Mesure quantitative assistée par logiciel de l’épaisseur osseuse sous-chondrale ostéoarthritique
Summary
Cet article méthodologique présente un protocole de mesure quantitative assisté par logiciel pour quantifier l’épaisseur osseuse sous-chondrale histologique dans les articulations du genou arthrosiques murines et les articulations normales du genou comme témoins. Ce protocole est très sensible à l’épaississement subtil et convient à la détection précoce des changements osseux sous-chondriques ostéoarthritiques.
Abstract
L’épaississement des os sous-chondraux et la sclérose sont les principales caractéristiques de l’arthrose (OA), à la fois chez les modèles animaux et chez l’homme. Actuellement, la gravité de l’épaississement histologique de l’os sous-chondral est principalement déterminée par des systèmes de classement semi-quantitatifs basés sur l’estimation visuelle. Cet article présente un protocole reproductible et facile à exécuter pour mesurer quantitativement l’épaisseur osseuse sous-chondrale dans un modèle murin d’arthrose du genou induite par la déstabilisation du ménisque médian (DMM). Ce protocole a utilisé le logiciel ImageJ pour quantifier l’épaisseur osseuse sous-chondrale sur des images histologiques après avoir défini une région d’intérêt dans le condyle fémoral médian et le plateau tibial médical où l’épaississement osseux sous-chondral se produit généralement dans l’arthrose du genou induite par la DMM. Des images histologiques des articulations du genou avec une procédure simulée ont été utilisées comme témoins. L’analyse statistique a indiqué que le nouveau système de mesure quantitative de l’os sous-chondral était hautement reproductible avec de faibles variabilités intra- et inter-observateurs. Les résultats suggèrent que le nouveau protocole est plus sensible à l’épaississement osseux sous-chondral subtil ou léger que les systèmes de classement visuel largement utilisés. Ce protocole est adapté pour détecter les changements osseux sous-chondrals ostéoarthritiques précoces et progressifs et pour évaluer l’efficacité in vivo des traitements de l’arthrose de concert avec le classement du cartilage de l’arthrose.
Introduction
L’arthrose (OA), caractérisée radiographiquement par un rétrécissement de l’espace articulaire dû à la perte de cartilage articulaire, d’ostéophytes et de sclérose osseuse sous-chondrale (SCB), est la forme la plus courante d’arthrite1,2. Bien que le rôle de l’os péri-articulaire dans l’étiologie de l’arthrose ne soit pas entièrement compris, la formation d’ostéophytes et la sclérose en SCB sont généralement considérées comme les résultats du processus de la maladie plutôt que des facteurs causaux, mais les changements dans l’architecture/la forme et la biologie des os péri-articulaires peuvent contribuer au développement et à la progression de l’ARTH3,4 . Le développement d’un système de classement de l’arthrose précis et facile à exécuter, y compris la mesure de l’ARTH, est essentiel pour les études comparatives entre laboratoires de recherche et pour évaluer l’efficacité des agents thérapeutiques conçus pour prévenir ou atténuer la progression de l’arthrose.
SCB est construit avec une fine plaque osseuse en forme de dôme et une couche sous-jacente d’os trabéculaire. La plaque SCB est la lamelle corticale, située parallèlement et immédiatement sous le cartilage calcifié. De petites branches des vaisseaux artériels et veineux, ainsi que des nerfs, pénètrent par les canaux de la plaque SCB, communiquant entre le cartilage calcifié et l’os trabéculaire. L’os trabéculaire sous-chondral contient des vaisseaux sanguins, des nerfs sensoriels, de la moelle osseuse et est plus poreux et métaboliquement actif que la plaque SCB. Par conséquent, le SCB exerce des fonctions d’absorption et de soutien des chocs et est également important pour l’apport en nutriments du cartilage et le métabolisme dans les articulations normales5,6,7,8.
L’épaississement du SCB (en histologie) et la sclérose (en radiographie) sont les principales caractéristiques de l’arthrose et des domaines de recherche clés de la physiopathologie de l’arthrose. La mesure de l’épaississement du SCB est un élément important des évaluations histologiques de la gravité de l’arthrose. La microradiographie numérique précédemment rapportée pour mesurer la densité minérale SCB des rongeurs9 ainsi que la mesure quantitative SCB basée sur la micro-tomodensitométrie (micro-CT) dans les modèles de rongeurs d’OA10,11,12,13 ont amélioré notre compréhension de la structure SCB et du rôle des changements SCB dans la physiopathologie de l’ARTH. La surface et l’épaisseur du SCB ont également été quantifiées à l’aide de lames histologiques à l’aide d’un système informatique sophistiqué doté d’un logiciel d’histomorphométrie osseuse spécifique et coûteux14. Néanmoins, les systèmes de classement semi-quantitatif de l’arthrose basés sur l’estimation visuelle, y compris le classement d’épaississement SCB, sont plus largement utilisés que la micro-tomodensitométrie à l’heure actuelle parce que les systèmes de classement sont faciles à utiliser, en particulier pour le criblage de nombreuses images histologiques. Cependant, la plupart des systèmes existants de classement de l’arthrose se concentrent principalement sur les changements du cartilage15,16,17. Une méthode de gradation de l’épaisseur SCB ostéoarthritique largement utilisée qui catégorise l’épaississement SCB comme léger, modéré et sévère est largement subjective, et sa fiabilité n’a pas été entièrement validée15. Un protocole de mesure d’épaisseur SCB ostéoarthritique fiable et facile à exécuter étape par étape n’est pas entièrement développé ou non normalisé.
Cette étude visait à développer un protocole reproductible, sensible et facile à exécuter pour mesurer quantitativement l’épaisseur du SCB dans un modèle murin d’arthrose. Nos tests de mesure rigoureux et nos analyses statistiques ont démontré que ce protocole de mesure quantitative assisté par logiciel ImageJ pouvait quantifier l’épaisseur du SCB dans les articulations normales et arthrosiques du genou. Le protocole nouvellement développé est reproductible et plus sensible aux changements légers de SCB que les systèmes de notation visuelle largement utilisés. Il peut être utilisé pour détecter les changements précoces de SCB ostéoarthritique et pour évaluer l’efficacité in vivo des traitements de l’arthrose de concert avec le classement du cartilage de l’arthrose.
Protocol
Representative Results
Discussion
La mesure de l’épaississement du SCB est un élément important des évaluations histologiques de la gravité de l’arthrose. La plupart des systèmes existants de classement de l’arthrose se concentrent principalement sur les changements du cartilage15,16,17. Une méthode de gradation de l’épaisseur SCB ostéoarthritique murine largement utilisée qui catégorise l’épaississement SCB comme léger, modéré et sévè…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases des National Institutes of Health (NIH) sous le numéro de bourse R01 AR059088, le ministère de la Défense (DoD) sous le numéro de bourse de recherche W81XWH-12-1-0304 et le 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).
