Programvaruassisterad kvantitativ mätning av osteoarthritisk subkondral bentjocklek
Summary
Denna metodartikel presenterar en programvara-assisterad kvantitativa mätning protokoll för att kvantifiera histologic subchondral ben tjocklek i murine osteoarthritic knä leder och normala knä leder som kontroller. Detta protokoll är mycket känsligt för subtila förtjockning och är lämpligt för att upptäcka tidiga osteoarthritic subchondral ben förändringar.
Abstract
Subchondral benförtjockning och skleros är de viktigaste kännetecknen för artros (OA), både i djurmodeller och hos människor. För närvarande bestäms svårighetsgraden av histologic subchondral ben förtjockning mestadels av visuell uppskattning baserade semi-kvantitativa graderingssystem. Denna artikel presenterar ett reproducerbart och lätt utfört protokoll för att kvantitativt mäta subchondral ben tjocklek i en mus modell av knä OA framkallas av destabilisering av den mediala menisk (DMM). Detta protokoll använde ImageJ programvara för att kvantifiera subchondral ben tjocklek på histologic bilder efter att ha definierat en region av intresse i den mediala femorala condyle och den medicinska tibial platå där subchondral ben förtjockning uppstår vanligtvis i DMM-inducerad knä OA. Histologic bilder från knä leder med en bluff förfarande användes som kontroller. Statistisk analys visade att det nyutvecklade kvantitativa subchondral benmätningssystemet var mycket reproducerbart med låga intra- och inter-observer variabiliteter. Resultaten tyder på att det nya protokollet är mer känsligt för subtila eller milda subchondral ben förtjockning än de allmänt använda visuella graderingssystem. Detta protokoll är lämpligt för att upptäcka både tidiga och fortskridande osteoarthritic subchondral benförändringar och för bedömning in vivo effekt av OA behandlingar i samband med OA brosk gradering.
Introduction
Artros (OA), kännetecknas radiographically av gemensamma utrymme förträngning på grund av förlusten av artikulär brosk, osteofyter och subchondral ben (SCB) skleros, är den vanligaste formen av artrit1,2. Även om rollen av peri-artikulär ben i etiologin av OA inte är helt klarlagd, osteofytbildning och SCB skleros tros i allmänhet vara resultaten av sjukdomsprocessen snarare än orsaksfaktorer, men förändringar i peri-artikulär benarkitektur/form och biologi kan bidra till utveckling och progression av OA3,4 . Utvecklingen av ett korrekt och lätt utfört OA-graderingssystem, inklusive SCB-mätning, är avgörande för jämförande studier bland forskningslaboratorier och för att utvärdera effekten av terapeutiska medel som är utformade för att förhindra eller dämpa OA-progression.
SCB är byggd med en tunn kupolliknande benplatta och ett underliggande lager av trabekulärt ben. SCB-plattan är den kortikala lamellen, som ligger parallellt med och omedelbart under det förkalkade brosket. Små grenar av arteriella och venösa kärl, liksom nerver, tränger genom kanalerna i SCB-plattan och kommunicerar mellan det förkalkade brosket och det trabekulära benet. Det subkrendrala trabekulära benet innehåller blodkärl, sensoriska nerver, benmärg och är mer poröst och metaboliskt aktivt än SCB-plattan. Därför utövar SCB stötdämpande och stödjande funktioner och är också viktigt för brosknäringstillförsel och metabolism i normala leder5,6,7,8.
SCB förtjockning (i histologi) och skleros (i radiografi) är de viktigaste kännetecknen för OA och viktiga forskningsområden inom OA patofysiologi. Mätning SCB förtjockning är en viktig del av histologic bedömningar av OA allvarlighetsgrad. Tidigare rapporterad digital mikroradiografi för mätning av gnagare SCB mineraltäthet9 samt mikro-datortomografi (micro-CT) baserad kvantitativ SCB mätning i gnagare modeller av OA10,11,12,13 har förbättrat vår förståelse av SCB struktur och rollen av SCB förändringar i OA patofysiologi. SCB-området och tjockleken har också kvantifierats med histologiska bilder med hjälp av ett sofistikerat datorsystem med specifik och dyr ben histomorfometri programvara14. Icke desto mindre används visuella uppskattningsbaserade semi-kvantitativa OA-klassificeringssystem, inklusive SCB-förtjockning gradering, mer än mikro-CT för närvarande eftersom betygssystemen är lätta att använda, särskilt för screening av många histologic bilder. De flesta befintliga OA-klassificeringssystem fokuserar dock främst på broskförändringar15,16,17. En allmänt använd osteoarthritic SCB tjocklek graderingsmetod som kategoriserar SCB förtjockning som mild, måttlig och svår är till stor del subjektiv, och dess tillförlitlighet har inte validerats helt15. Ett tillförlitligt och lätt utfört steg-för-steg osteoarthritic SCB tjocklek mätprotokoll är antingen inte fullt utvecklat eller o standardiserat.
Denna studie syftade till att utveckla ett reproducerbart, känsligt och lätt utfört protokoll för att kvantitativt mäta SCB tjocklek i en musmodell av OA. Våra rigorösa mättester och statistiska analyser visade att detta ImageJ mjukvarustödda kvantitativa mätprotokoll kunde kvantifiera SCB-tjockleken i både normala och osteoarthritic knäleder. Det nyutvecklade protokollet är reproducerbart och känsligare för milda SCB-förändringar än de allmänt använda visuella graderingssystemen. Det kan användas för att upptäcka tidiga osteoarthritic SCB förändringar och för att bedöma in vivo effekt av OA behandlingar i samband med OA brosk gradering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mätning SCB förtjockning är en viktig del av histologic bedömningar av OA allvarlighetsgrad. De flesta befintliga OA-klassificeringssystem fokuserar främst på broskförändringar15,16,17. En allmänt använd murin osteoarthritic SCB tjocklek graderingsmetod som kategoriseraR SCB förtjockning som mild, måttlig och svår är till stor del subjektiv, och dess tillförlitlighet har inte validerats helt15</s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases of the National Institutes of Health (NIH) under Award Number R01 AR059088, Department of Defense (DoD) under Research Award Number W81XWH-12-1-0304 och 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 |
Riferimenti
- 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).
