骨関節炎性軟骨下骨厚さのソフトウェア支援定量測定
Summary
この方法論の記事では、マウス骨関節炎性膝関節および正常な膝関節における組織学的軟骨下骨厚さを対照として定量化するためのソフトウェア支援定量測定プロトコルを提示する。このプロトコルは、微妙な肥厚に対して非常に敏感であり、早期の骨関節炎性軟骨下骨変化を検出するのに適している。
Abstract
軟骨下骨肥厚および硬化症は、変形性関節症(OA)の主要な特徴であり、動物モデルおよびヒトの両方において存在する。現在、組織学的軟骨下骨肥厚の重症度は、ほとんどが視覚的推定ベースの半定量的グレーディングシステムによって決定される。この記事では、内側メニスカス(DMM)の不安定化によって誘発される膝OAのマウスモデルにおいて、軟骨下骨の厚さを定量的に測定するための再現可能で容易に実行されるプロトコルを提示する。このプロトコルは、DMM誘発性膝OAにおいて軟骨下骨肥厚が通常起こる内側大腿骨顆および医療用脛骨高原の関心領域を定義した後、組織学的画像上の軟骨下骨厚さを定量化するためにImageJソフトウェアを利用した。偽の手順を伴う膝関節からの組織学的画像を対照として使用した。統計分析の結果、新たに開発された定量的軟骨下骨測定システムは、観察者内および観察者間の変動が低く、再現性が高いことが示されました。この結果は、この新しいプロトコルが、広く使用されている視覚的グレーディングシステムよりも微妙または軽度の軟骨下骨肥厚に対してより敏感であることを示唆している。このプロトコルは、早期および進行する骨関節炎性軟骨下骨変化の両方を検出し、OA軟骨グレーディングと協調してOA治療の インビボ 有効性を評価するのに適しています。
Introduction
変形性関節症(OA)は、関節軟骨、骨棘、および軟骨下骨(SCB)硬化症の喪失による関節空間狭窄によってX線写真的に特徴付けられ、関節炎の最も一般的な形態である1,2。OAの病因における関節周囲骨の役割は完全には理解されていないが、骨棘形成およびSCB硬化症は、原因因子ではなく疾患プロセスの結果であると一般に考えられているが、関節周囲骨の構造/形状および生物学の変化がOAの発達および進行に寄与する可能性がある3,4.SCB測定を含む正確で容易に実行されるOAグレーディングシステムの開発は、研究所間の比較研究や、OAの進行を予防または減弱するように設計された治療薬の有効性を評価する上で重要です。
SCBは、薄いドーム状の骨板と骨梁骨の下層で構築されています。SCBプレートは皮質層状であり、石灰化した軟骨に平行に、そしてそのすぐ下に横たわっている。動脈および静脈血管の小さな枝、ならびに神経は、SCBプレートのチャネルを貫通し、石灰化した軟骨と線維柱帯骨との間を連通する。軟骨下骨骨は、血管、感覚神経、骨髄を含み、SCBプレートよりも多孔性で代謝的に活性である。したがって、SCBは衝撃吸収および支持機能を発揮し、正常な関節における軟骨栄養供給および代謝にとっても重要である5,6,7,8。
SCB肥厚(組織学における)および硬化症(X線撮影における)は、OAの主要な特徴であり、OA病態生理学の主要な研究分野である。SCB肥厚の測定は、OA重症度の組織学的評価の重要な要素である。OA10,11,12,13のげっ歯類モデルにおける齧歯類SCBミネラル密度を測定するための以前に報告されたデジタルマイクロラジオグラフィー9およびマイクロコンピュータ断層撮影(マイクロCT)ベースの定量的SCB測定は、SCB構造およびOA病態生理学におけるSCB変化の役割についての理解を深めました。SCBの面積と厚さは、特異的で高価な骨組織形態測定ソフトウェアを備えた洗練されたコンピュータシステムを使用して、組織学的スライドでも定量化されています14。それにもかかわらず、SCB増粘グレーディングを含む視覚的推定ベースの半定量的OAグレーディングシステムは、グレーディングシステムが使いやすく、特に多数の組織学的画像をスクリーニングするために、現時点ではマイクロCTよりも広く使用されている。しかし、既存のOAグレーディングシステムのほとんどは、主に軟骨の変化に焦点を当てています15,16,17。SCBの肥厚を軽度、中等度、重症に分類する広く使用されている骨関節炎性SCB厚さグレーディング方法は、主に主観的であり、その信頼性は完全には検証されていません15。信頼性が高く、ステップバイステップで簡単に実行できる骨関節炎SCB厚さ測定プロトコルは、完全に開発されていないか、標準化されていません。
この研究は、OAのマウスモデルにおけるSCBの厚さを定量的に測定するための再現性があり、高感度で、容易に実行できるプロトコルを開発することを目的としていた。当社の厳格な測定テストと統計分析により、このImageJソフトウェア支援定量測定プロトコルが正常および骨関節炎性膝関節の両方のSCB厚さを定量化できることが実証されました。新しく開発されたプロトコルは再現性があり、広く使用されているビジュアルグレーディングシステムよりも軽度のSCB変化に対してより敏感です。これは、早期の骨関節炎性SCB変化を検出し、OA軟骨グレーディングと協調してOA治療の インビボ 有効性を評価するために使用することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
SCB肥厚の測定は、OA重症度の組織学的評価の重要な要素である。既存のOAグレーディングシステムのほとんどは、主に軟骨の変化に焦点を当てています15,16,17。SCBの肥厚を軽度、中等度、重症に分類する広く使用されているマウス骨関節炎SCB厚さグレーディング方法は、主に主観的であり、その信頼性は完全には検証されて…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Materials
| Safranin-O | Sigma-Aldrich | S8884 | |
| Fast green | Sigma-Aldrich | F7252 | |
| Hematoxylin | Sigma-Aldrich | GHS216 | |
| Eosin | Sigma-Aldrich | E4382 | |
| illustrator | Adobe | Not applicable |
Referências
- 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).
