מדידה כמותית בסיוע תוכנה של עובי עצם תת-תכונדרית אוסטיאוארתרית
Summary
מאמר מתודולוגיה זה מציג פרוטוקול מדידה כמותית בסיוע תוכנה כדי לכמת את עובי העצם התת-צ’ונדרלי היסטולוגי במפרקי הברך האוסטאוארת-דלקתיים של מורין ומפרקי הברך הרגילים כפקדים. פרוטוקול זה רגיש מאוד לעיבוי עדין ומתאים לאיתור שינויים מוקדמים בעצם התת-מפרקתית האוסטאוארתרית.
Abstract
עיבוי עצם תת-קונדרלי וטרשת הם סימני ההיכר העיקריים של דלקת מפרקים ניוונית (OA), הן במודלים של בעלי חיים והן בבני אדם. נכון לעכשיו, חומרת עיבוי העצם התת-קונדרלי ההיסטולוגי נקבעת בעיקר על ידי מערכות דירוג חצי כמותיות מבוססות הערכה חזותית. מאמר זה מציג פרוטוקול ניתן לשחזור ומבוצע בקלות כדי למדוד כמותית את עובי העצם התת-קונדרלי במודל עכבר של OA הברך המושרה על ידי ערעור היציבות של המניסקוס המדיאלי (DMM). פרוטוקול זה השתמש בתוכנת ImageJ כדי לכמת את עובי העצם התת-קונדרלי בתמונות היסטולוגיות לאחר שהגדיר אזור מעניין בקונדיל הירך המדיאלי ובמישור הסיבתי הרפואי שבו עיבוי עצם תת-קונדרלי מתרחש בדרך כלל ב- DMM המושרה בברך OA. תמונות היסטולוגיות ממפרקי הברך עם הליך מזויף שימשו כפקדים. ניתוח סטטיסטי הצביע על כך שמערכת מדידת העצם התת-קונדרלית הכמותית שפותחה לאחרונה הייתה ניתנת לשחזור עם שונות פנים-ארצית ובין-צופה נמוכה. התוצאות מצביעות על כך שהפרוטוקול החדש רגיש יותר לעיבוי עצם תת-קונדרלי עדין או מתון מאשר למערכות הדירוג החזותיות הנפוצות. פרוטוקול זה מתאים לאיתור שינויים מוקדמים ומתקדמים בעצם תת-מפרקית אוסטיאוארתרית והן להערכת היעילות של טיפולי vivo של טיפולי OA בתיאום עם דירוג סחוס OA.
Introduction
דלקת מפרקים ניוונית (OA), המאופיינת באופן רדיוגרפי על ידי צמצום מרחב משותף עקב אובדן סחוס מפרקי, ניוונית, וטרשת עצם תת-קונדרלית (SCB), היא הצורה הנפוצה ביותר של דלקת פרקים 1,2. למרות שתפקידה של עצם פרי-מפרקית באטיולוגיה של OA אינו מובן במלואו, היווצרות אוסטאופיטים וטרשת SCB נחשבים בדרך כלל לתוצאות תהליך המחלה ולא לגורמים סיבתיים, אך שינויים בארכיטקטורת העצם/הצורה והביולוגיה הפרי-מפרקית עשויים לתרום להתפתחות ולהתקדמות של OA3,4 . הפיתוח של מערכת דירוג OA מדויקת וקלה לביצוע, כולל מדידת SCB, הוא קריטי למחקרים השוואתיים בקרב מעבדות מחקר ובהערכת היעילות של סוכנים טיפוליים שנועדו למנוע או להחליש התקדמות OA.
