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Research Article
William J. Pinamont1, Natalie K. Yoshioka1, Gregory M. Young1, Vengadeshprabhu Karuppagounder1, Elijah L. Carlson1, Adeel Ahmad1, Reyad Elbarbary1,2, Fadia Kamal1,3
1Center for Orthopedic Research and Translational Sciences, Department of Orthopedics and Rehabilitation,Pennsylvania State College of Medicine, 2Department of Biochemistry and Molecular Biology,Pennsylvania State College of Medicine, 3Department of Pharmacology,Pennsylvania State College of Medicine
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
現在のプロトコルは変形性関節症に伴う形態学的関節変化の定量化のための厳密で再現可能な方法を確立する。このプロトコルの適用は、疾患の進行を監視し、変形性関節症における治療介入を評価する上で価値がある。
米国で最も流行している関節疾患の1つである変形性関節症(OA)は、関節軟骨の進行性変性を特徴とし、主に股関節および膝関節において、患者の移動性および生活の質に大きな影響を及ぼす。現在までに、軟骨変性を遅くまたは阻害することができるOAのための既存の治癒療法はありません。現在、OA病理を理解し、OAを効率的に減速、停止、または逆転させることができる新しい治療アプローチまたは薬剤を発見するための広範な研究機関があります。したがって、関節軟骨、滑膜、軟骨下骨のOA関連の病理学的変化を正確に評価するために、定量的かつ再現可能なアプローチを持つことは非常に重要です。現在、OAの重症度と進行は、主に変形性関節症研究協会インターナショナル(OARSI)またはマンキンスコアリングシステムを使用して評価されています。これらのスコアリングシステムの重要性にもかかわらず、半定量的であり、ユーザーの主観性の影響を受ける可能性があります。さらに重要なことは、初期の疾患状態または早期治療段階における軟骨の微妙な、まだ重要な変化を正確に評価できないことである。ここで説明するプロトコルは、コンピュータ化された半自動化された組織形態測定ソフトウェアシステムを使用して、OAにおける関節変化の評価のための標準化された厳格で再現可能な定量的方法論を確立します。このプロトコルは既存のシステムに強力な付加を提示し、継手の病理学的変化のより効率的な検出を可能にする。
米国で最も流行している関節障害の1つであるOAは、関節軟骨の進行性変性を特徴とし、主に股関節および膝関節において、患者の移動性および生活の質に大きな影響を及ぼす1,1、2、3。32関節軟骨は、摩擦を最小限に抑え、動きを容易にし、関節圧迫4に耐えるように設計された、ジ関節関節の特殊な結合組織である。関節軟骨は、軟骨細胞と細胞外マトリックスの2つの主要成分で構成されています。軟骨細胞は、細胞外マトリックス4の開発、維持、修復において主要な役割を果たす特殊な代謝活性細胞である。軟骨肥大(CH)は、OAの開発の主要な病理学的徴候の一つである。細胞サイズの増加、プロテオグリカン産生の減少、および最終的に軟骨変性55、6、76,7につながる軟骨マトリックス分解酵素の産生増加を特徴とする。また、関節の軟骨下骨および滑膜の病的変化は、OAの発達および進行898、9、10、11、1210,11において重要な役割を12果たす。,現在までに,、軟骨変性1、2、3、13、142,3,13を阻害する既存の治癒療法はありません。114したがって、OA病理を理解し、OAを遅くしたり停止したりすることができる新しい治療アプローチを発見することを目的とした広範な進行中の研究があります。したがって、関節の軟骨、滑膜、および軟骨下骨におけるOA関連の病理学的変化を正確に評価できる定量的かつ再現性のあるアプローチの必要性が高まっています。
現在、OAの重症度と進行は、主にOARSIまたはマンキンスコアリングシステム15を使用して評価される。しかし、これらのスコアリングシステムは半定量的なものであり、ユーザーの主観性の影響を受ける可能性があります。さらに重要なことは、疾患の間、または遺伝子操作または治療介入に応答して関節に起こる微妙な変化を正確に評価できないことである。軟骨、滑膜、または軟骨下骨,,16、17、18、19、20、2117の組織形態測定分析を記述する16文献には散発的な報告がある。19,20,2118しかし、これらの関節成分の厳密かつ再現性のある組織形態分析のための詳細なプロトコルはまだ欠けており、現場で満たされていないニーズを生み出しています。
組織形態測定解析を用いたOAの病理学的変化を研究するために、手術用OAマウスモデルを用いて、内側半月板(DMM)の不安定化を介してOAを誘導した。マウスOAの確立されたモデルの中で、 DMM は傷害の外傷性メカニズムを含むため、我々の研究のために選択されました22,,23,,24,,25, 26.,26半月靭帯損傷(MLI)または前十字靭帯損傷(ACLI)手術と比較して、DMMは、ヒト,22、24、25、26,24,におけるOAの発達と同様に、OAのより緩やかな進行を促進する。25マウスは、関節軟骨、軟骨下骨、および滑膜の変化を評価するためにDMM手術後12週間で安楽死させた。
