Software-ondersteunde kwantitatieve meting van artrose subchondrale botdikte
Summary
Dit methodologieartikel presenteert een softwarematig kwantitatief meetprotocol om histologische subchondrale botdikte in muriene artrosekniegewrichten en normale kniegewrichten als controles te kwantificeren. Dit protocol is zeer gevoelig voor subtiele verdikking en is geschikt voor het detecteren van vroege artrose subchondrale botveranderingen.
Abstract
Subchondrale botverdikking en sclerose zijn de belangrijkste kenmerken van artrose (OA), zowel bij diermodellen als bij mensen. Momenteel wordt de ernst van de histologische subchondrale botverdikking meestal bepaald door op visuele schatting gebaseerde semi-kwantitatieve beoordelingssystemen. Dit artikel presenteert een reproduceerbaar en gemakkelijk uit te voeren protocol om de subchondrale botdikte kwantitatief te meten in een muismodel van knie-artrose geïnduceerd door destabilisatie van de mediale meniscus (DMM). Dit protocol maakte gebruik van ImageJ-software om de subchondrale botdikte op histologische beelden te kwantificeren na het definiëren van een interessegebied in de mediale femorale condylus en het medische tibiale plateau waar subchondrale botverdikking meestal optreedt bij DMM-geïnduceerde knie-artrose. Histologische beelden van kniegewrichten met een schijnprocedure werden gebruikt als controles. Statistische analyse gaf aan dat het nieuw ontwikkelde kwantitatieve subchondrale botmeetsysteem zeer reproduceerbaar was met lage intra- en interwaarnemervariabiliteiten. De resultaten suggereren dat het nieuwe protocol gevoeliger is voor subtiele of milde subchondrale botverdikking dan de veelgebruikte visuele beoordelingssystemen. Dit protocol is geschikt voor het detecteren van zowel vroege als voortschrijdende artrose subchondrale botveranderingen en voor het beoordelen van de in vivo werkzaamheid van artrosebehandelingen in combinatie met artrose kraakbeen grading.
Introduction
Artrose (OA), röntgenologisch gekenmerkt door gewrichtsruimtevernauwing als gevolg van het verlies van gewrichtskraakbeen, osteofyten en subchondrale bot (SCB) sclerose, is de meest voorkomende vorm van artritis1,2. Hoewel de rol van peri-articulaire bot in de etiologie van artrose niet volledig wordt begrepen, worden osteofytenvorming en SCB-sclerose over het algemeen beschouwd als het resultaat van het ziekteproces in plaats van oorzakelijke factoren, maar veranderingen in peri-articulaire botarchitectuur / vorm en biologie kunnen bijdragen aan de ontwikkeling en progressie van OA3,4 . De ontwikkeling van een nauwkeurig en gemakkelijk uit te voeren OA-beoordelingssysteem, inclusief SCB-meting, is van cruciaal belang voor vergelijkende studies tussen onderzoekslaboratoria en bij het evalueren van de werkzaamheid van therapeutische middelen die zijn ontworpen om OA-progressie te voorkomen of te verzwakken.
SCB is gebouwd met een dunne koepelachtige botplaat en een onderliggende laag trabeculair bot. De SCB-plaat is de corticale lamellen, die parallel aan en direct onder het verkalkte kraakbeen liggen. Kleine takken van arteriële en veneuze vaten, evenals zenuwen, dringen door de kanalen in de SCB-plaat en communiceren tussen het verkalkte kraakbeen en het trabeculaire bot. Het subchondrale trabeculaire bot bevat bloedvaten, sensorische zenuwen, beenmerg en is poreuzer en metabolisch actiever dan de SCB-plaat. Daarom oefent SCB schokabsorberende en ondersteunende functies uit en is het ook belangrijk voor de toevoer en het metabolisme van kraakbeenvoeding in normale gewrichten5,6,7,8.
SCB-verdikking (in de histologie) en sclerose (in radiografie) zijn de belangrijkste kenmerken van artrose en belangrijke onderzoeksgebieden van de pathofysiologie van artrose. Het meten van SCB-verdikking is een belangrijk onderdeel van histologische beoordelingen van de ernst van artrose. Eerder gerapporteerde digitale microradiografie voor het meten van Knaagdier SCB minerale dichtheid9 evenals micro-computertomografie (micro-CT) gebaseerde kwantitatieve SCB-meting in knaagdiermodellen van OA10,11,12,13 hebben ons begrip van SCB-structuur en de rol van SCB-veranderingen in OA-pathofysiologie verbeterd. SCB-oppervlakte en -dikte zijn ook gekwantificeerd met histologische dia’s met behulp van een geavanceerd computersysteem met specifieke en dure bot histomomorfosemetriesoftware14. Niettemin worden op visuele schatting gebaseerde semi-kwantitatieve OA-sorteersystemen, waaronder SCB-verdikkingsgradatie, momenteel op grotere schaal gebruikt dan micro-CT omdat de sorteersystemen gemakkelijk te gebruiken zijn, met name voor het screenen van talrijke histologische beelden. De meeste bestaande OA-sorteersystemen richten zich echter voornamelijk op kraakbeenveranderingen15,16,17. Een veelgebruikte artrose SCB-dikteclassificatiemethode die SCB-verdikking categoriseert als mild, matig en ernstig is grotendeels subjectief en de betrouwbaarheid ervan is niet volledig gevalideerd15. Een betrouwbaar en eenvoudig uit te voeren stap-voor-stap artrose SCB diktemeetprotocol is niet volledig ontwikkeld of niet-gestandaardiseerd.
Deze studie was gericht op het ontwikkelen van een reproduceerbaar, gevoelig en gemakkelijk uit te voeren protocol om de SCB-dikte kwantitatief te meten in een muismodel van OA. Onze rigoureuze meettests en statistische analyse toonden aan dat dit door ImageJ software ondersteunde kwantitatieve meetprotocol de SCB-dikte in zowel normale als artrose kniegewrichten kon kwantificeren. Het nieuw ontwikkelde protocol is reproduceerbaar en gevoeliger voor milde SCB-veranderingen dan de veelgebruikte visuele sorteersystemen. Het kan worden gebruikt voor het detecteren van vroege artrose SCB-veranderingen en voor het beoordelen van de in vivo werkzaamheid van artrosebehandelingen in combinatie met OA-kraakbeenclassificatie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het meten van SCB-verdikking is een belangrijk onderdeel van histologische beoordelingen van de ernst van artrose. De meeste bestaande OA-sorteersystemen richten zich voornamelijk op kraakbeenveranderingen15,16,17. Een veelgebruikte muriene artrose SCB-dikteclassificatiemethode die SCB-verdikking categoriseert als mild, matig en ernstig is grotendeels subjectief en de betrouwbaarheid ervan is niet volledig geva…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases van de National Institutes of Health (NIH) onder awardnummer R01 AR059088, het Department of Defense (DoD) onder Research Award Number W81XWH-12-1-0304 en de Mary and Paul Harrington Distinguished Professorship Endowment.
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).
