# A journey inside the synovium: New spatial technologies for the understanding of its pathophysiology

Frédéric Blanchard, Benoit Le Goff, Jérôme Guicheux, Marie-Astrid Boutet

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Frédéric Blanchard, Benoit Le Goff, Jérôme Guicheux, Marie-Astrid Boutet. A journey inside the synovium: New spatial technologies for the understanding of its pathophysiology. Revue du Rhumatisme, 2025, 10.1016/j.rhum.2025.04.001. hal-05329626

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Submitted on 24 Oct 2025

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Voyage au cœur de la synoviale : les
nouvelles technologies spatiales pour la
compréhension de sa physiopathologie

Frédéric Blanchard<sup>a</sup>, Benoit Le Goff<sup>a</sup>, Jérôme Guicheux<sup>a</sup>, Marie-Astrid Boutet<sup>a,b</sup>

Accepté le 8 avril 2025

Disponible sur internet le :

a. Nantes Université, Oniris, Inserm, CHU Nantes, Regenerative Medicine and Skeleton, RMeS, UMR 1229, Nantes, France

b. Centre for Experimental Medicine and Rheumatology, William Harvey Research Institute, NIHR Barts Biomedical Research Centre, Queen Mary University of London, London, London, Royaume-Uni

Correspondance :

Marie-Astrid Boutet, Laboratoire RMeS, 1, place Alexis-Ricordeau, 44000 Nantes,
France.

marie-astrid.boutet@univ-nantes.fr

Mots clés

Membrane synoviale
Transcriptomique spatiale
Analyses multiplexes
Endotypes

Résumé

La membrane synoviale est essentielle dans l'homéostasie articulaire et son inflammation caractérise nombre de maladies rhumatismales. Jusqu'à présent, les approches de transcriptomique à haut débit conventionnelles ont amélioré notre compréhension des voies moléculaires associées à l'inflammation synoviale, mais ne permettent pas d'analyser la distribution spatiale des cellules. La biologie spatiale, permettant une cartographie précise des molécules dans leur contexte tissulaire, offre une nouvelle dimension d'information. En rhumatologie, ces techniques ont identifié des sous-types cellulaires et leurs interactions, promettant une médecine plus personnalisée. Cependant, des défis subsistent, notamment en termes de coûts et de gestion des données, notamment pour leur implémentation en clinique. Cette revue a pour but de fournir un tour d'horizon des développements actuels en biologie spatiale dans le domaine de la rhumatologie.

Keywords

Synovium
Spatial transcriptomic
Multiplex analyses
Endotypes

Summary

A journey inside the synovium: New spatial technologies for the understanding of its pathophysiology

The synovium is essential for joint homeostasis, and its inflammation characterizes many rheumatic diseases. High-throughput transcriptomic approaches have enhanced the understanding of molecular pathways associated with synovial inflammation but do not allow for the analysis of cellular spatial distribution. Spatial biology, by mapping molecules within the tissues, offers a new dimension of analysis. In rheumatology, these technical approaches have identified cellular subtypes and their interactions, opening new perspectives for personalized medicine.

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However, several challenges related to costs and data management should be considered for their implementation in clinic. This review aims to provide an overview of current developments in spatial biology applied to rheumatic diseases.

## Introduction

La membrane synoviale joue un rôle clé dans l'homéostasie articulaire et peut être le siège d'une inflammation aiguë ou chronique dans nombre de maladies rhumatismales. Bien que le développement de nombreuses biothérapies ait transformé la prise en charge clinique, une proportion non négligeable de patients sont toujours résistants aux thérapies existantes. Pire, dans certaines affections telle que l'arthrose, aucun traitement curatif n'est actuellement disponible. Ces divers échecs peuvent notamment être attribués à une mauvaise stratification des patients ou encore à une compréhension limitée des mécanismes à cibler [1,2].

Lors des dix dernières années, le développement des approches de transcriptomique à haut débit à l'échelle du tissu (bulk RNA sequencing- RNAseq) ou de la cellule unique (single cell RNA sequencing - scRNAseq) a permis une meilleure compréhension des voies moléculaires et des processus cellulaires activés au sein de la membrane synoviale et de certains mécanismes de réponse aux traitements [3-6]. Des études récentes ont ainsi ouvert la voie à une médecine plus ciblée des voies pathogéniques modulées pour les patients atteints de rhumatismes. Cependant, ces méthodes ne permettent pas d'apprévender la distribution spatiale des cellules dans leur environnement, limitant ainsi notre capacité à révéler les interactions complexes et les dynamiques tissulaires.