SCB בנוי עם צלחת עצם דמוית כיפה דקה ושכבה בסיסית של עצם טרבלקולרית. צלחת SCB היא lamella קליפת המוח, שוכב במקביל ומיד מתחת הסחוס מסויד. ענפים קטנים של כלי עורקים ורידים, כמו גם עצבים, לחדור דרך הערוצים בלוח SCB, תקשורת בין הסחוס מסויד ועצם trabecular. העצם התת-קונדרלית trabecular מכיל כלי דם, עצבים חושיים, מח עצם והוא נקבובי יותר ופעיל מטבולית יותר מאשר צלחת SCB. לכן, SCB מפעילה פונקציות סופגות זעזועים ותומכות והיא חשובה גם לאספקת חומרים מזינים סחוס וחילוף חומרים במפרקים רגילים5,6,7,8.
עיבוי SCB (בהיסטולוגיה) וטרשת (ברדיוגרפיה) הם סימני ההיכר העיקריים של OA ואזורי מחקר מרכזיים של פתולוגיה OA. מדידת עיבוי SCB היא מרכיב חשוב בהערכות היסטולוגיות של חומרת OA. דיווח בעבר מיקרורדיוגרפיה דיגיטלית למדידת צפיפות מינרלים SCB מכרסמים9, כמו גם טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (מיקרו-CT) מבוסס מדידת SCB כמותית במודלים מכרסמים של OA10,11,12,13 שיפרו את ההבנה שלנו של מבנה SCB ואת התפקיד של שינויים SCB בפתופיזיולוגיה OA. שטח ועובי SCB גם כונתה עם שקופיות היסטולוגיות באמצעות מערכת מחשב מתוחכמת עם תוכנה היסטומורפומטריית עצם ספציפית ויקרה14. עם זאת, מערכות דירוג OA חצי-כמותיות מבוססות הערכה חזותית, כולל דירוג עיבוי SCB, נמצאות בשימוש נרחב יותר מאשר מיקרו-CT בעת הנוכחית מכיוון שמערכות הדירוג קלות לשימוש, במיוחד להקרנת תמונות היסטולוגיות רבות. עם זאת, רוב מערכות הדירוג הקיימות של OA מתמקדות בעיקר בשינויי סחוס15,16,17. שיטת דירוג עובי SCB ניוונית בשימוש נרחב המקטלגת את עיבוי SCB כמתון, מתון וחמור היא סובייקטיבית ברובה, ואמינותה לא אומתה במלואה15. פרוטוקול מדידת עובי SCB אוסטיאוארתריטיס אמין וניתן לביצוע בקלות בשלב אחר שלב אינו מפותח במלואו או אינו מתוקנן.
מחקר זה נועד לפתח פרוטוקול ניתן לשחזור, רגיש וקל לביצוע כדי למדוד כמותית את עובי SCB במודל עכבר של OA. בדיקות המדידה הקפדניות שלנו והניתוח הסטטיסטי שלנו הראו שפרוטוקול מדידה כמותי זה בסיוע תוכנת ImageJ יכול לכמת את עובי ה- SCB במפרקי הברך הרגילים והאוסטאוארתרטיים כאחד. הפרוטוקול החדש שפותח ניתן לשחזור ורגיש יותר לשינויי SCB קלים מאשר מערכות הדירוג החזותיות הנפוצות. זה יכול לשמש לאיתור שינויים SCB osteoarthritic מוקדם להערכת יעילות vivo של טיפולי OA בתיאום עם דירוג סחוס OA OA.
Protocol
Representative Results
Discussion
מדידת עיבוי SCB היא מרכיב חשוב בהערכות היסטולוגיות של חומרת OA. רוב מערכות הדירוג הקיימות של OA מתמקדות בעיקר בשינויי סחוס15,16,17. שיטת דירוג עובי SCB אוסטיאוארתריטית נפוצה, המקטלגת את עיבוי SCB כמתון, מתון וחמור, היא סובייקטיבית ברובה, ואמינותה ל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי לדלקת פרקים ומחלות שרירים ושלד ועור של המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) תחת מספר הפרס R01 AR059088, משרד ההגנה (DoD) תחת פרס מחקר מספר W81XWH-12-1-0304, וקרן הפרופסורים המכובדת של מרי ופול הרינגטון.
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).
