Softwaregestützte quantitative Messung der osteoarthritischen subchondralen Knochendicke
Summary
Dieser Methodenartikel stellt ein softwaregestütztes quantitatives Messprotokoll zur Quantifizierung der histologischen subchondralen Knochendicke in murinen osteoarthritischen Kniegelenken und normalen Kniegelenken als Kontrollen vor. Dieses Protokoll ist sehr empfindlich gegenüber subtiler Verdickung und eignet sich zur Erkennung früher osteoarthritischer subchondraler Knochenveränderungen.
Abstract
Subchondrale Knochenverdickung und Sklerose sind die Hauptmerkmale der Osteoarthritis (OA), sowohl im Tiermodell als auch beim Menschen. Derzeit wird der Schweregrad der histologischen subchondralen Knochenverdickung hauptsächlich durch auf visueller Schätzung basierende semi-quantitative Grading-Systeme bestimmt. Dieser Artikel stellt ein reproduzierbares und leicht auszuführendes Protokoll zur quantitativen Messung der subchondralen Knochendicke in einem Mausmodell von Knie-OA vor, das durch Destabilisierung des medialen Meniskus (DMM) induziert wird. Dieses Protokoll verwendete die ImageJ-Software, um die subchondrale Knochendicke auf histologischen Bildern zu quantifizieren, nachdem eine Region von Interesse im medialen Femurkondylus und dem medizinischen Tibiaplateau definiert wurde, wo subchondrale Knochenverdickung normalerweise bei DMM-induzierter Knie-OA auftritt. Als Kontrollen wurden histologische Bilder von Kniegelenken mit einem Scheinverfahren verwendet. Statistische Analysen zeigten, dass das neu entwickelte quantitative subchondrale Knochenmesssystem mit geringen Intra- und Interbeobachtervariabilitäten hochgradig reproduzierbar war. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neue Protokoll empfindlicher auf subtile oder milde subchondrale Knochenverdickung reagiert als die weit verbreiteten visuellen Grading-Systeme. Dieses Protokoll eignet sich sowohl zur Erkennung früher als auch fortschreitender osteoarthritischer subchondraler Knochenveränderungen und zur Beurteilung der In-vivo-Wirksamkeit von OA-Behandlungen in Verbindung mit der OA-Knorpeleinstufung.
Introduction
Osteoarthritis (OA), röntgenographisch gekennzeichnet durch Gelenkraumverengung aufgrund des Verlustes von Gelenkknorpel, Osteophyten und subchondraler Knochen (SCB) Sklerose, ist die häufigste Form der Arthritis1,2. Obwohl die Rolle des periartikulären Knochens in der Ätiologie von OA nicht vollständig verstanden ist, wird allgemein angenommen, dass Osteophytenbildung und SCB-Sklerose eher das Ergebnis des Krankheitsprozesses als ursächliche Faktoren sind, aber Veränderungen in der periartikulären Knochenarchitektur / -form und -biologie können zur Entwicklung und progression von OA beitragen3,4 . Die Entwicklung eines genauen und leicht durchführbaren OA-Bewertungssystems, einschließlich SCB-Messung, ist entscheidend für vergleichende Studien zwischen Forschungslabors und für die Bewertung der Wirksamkeit von Therapeutika, die das Fortschreiten der OA verhindern oder abschwächen sollen.
SCB ist mit einer dünnen kuppelartigen Knochenplatte und einer darunter liegenden Schicht aus trabekulärem Knochen aufgebaut. Die SCB-Platte ist die kortikale Lamelle, die parallel zum und unmittelbar unter dem verkalkten Knorpel liegt. Kleine Äste der arteriellen und venösen Gefäße sowie Nerven dringen durch die Kanäle in der SCB-Platte ein und kommunizieren zwischen dem verkalkten Knorpel und dem trabekulären Knochen. Der subchondrale trabekuläre Knochen enthält Blutgefäße, sensorische Nerven, Knochenmark und ist poröser und metabolischer als die SCB-Platte. Daher übt SCB stoßdämpfende und unterstützende Funktionen aus und ist auch wichtig für die Knorpelnährstoffversorgung und den Stoffwechsel in normalen Gelenken5,6,7,8.