Les très récents développements technologiques en biologie spatiale (i.e., domaine de la biologie se concentrant sur l'étude de l'organisation, des relations et des fonctions des cellules dans leur contexte tissulaire spatial) permettent désormais d'accéder à un niveau d'information sans précédent et révolutionne actuellement la recherche clinique et translationnelle. Elues respectivement méthodes de l'année 2021 et 2024 par Nature Methods [7,8], la transcriptomique et la protéomique spatiales ouvrent des perspectives inédites pour une meilleure prise en charge des patients. Cette revue a pour objectif de présenter ces différentes techniques, leurs applications, ainsi que leurs apports en rhumatologie, mais aussi les défis actuels pour leur mise en place en routine clinique dans le futur.

## Nouvelles approches spatiales d'étude de l'expression et de la localisation des transcrits et des protéines dans le tissu synovial : mise au point technique

La biologie spatiale regroupe plusieurs méthodes selon le type de molécules étudiées (e.g., transcriptomiques, protéomiques,

métabolomiques, multi-omiques), le nombre de cibles étudiées (panels de molécules restreints ou transcriptome/métabolome entier) ou encore la résolution (analyses multi-cellulaires ou subcellulaires) (figure 1). Les innovations technologiques dans ce domaine de la biologie sont en constante évolution, ces technologies permettent de cartographier avec précision les molécules d'intérêt au sein de leur environnement tissulaire complexe, révélant ainsi des interactions et des mécanismes qui étaient auparavant imperceptibles.

Les récentes techniques de transcriptomique spatiale peuvent combiner la capture spatiale des ARNm ou l'utilisation de sondes ARN avec le séquençage de nouvelle génération. Des technologies comme le Visium (10x Genomics) ou encore le GeoMx (Bruker Spatial Biology) permettent une analyse du transcriptome entier et la génération de cartes d'expression dans des repères prédéfinis sur une lame propriétaire ou des régions d'intérêt choisies par l'utilisateur, respectivement. Elles ont l'avantage de permettre l'analyse d'un grand nombre de cibles moléculaires mais leur résolution est multi-cellulaire. Des approches bioinformatiques de déconvolution cellulaire (méthode mathématique permettant d'estimer les proportions de différents types cellulaires dans un échantillon de tissu total) prenant comme base des profils générés par scRNAseq, ou bien les récents développements techniques (Visium HD, 10x Genomics ou Stereo-seq, STOmics) peuvent cependant aider à lever au moins partiellement cette barrière de la résolution [9].

Depuis plusieurs décennies, l'imagerie par hybridation in situ (ISH) a été utilisée pour visualiser précisément la présence d'un à plusieurs ARNm directement dans les tissus fixés, grâce à des sondes spécifiques. Désormais, les nouvelles approches basées sur l'imagerie telles que le Xenium (10X Genomics), le CosMx

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Les différents niveaux d'analyses en biologie spatiale. ARN : acide ribonucléique</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIGURE 2</figcaption></figure>

Identification et localisation spatiale des transcrits et des sous-
types cellulaires au sein de la membrane synoviale grâce à la
transcriptomique spatiale à échelle subcellulaire (exemple du
Xenium, 10X Genomics). La localisation des ARN messagers de
Proteoglycan 4 (PRG4) et des fibroblastes de l'intima, de la sous-
intima, de différents sous-types de macrophages, des cellules
endothéliales et murales, ainsi que des granulocytes est
indiquée. H&E : Hématoxyline et Eosine

(Bruker Spatial Biology) ou encore le Merscope (Vizgen) permettent l'analyse simultanée de panels de quelques centaines à quelques milliers de gènes avec une précision subcellulaire. Bien que le transcriptome entier ne puisse pour le moment pas être étudié à cette résolution, ces technologies possèdent des avantages majeurs pour l'étude de la diversité et des interactions cellulaires. La figure 2 présente un exemple d'application de transcriptomique subcellulaire sur une coupe de membrane synoviale.

La protéomique spatiale se concentre sur la localisation des protéines au sein des tissus. Tout comme pour la transcriptomique spatiale, certaines approches sont ciblées et permettent l'analyse d'une à plusieurs dizaines de protéines : cytométrie de masse par imagerie (IMC, Hyperion, Standard Biotools), immunofluorescence multiplexée (e.g., Comet, Lunaphore ; MACSima, Miltenyi Biotech). D'autres techniques sont plus exhaustives et non ciblées, mais leur résolution est moindre (e.g., Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging). Cette dernière approche est particulièrement utile pour l'étude des modifications post-traductionnelles qui jouent un rôle crucial dans la physiopathologie synoviale [10].

