Программное количественное измерение толщины остеоартритной субхондральной кости
Summary
В этой методологической статье представлен программный протокол количественного измерения для количественной оценки толщины гистологической субхондральной кости в мышиных остеоартритных коленных суставах и нормальных коленных суставах в качестве контроля. Этот протокол очень чувствителен к тонкому утолщению и подходит для обнаружения ранних остеоартритных субхондральных изменений кости.
Abstract
Утолщение субхондральной кости и склероз являются основными признаками остеоартрита (ОА), как у животных моделей, так и у людей. В настоящее время тяжесть гистологического субхондрального утолщения кости в основном определяется системами полуколичественной классификации на основе визуальной оценки. В этой статье представлен воспроизводимый и легко выполняемый протокол количественного измерения толщины субхондральной кости в мышиной модели ОА колена, вызванной дестабилизацией медиального мениска (DMM). Этот протокол использовал программное обеспечение ImageJ для количественной оценки толщины субхондральной кости на гистологических изображениях после определения области интереса в медиальном мыщелке бедренной кости и медицинском плато большеберцовой кости, где субхондральное утолщение кости обычно происходит при ОА коленного сустава, вызванного DMM. В качестве контроля использовались гистологические снимки коленных суставов с фиктивной процедурой. Статистический анализ показал, что недавно разработанная количественная субхондральная система измерения костной ткани была высоковоспроизводимой с низкой внутри- и межнаблюдательной изменчивостью. Результаты показывают, что новый протокол более чувствителен к тонкому или мягкому утолщению субхондральной кости, чем широко используемые системы визуальной классификации. Этот протокол подходит для выявления как ранних, так и прогрессирующих остеоартритных субхондральных изменений кости и для оценки эффективности in vivo лечения ОА в сочетании с классификацией хряща ОА.
Introduction
Остеоартрит (ОА), характеризующийся рентгенографически сужением суставного пространства из-за потери суставного хряща, остеофитов и склероза субхондральной кости (SCB), является наиболее распространенной формой артрита1,2. Хотя роль перисуставной кости в этиологии ОА до конца не изучена, образование остеофита и scB-склероз обычно считаются результатами процесса заболевания, а не причинными факторами, но изменения в перисуставной костной архитектуре / форме и биологии могут способствовать развитию и прогрессированию OA3,4 . Разработка точной и легко выполняемой системы классификации ОА, включая измерение SCB, имеет решающее значение для сравнительных исследований среди исследовательских лабораторий и для оценки эффективности терапевтических агентов, предназначенных для предотвращения или ослабления прогрессирования ОА.
SCB построен с тонкой куполообразной костной пластиной и нижележащим слоем трабекулярной кости. Пластина SCB представляет собой кортикальную пластинку, лежащую параллельно и непосредственно под кальцинированным хрящом. Мелкие ветви артериальных и венозных сосудов, а также нервы проникают по каналам в пластине SCB, сообщаясь между кальцинированным хрящом и трабекулярной костью. Субхондральная трабекулярная кость содержит кровеносные сосуды, сенсорные нервы, костный мозг и является более пористой и метаболически активной, чем пластина SCB. Поэтому SCB выполняет амортизирующие и поддерживающие функции, а также важен для снабжения питательными веществами хряща и обмена веществ в нормальных суставах5,6,7,8.
Утолщение SCB (в гистологии) и склероз (в рентгенографии) являются основными отличительными чертами ОА и ключевыми областями исследований патофизиологии ОА. Измерение утолщения SCB является важным компонентом гистологических оценок тяжести ОА. Ранее сообщалось о цифровой микрорадиографии для измерения минеральной плотности SCB грызунов9, а также количественное измерение SCB на основе микрокомпьютерной томографии (micro-CT) на моделях грызунов OA10,11,12,13 улучшили наше понимание структуры SCB и роли изменений SCB в патофизиологии OA. Площадь и толщина SCB также были количественно определены с помощью гистологических слайдов с использованием сложной компьютерной системы со специальным и дорогостоящим программным обеспечением для гистоморфометрии кости14. Тем не менее, в настоящее время полуколичественные системы оценки ОА, в том числе сгущение SCB, используются более широко, чем микро-КТ, поскольку системы классификации просты в использовании, особенно для скрининга многочисленных гистологических изображений. Однако большинство существующих систем классификации ОА сосредоточены главным образом на изменениях хряща15,16,17. Широко используемый остеоартритный метод классификации толщины SCB, который классифицирует утолщение SCB как легкое, умеренное и тяжелое, в значительной степени субъективно, и его надежность не была полностью подтверждена15. Надежный и легко выполняемый пошаговый протокол измерения толщины остеоартрита SCB либо не полностью разработан, либо не стандартизирован.
Это исследование было направлено на разработку воспроизводимого, чувствительного и легко выполняемого протокола для количественного измерения толщины SCB в мышиной модели OA. Наши строгие измерительные тесты и статистический анализ показали, что этот программный протокол количественных измерений ImageJ может количественно оценить толщину SCB как в нормальных, так и в остеоартритных коленных суставах. Недавно разработанный протокол воспроизводим и более чувствителен к мягким изменениям SCB, чем широко используемые системы визуальной оценки. Он может быть использован для выявления ранних остеоартритных изменений SCB и для оценки эффективности in vivo лечения ОА в сочетании с классификацией хряща ОА.
Protocol
Representative Results
Discussion
Измерение утолщения SCB является важным компонентом гистологических оценок тяжести ОА. Большинство существующих систем классификации ОА сосредоточены главным образом на изменениях хряща15,16,17. Широко используемый мышиный остеоартрит?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным институтом артрита, опорно-двигательного аппарата и кожных заболеваний Национальных институтов здравоохранения (NIH) под номером награды R01 AR059088, Министерством обороны (DoD) под исследовательским номером W81XWH-12-1-0304 и Фондом выдающихся профессоров Мэри и Пола Харрингтонов.
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).