SCB-Verdickung (in der Histologie) und Sklerose (in der Radiographie) sind die Hauptmerkmale von OA und Schlüsselforschungsbereichen der OA-Pathophysiologie. Die Messung der SCB-Verdickung ist ein wichtiger Bestandteil der histologischen Beurteilung des OA-Schweregrads. Zuvor berichtete digitale Mikroradiographie zur Messung der SCB-Mineraldichte von Nagetieren9 sowie die auf Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) basierende quantitative SCB-Messung in Nagetiermodellen von OA10,11,12,13 haben unser Verständnis der SCB-Struktur und der Rolle von SCB-Veränderungen in der OA-Pathophysiologie verbessert. SCB-Fläche und -Dicke wurden auch mit histologischen Objektträgern unter Verwendung eines ausgeklügelten Computersystems mit spezifischer und teurer Knochenhistomorphometrie-Software quantifiziert14. Dennoch sind visuelle Schätzungsbasierte semiquantitative OA-Grading-Systeme, einschließlich SCB-Verdicker-Grading, derzeit weiter verbreitet als Mikro-CT, da die Grading-Systeme einfach zu bedienen sind, insbesondere für das Screening zahlreicher histologischer Bilder. Die meisten bestehenden OA-Grading-Systeme konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf Knorpelveränderungen15,16,17. Eine weit verbreitete osteoarthritische SCB-Dickengradierungsmethode, die die SCB-Verdickung als leicht, mittelschwer und schwer einstuft, ist weitgehend subjektiv und ihre Zuverlässigkeit wurde nicht vollständig validiert15. Ein zuverlässiges und einfach auszuführendes schrittweises osteoarthritisches SCB-Dickenmessprotokoll ist entweder nicht vollständig entwickelt oder nicht standardisiert.
Diese Studie zielte darauf ab, ein reproduzierbares, empfindliches und leicht auszuführendes Protokoll zur quantitativen Messung der SCB-Dicke in einem Mausmodell von OA zu entwickeln. Unsere strengen Messtests und statistischen Analysen zeigten, dass dieses softwaregestützte quantitative Messprotokoll imageJ die SCB-Dicke sowohl in normalen als auch in osteoarthritischen Kniegelenken quantifizieren kann. Das neu entwickelte Protokoll ist reproduzierbar und empfindlicher gegenüber leichten SCB-Änderungen als die weit verbreiteten visuellen Grading-Systeme. Es kann zur Erkennung früher osteoarthritischer SCB-Veränderungen und zur Beurteilung der In-vivo-Wirksamkeit von OA-Behandlungen in Verbindung mit der OA-Knorpeleinstufung verwendet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Messung der SCB-Verdickung ist ein wichtiger Bestandteil der histologischen Beurteilung des OA-Schweregrads. Die meisten bestehenden OA-Grading-Systeme konzentrieren sich hauptsächlich auf Knorpelveränderungen15,16,17. Eine weit verbreitete murine osteoarthritische SCB-Dickengradierungsmethode, die SCB-Verdickung als leicht, mittelschwer und schwer kategorisiert, ist weitgehend subjektiv und ihre Zuverlässigkeit wurde nic…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases der National Institutes of Health (NIH) unter der Award Number R01 AR059088, dem Department of Defense (DoD) unter der Forschungspreisnummer W81XWH-12-1-0304 und der Mary and Paul Harrington Distinguished Professorship Endowment unterstützt.
Materials
| Safranin-O | Sigma-Aldrich | S8884 | |
| Fast green | Sigma-Aldrich | F7252 | |
| Hematoxylin | Sigma-Aldrich | GHS216 | |
| Eosin | Sigma-Aldrich | E4382 | |
| illustrator | Adobe | Not applicable |
References
- Kotlarz, H., Gunnarsson, C. L., Fang, H., Rizzo, J. A. Insurer and out-of-pocket costs of osteoarthritis in the US: evidence from national survey data. Arthritis and Rheumatology. 60 (12), 3546-3553 (2009).
- Buckwalter, J. A., Martin, J. A. Osteoarthritis. Advanced Drug Delivery Reviews. 58 (2), 150-167 (2006).
- Weinans, H., et al. Pathophysiology of peri-articular bone changes in osteoarthritis. Bone. 51 (2), 190-196 (2012).
