Physico-chemical and structural study of hydrated calcium pyrophosphates : application to microcalcifications associated with arthritis

Ce mémoire porte sur l’étude de pyrophosphates de calcium hydratés (CPP : Ca2P2O7•nH2O), composés rencontrés dans des micro-calcifications pathologiques associées à l’arthrose et, dans certains cas, responsables d’arthropathie destructive. Ces cristaux, présents dans les articulations de patients arthritiques, possèdent un fort potentiel inflammatoire susceptible d’engendrer une dégradation aigüe du cartilage. Cependant, les mécanismes de formation des phases de CPP et d’activation de leur potentiel inflammatoire n’ont pas encore été entièrement décrits. Nous nous sommes intéressés à l’étude des conditions de formation des différentes phases de pyrophosphates de calcium hydratés in vitro ainsi qu’à la caractérisation fine de chacune des phases d’intérêt biologique avec des outils de laboratoire et de grands instruments afin de mieux comprendre leurs propriétés physico-chimiques et d’améliorer leur identification in vitro et in vivo. Dans un premier temps, un protocole de synthèse a été établi permettant la synthèse de quantités importantes de chacune des phases pures de CPP (CPP amorphe, CPP dihydratés monoclinique et triclinique et CPP tétrahydraté). Les conditions de synthèse associées à la formation de chacune de ces phases, pH et température notamment, ont été explorées. Des échantillons purs ont été utilisés comme références pour les différentes études physico-chimiques et structurales qui ont ensuite été menées. Les échantillons de référence ont été caractérisés finement, d’un point de vue structural avec notamment la résolution de plusieurs structures cristallines (diffraction des rayons X et des neutrons, sur poudre et monocristal) mais aussi au travers de différentes analyses spectroscopiques (spectroscopies FTIR et Raman, RMN du solide) et d’analyses de la morphologie des cristaux (microscopies électroniques à balayage et en transmission, diffraction électronique). Chacune de ces analyses complémentaires, couplées à des modélisations ab initio, a permis de préciser les hypothèses suggérant un rôle de la surface des cristaux dans le potentiel inflammatoire de ces phases. Une troisième partie est consacrée à l’exploration de différentes techniques de synthèse mettant en œuvre différents milieux (cristallisation en solution et en gel). Ces expériences ont permis d’établir des comparaisons avec les processus de formation observés in vivo et d’évolution in vitro à haute température des phases de CPP. Finalement des études ex vivo de cartilages calcifiés seront présentées, mettant en évidence les avantages de ces techniques de caractérisation de laboratoire comme outils de diagnostic. Ce travail permet ainsi de préciser les mécanismes physico-chimiques liés aux différentes phases de CPP in vitro et in vivo afin de mieux comprendre la formation de ces phases et leur potentiel inflammatoire associé, tout en améliorant les possibilités de diagnostic des arthropathies microcristallines.The present work concerns the study of hydrated calcium pyrophosphates (CPP: Ca2P2O7•nH2O), a group of phases detected in pathological microcalcifications and associated with arthritis. These crystals are frequently observed in the synovial fluid of arthritic patients and they were described as having a high inflammatory potential which could induce a severe degradation of cartilage. However, the mechanisms involved in the formation of the CPP crystals and the activation of their inflammatory potential are not fully understood. This work is focused on the study of the synthesis conditions of CPP in vitro and on the fine characterization of CPP phases of biological interest using laboratory equipments and large-scale facilities. The aim of this work was to describe the physico-chemical properties of these materials, including inflammatory potential, and to improve their identification in vivo and in vitro. First, a synthesis protocol was designed for the production of significant amounts of pure samples for each of the CPP phases (amorphous CPP, monoclinic and triclinic dihydrated CPP and tetrahydrated CPP). Different conditions, including pH and temperature, were studied to achieve the synthesis of reference materials. These samples were precisely characterized using complementary techniques to determine their crystalline structures (powder and single crystal X-ray diffraction and neutron diffraction) as well as using spectroscopic (FTIR and Raman spectroscopies, MAS-NMR) and morphologic analyses (SEM, TEM and electron diffraction). These analyses, combined with ab initio modeling, clarified the hypotheses concerning the role of the crystal surface on the adsorption properties of CPP crystals and their inflammatory potential. The third part of this thesis is focused on the study of CPP synthesis conditions, by using different experimental setups to study crystallization in solution and in gel. A comparison with in vivo formation processes and in vitro high temperature evolution phenomena of these phases was established based on the results of these experiments. Finally, ex vivo analyses of pathological cartilage are presented, highlighting the advantages of different laboratory characterizations as medical diagnostic tools. This work contributes to clarify the physico-chemical characteristics of CPP phases in vitro and in vivo, to improve the knowledge on the formation and the evolution of these phases, their properties including inflammatory potential, and to facilitate their identification in vivo