Enfin, les analyses multi-omiques représentent une approche intégrative qui combine plusieurs niveaux de données biologiques pour obtenir une compréhension holistique des systèmes biologiques [11]. En intégrant ces différentes strates d'information, des interactions complexes et des mécanismes régulateurs qui ne seraient pas apparents à partir d'une analyse omique isolée peuvent être identifiés (e.g., certains transcrits faiblement traduits en protéines, modifications post-traductionnelles). Ainsi, l'intégration de données multi-omiques promet de transformer la recherche biomédicale et clinique en fournissant une vue d'ensemble plus complète et plus nuancée des systèmes biologiques complexes.

Apport des analyses spatiales en
rhumatologie : un pas de plus vers une
médecine ciblée et personnalisée

Polyarthrite rhumatoïde (PR) : prototype d'étude

La PR est typiquement caractérisée par une synovite dont l'intensité et la nature de l'infiltrat cellulaire sont associés aux phénotypes cliniques et à la réponse aux traitements [6,12]. Plusieurs études récentes, utilisant les techniques spatiales précédemment décrites, ont exploré l'hétérogénéité des cellules synoviales, leurs distributions et leurs interactions au sein des niches synoviales. Ainsi, la transcriptomique spatiale a notamment pu aider à clarifier l'hétérogénéité des structures synoviales et de leur composition, telles que les structures ectopiques lymphoïdes, et leur pertinence pour prédire la réponse aux traitements [13]. À l'échelle cellulaire, divers sous-types de fibroblastes synoviaux exposés localement à des cytokines (TNF, IFN-γ, IL-1β) exprimées par les cellules myéloïdes et lymphoïdes proches ont récemment été décrits [14]. Les fibroblastes CD200+, caractérisés par leurs capacités pro-résolutives, sont localisées dans la synoviale proches des cellules lymphoïdes innées de type 2 (ILC2) exprimant CD200R1, dans des zones peu inflammatoires. Cette caractérisation fine, permise par la combinaison de données de transcriptomique spatiale, révèle ainsi un intérêt pour l'induction de sous-types fibroblastiques pour le traitement de la PR [15]. De plus, une nouvelle étude centrée sur la sous-population de fibroblastes ITGA5+, présente spécifiquement chez les patients ayant une synovite active de pathotype lympho-myéloïde, a montré son association au risque de multirésistance aux traitements [16]. Plusieurs sous-populations de cellules dendritiques pathogènes et tolérègènes ont également été identifiées récemment et associées à des niches synoviales de fonctions distinctes [17]. Spécifiquement, le profil moléculaire associé à certaines de ces cellules dendritiques (iDC3) pourrait prédire les poussées au cours de la PR.

La biologie spatiale a également permis de décrypter la signa-
ture moléculaire et la localisation de transcrits associés à la
réponse aux traitements dans le contexte de la PR [18,19].
Dans ce cadre, notre équipe a décrit une sous-population de
macrophages protecteurs LYVE1+ CD206+, localisée dans la
niche périvasculaire de la membrane synoviale, qui voit sa
proportion réduite au cours de la PR active [20]. Un traitement
efficace au méthotrexate permettrait de rétablir leur présence,
impliquant notamment plusieurs voies de signalisation spécifi-
ques (e.g., chimiokines, annexine, récepteur TAM).

Intérêt majeur pour l'étude des autres maladies
rhumatismales

À l'instar de la PR, les patients atteints de rhumatisme psoria-
sique peuvent profiter d'un arsenal thérapeutique conséquent.
Alors que la plupart des atteintes cutanées peuvent être traitées
efficacement, la synovite reste cependant difficile à prendre en

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charge pour une partie des patients [21]. Grâce à un panel de 33 anticorps utilisé pour le marquage par IMC d'échantillons de peau et de membrane synoviale, des analyses de voisinage ont confirmé la présence de structures ectopiques lymphoïdes composées de lymphocytes T, B et de macrophages dans les deux tissus [22]. Comme dans la synoviale de patients PR, les fibroblastes pro-résolutifs caractérisés par l'expression de CD200 sont présents dans la synoviale des patients atteints de rhumatisme psoriasique [15]. Ces données ouvrent la voie au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques pertinentes, par exemple à l'utilisation d'agonistes du CD200R qui permettraient de réduire l'inflammation synoviale et les dommages articulaires associés [15].