- Baker-LePain, J. C., Lane, N. E. Role of bone architecture and anatomy in osteoarthritis. Bone. 51 (2), 197-203 (2012).
- Li, G., et al. Subchondral bone in osteoarthritis: Insight into risk factors and microstructural changes. Arthritis Research and Therapy. 15 (6), 223 (2013).
- Madry, H., van Dijk, C. N., Mueller-Gerbl, M. The basic science of the subchondral bone. Knee Surgery, Sports, Traumatology, Arthrosclerosis. 18 (4), 419-433 (2010).
- Milz, S., Putz, R. Quantitative morphology of the subchondral plate of the tibial plateau. Journal of Anatomy. 185, 103-110 (1994).
- Blalock, D., Miller, A., Tilley, M., Wang, J. Joint instability and osteoarthritis. Clinical Medicine Insights: Arthritis and Musculoskeleton Disorders. 8, 15-23 (2015).
- Waung, J. A., et al. Quantitative X-ray microradiography for high-throughput phenotyping of osteoarthritis in mice. Osteoarthritis Cartilage. 22 (10), 1396-1400 (2014).
- Botter, S. M., et al. Cartilage damage pattern in relation to subchondral plate thickness in a collagenase-induced model of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 16 (4), 506-514 (2008).
- Nalesso, G., et al. Calcium calmodulin kinase II activity is required for cartilage homeostasis in osteoarthritis. Science Reports. 11 (1), 5682 (2021).
- Ding, M., Christian Danielsen, C., Hvid, I. Effects of hyaluronan on three-dimensional microarchitecture of subchondral bone tissues in guinea pig primary osteoarthrosis. Bone. 36 (3), 489-501 (2005).
- Kraus, V. B., Huebner, J. L., DeGroot, J., Bendele, A. The OARSI histopathology initiative – recommendations for histological assessments of osteoarthritis in the guinea pig. Osteoarthritis Cartilage. 18, 35-52 (2010).
- McNulty, M. A., et al. A comprehensive histological assessment of osteoarthritis lesions in Mice. Cartilage. 2 (4), 354-363 (2011).
- Glasson, S. S., Chambers, M. G., Van Den Berg, W. B., Little, C. B. The OARSI histopathology initiative – recommendations for histological assessments of osteoarthritis in the mouse. Osteoarthritis Cartilage. 18, 17-23 (2010).
- Pritzker, K. P., et al. Osteoarthritis cartilage histopathology: grading and staging. Osteoarthritis Cartilage. 14 (1), 13-29 (2006).
- Mankin, H. J., Dorfman, H., Lippiello, L., Zarins, A. Biochemical and metabolic abnormalities in articular cartilage from osteo-arthritic human hips. II. Correlation of morphology with biochemical and metabolic data. Journal of Bone and Joint Surgery American. 53 (3), 523-537 (1971).
- Glasson, S. S., Blanchet, T. J., Morris, E. A. The surgical destabilization of the medial meniscus (DMM) model of osteoarthritis in the 129/SvEv mouse. Osteoarthritis Cartilage. 15 (9), 1061-1069 (2007).
- Wang, J., et al. Transcription factor Nfat1 deficiency causes osteoarthritis through dysfunction of adult articular chondrocytes. Journal of Pathology. 219 (2), 163-172 (2009).
- Zhang, M., Lu, Q., Budden, T., Wang, J. NFAT1 protects articular cartilage against osteoarthritic degradation by directly regulating transcription of specific anabolic and catabolic genes. Bone Joint Research. 8 (2), 90-100 (2019).
- Zhang, M., et al. Epigenetically mediated spontaneous reduction of NFAT1 expression causes imbalanced metabolic activities of articular chondrocytes in aged mice. Osteoarthritis Cartilage. 24 (7), 1274-1283 (2016).
- Rodova, M., et al. Nfat1 regulates adult articular chondrocyte function through its age-dependent expression mediated by epigenetic histone methylation. Journal of Bone and Mineral Research. 26 (8), 1974-1986 (2011).
- Jackson, M. T., et al. Depletion of protease-activated receptor 2 but not protease-activated receptor 1 may confer protection against osteoarthritis in mice through extracartilaginous mechanisms. Arthritis and Rheumatology. 66 (12), 3337-3348 (2014).
