclusive because the disks were frozen for more then one year. We have also observed that the salt concentrationf the test solution influenced the profile amplitude and shape. Furthermore, we have seen that the nonlinearity of the dynamic stiffhess and the potential profile amplitude increases for degraded disks. In a generd manner, we cm conclude that the cartilage electromechanical properties are sensitive indicators of the state of health or degeneration of articular cartilage.

Radial streaming potential profdes can also be constructed from the relaxation curves. However, the filtering of the electncal signal dunng the acquisition modifies the amplitude and the shape ofthe relaxation curve. The distortion of the relaxation curve can be corrected with a theoretical transfer function of the high-pass and low-pass fdters with cut off frequencies of 0.05 and 200 Hz. However, we observed that the relaxation curve correction was optimal for a cut off frequency ofthe high-pass filter of 0.1 Hz. The streaming potential profiles constmcted with the relaxation curves were similar to the profile rneasured during sinusoidal compressions. From a practical side, it is easier to apply a compression offset of 100 μm than to apply sinusoidal compressions. A project is undeway to constmct an arthroscopic probe to measure streaming potential directly on the articular surface of patients suffenng from osteoarthritis. The arthroscopic probe would be used to evaluate locally the degradation state of the cartilage and to test the methods of regeneration of cartilage.