Malchau, Henrik MD, PhD; Herberts, Peter MD, PhD; Eisler, Thomas MD; Garellick, Göran MD, PhD; Söderman, Peter MD, PhD

Abstract Osteoarthrithis (OA) is an endemic disease due to the increase of the world’s elderly population. Previously thought to be a consequence of an imbalance between cartilage degradation and biosynthesis, it is now recognized as a disease also involving inflammation, hence influencing the level of inflammatory cytokines, growth factors and chemokines. Lubricin is a mucin type molecule where its OA induced glycosylation truncation propels a deteriorating lubrication of the articular cartilage. The objective of this study was to explore the OA driven truncation of O -linked glycosylation of synovial lubricin and its cross talk with systemic and local (synovial fluid, SF) inflammation. We compared the systemic level of cytokines/chemokine in OA patients’ and controls’ plasma with their local level in SF using a 44 plex screen. The level of 27 cytokines and chemokines was consistently measured in both plasma and SF. The data showed that the levels of cytokines and chemokines in OA plasma display limited correlation to their counterpart in SF. The level of synovial IL-8 and MIP-1α and VEGFA in OA patients, but not their plasma level, where the only cytokines that displayed a significant correlation to the observed lubricin O -linked glycosylation truncation. These cytokines were also shown to be upregulated exposing fibroblast like synoviocytes from healthy and OA patients to recombinant lubricin with truncated glycans mainly consisting of Tn-antigens, while lubricin with sialylated and non-sialylated T anigens did not have any effect. The data suggest that truncated glycans of lubricin, as found in OA, promotes the synovial cytokine production and exerebate the local synovial inflammation.

Synovial fluid lubricin (proteoglycan 4) is a mucin-type O -linked glycosylated (60% of the mass) biological lubricant involved in osteoarthritis (OA) development. Lubricin has been reported to be cross-linked by synovial galectin-3 on the lubricating articular surface. Here, we confirm that binding to galectin-3 depended on core-2 O -linked glycans, where surface plasmon resonance of a recombinant lubricin (rhPRG4) devoid of core-2 structures lacked binding capacity to recombinant galectin-3. Both galectin-3 levels and interactions with synovial lubricin were found to be decreased in late-stage OA patients coinciding with an increase of truncated and less sialylated core 1 O-glycans. These data suggest a defect cross-linking of surface active molecules in OA and provides novel insights into OA molecular pathology.

Lubricin (PRG4) is a mucin type protein that plays an important role in maintaining normal joint function by providing lubrication and chondroprotection. Improper lubricin modification and degradation has been observed in idiopathic osteoarthritis (OA), while the detailed mechanism still remains unknown. We hypothesized that the protease cathepsin G (CG) may participate in degrading lubricin in synovial fluid (SF). The presence of endogenous CG in SF was confirmed in 16 patients with knee OA. Recombinant human lubricin (rhPRG4) and native lubricin purified from the SF of patients were incubated with exogenous CG and lubricin degradation was monitored using western blot, staining by Coomassie or Periodic Acid-Schiff in gels, and with proteomics. Full length lubricin (~300 kDa), was efficiently digested with CG generating a 25-kDa protein fragment, originating from the densely glycosylated mucin domain (~250 kDa). The 25-kDa fragment was present in the SF from OA patients, and the amount was increased after incubation with CG. A CG digest of rhPRG4 revealed 135 peptides and 72 glycopeptides, and confirmed that the protease could cleave in different domains of lubricin. Our results suggest that synovial CG may take part in the degradation of lubricin, which could affect the lubrication of OA joints.