Actuellement, les patients atteints d'arthrose ne disposent que d'une prise en charge clinique visant à réduire la douleur mais ne permettant pas de limiter ou de stopper la progression de leur maladie. Ceci peut être notamment attribué à la complexité des phénotypes et des endotypes de la maladie, encore trop peu compris [2]. La biologie spatiale contribue actuellement et de manière significative à améliorer notre compréhension de la physiopathologie de l'arthrose. L'analyse de l'organisation des structures synoviales, telles que les structures vasculaires, démontre que leur composition cellulaire est liée à la douleur chez les patients [23]. Cette étude a mis en évidence que les macrophages synoviaux des patients douloureux sont dysfonctionnels, caractérisés par des capacités phagocytiques réduites. Une étude de 2024 a également décrit la distribution spatiale des cellules de la membrane synoviale et du tissu adipeux de Hoffa (fat pad) et mis en évidence les communications cellulaires spécifiques à l'arthrose, liées à l'âge ou encore à l'obésité [24]. Ainsi, ces résultats démontrent que les approches spatiales peuvent aider le développement d'une médecine plus personnalisée pour l'arthrose.

## Défis actuels pour l'utilisation de ces approches spatiales en routine clinique

Les techniques de biologie spatiale précédemment discutées impliquent, pour la plupart, une préparation simple des échantillons histologiques, qui peut être aisément mise en place dans

la plupart des centres (services d'anatomopathologie, laboratoires). Cependant, ces approches, notamment celles permettant une analyse transcriptomique spatiale à haut débit, engendrent des coûts non négligeables qui pourraient limiter leur utilisation. L'optimisation des protocoles et la définition de panels plus restreints et pertinents pourraient à l'avenir permettre de rendre ces techniques plus abordables. De plus, le nombre de tissus analysés par semaine à l'aide de ces techniques reste faible, limitant la possibilité de tester les prélèvements de nombreux patients simultanément. Le développement de l'utilisation de puces tissulaires (« tissue microarray » ou TMA) présenterait de nombreux avantages. Un des défis majeurs représente désormais la gestion de la complexité des données générées (e.g., stockage, protection), l'intégration et la comparaison des informations provenant de différentes techniques ou centres, et l'interprétation biologique des résultats [25].

Cependant, les perspectives offertes par ces nouvelles approches spatiales sont immenses, promettant de transformer notre compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents aux maladies synoviales et d'ouvrir la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques.

## Conclusion

Les premières études utilisant la biologie spatiale en rhumatologie ont déjà prouvé leur utilité pour la compréhension de la physiopathologie des maladies articulaires. Certains défis doivent cependant être surmontés afin de permettre leur implantation dans les essais cliniques ou la routine de prise en charge des patients.

L'avenir de la biologie spatiale réside dans l'analyse tridimensionnelle des tissus, que ce soit par la reconstruction artificielle de sections consécutives [26], ou par la visualisation complète d'échantillons clarifiés grâce par exemple à la microscopie à feuille de lumière [27]. Pour atteindre une compréhension exhaustive des interactions biologiques complexes, il est crucial de continuer à développer des techniques de multiplexage avancées, permettant l'analyse simultanée de multiples marqueurs au sein d'échantillons tissulaires complexes.

**Déclaration d'intérêts** : Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.

**Remerciements** : les auteurs remercient l'Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm) (programme ATIP-Avenir, M.-A.B.), la Fondation pour la recherche médicale (FRM) (ARF202004011786, M.-A.B. ; équipe FRM TARMac, F.B., M.-A.B., B.L.G. et J.G.), l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-23-CE17-0037, B.L.G. et F.B.), la Fondation Arthritis (SPOTT, M.-A.B.) et la Région Pays de la Loire (programme PULSAR, M.-A. B.). Les auteurs remercient également la Plateforme de cytométrie et d'imagerie de masse de Montpellier (Institut de recherche en cancérologie de Montpellier, Inserm, université de Montpellier, Institut régional du cancer de Montpellier, Montpellier, France).

## Pour en savoir plus

Les approches spatiales révolutionnent actuellement la recherche translationnelle en rhumatologie. Certains défis, notamment le coût de ces techniques et la complexité de leurs analyses, restent cependant un frein à leur mise en œuvre en routine clinique pour le moment.

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