このプロトコルの目的は、OA に伴う共同変更を評価するための、標準化された厳格で定量的なアプローチを確立することです。
12週齢の雄C57BL/6マウスはJax Labsから購入した。すべてのマウスは、12時間の明暗スケジュールの部屋で、マイクロアイソレーターケージあたり3〜5匹のマウスのグループに収容された。すべての動物の手順は、国立衛生研究所(NIH)実験動物のケアと使用のためのガイドに従って行われ、ペンシルベニア州立大学動物ケアと使用委員会によって承認されました。
1. 心的外傷後変形性関節症(PTOA)外科モデル
2. マウス安楽死とサンプルコレクション
3. ミクロトーム断面とスライド選択
4. ヘマトキシリン、サフラニンオレンジ、高速グリーン染色
5. スライドイメージング
6. 変形性関節症研究会国際(OARSI)スコア15
7. ヒストモルフォメトリック解析
メモ:膝関節のライブ画像は、顕微鏡カメラを使用してタッチスクリーンモニターで見られ、スタイラスを使用してROIを手動でトレースします。ヒストモルファトリーソフトウェアの組み込みアルゴリズムは、定義されたROIで指定されたパラメータ(下記のプロトコルを参照)を定量化します。重要なことに、OARSIスコアリングで使用される同じサフラニンOとファストグリーン染色されたセクションは、ヒストモルフォメトリック分析に使用されます。
8. 統計分析
DMM誘導OAは関節軟骨変性と軟骨細胞損失をもたらす
DMM誘導OAは、偽マウスと比較してOARSIスコアが増加し、表面浸食および軟骨損失によって明らかに特徴づけられた(図1A、D)。Dここで詳述したヒストモルホメトリープロトコルは、総軟骨面積の減少および非定量化軟骨領域(図1A、B、E、G)を含むいくつかのOA関連のB変化をE検出したG。Figure 1A総軟骨細胞数の減少;そして、重要なことに、軟骨細胞を産生するマトリックスの損失(図1H、I)。I関節表面への変化は、浸食の重症度を示し、軟骨細動指数を用いて評価した。全体として、DMMマウスでは細動指数が増加した(図1C、K、L)。KLしかし、プロトコルで議論されているように、細動指数は、軟骨表面の完全な浸食のために、末期OAで減少する可能性があることに注意することも重要です。細動指数の増加は、OAの発達と進行の間に関節軟骨表面の変性を意味する。これらの結果は、OA進行を特徴づける病理学的軟骨変化を検出し、定量化する組織形態測定解析プログラムの能力を強調する。
DMM誘導OAにおけるその他の関節変化の評価
OAは軟骨以外の関節組織に影響を及ぼし、これらの組織の病理学的変化は疾患進行において重要な役割を果たす。ここで説明した組織形態測定法は、DMMマウスにおける骨髄領域の減少と軟骨下骨領域の増加と減少を明らかにした(図2A~D)、軟骨下骨硬化症D29、30,30を示す。前および後骨棘領域もDMMマウスにおいて増加した(図2E、F)、損傷部位F29、30,30における関節負荷の変化を処理する補償機構として作用する軟骨下骨改造が進行中であることを示唆している。
,12,31滑膜のヒストモルフォメトリクス分析は、関節腔内におけるOA関連滑膜炎症の典型的な結果であるDMMマウス(32,33,図3A–C)の滑膜厚の増加を示した。C
OARSIスコアリングとヒストモルファトリー間のユーザ間変動性の解析
図4Aは、非計算軟骨領域(図4A)およびOARSIスコアのヒストモルフォメトリクス解析の有意なユーザ間変動性を示さない(図4B)。しかし、ヒストモルフォメトリック解析では、-0.0001179~0.00120の観測者間の平均差が極めて低く、3人の観測者が得た結果のほぼ完全な重複を招き、OARSIスコアの平均差はOARSIスコアの方がO2とO2値とO23値の明確な偏差を伴う。

図1:恥骨手術およびDMMマウスからの脛骨関節軟骨および関節軟骨細胞の形成型のヒストモルホメトリー。(A)サフラニンO/ファストグリーンで染色された脛骨関節面。(B) ヒストモルフォメトリック解析を用いて、総軟骨面積と石灰化軟骨面積(オレンジ)を追跡した。タイドマーク領域より優れた軟骨を、非定量軟骨(緑色)として算出した。軟骨細胞(白)および非産生軟骨細胞(マゼンタ)を産生するマトリックスを、非軟骨領域内で計数した。(C)脛骨関節面周囲を、関節面(青線)をトレースし、続いてタイドマーク(紫色の線)をトレースして細動指数を決定した。(D) DMMマウスではOARSIスコアが増加した。(E–L)定量化軟骨領域と軟骨細胞の図表は、シャムマウスおよびDMMマウスから数える。シャムマウスと比較して、DMMマウスは全脛骨軟骨領域(E)、脛骨石灰化軟骨領域(F)、脛骨非カルシウム軟骨(G)、脛骨全軟骨細胞数(H)、脛骨マトリックス産生軟骨細胞、(I)および脛骨マトリックス非産生軟骨I細胞(J)を減少させた。シャムマウスと比較して、DMMマウスは脛骨関節表面周囲(K)を増加させ、脛骨関節表面細動指数(L)を増加させた。画像は10倍の倍率で撮影されました。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001, およびウェルチの補正を使用した非対t検定を使用した****P < 0.0001, 値は平均 ± SEM として表されます;n = 5/グループ。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:恥骨手術及びDMMマウスによる軟骨下骨髄領域及び軟骨下骨領域のヒストモルホメトリー(A)脛骨関節軟骨と軟骨下骨をサフラニンO/ファストグリーンで染色した。(B)軟骨下骨髄領域(緑色)、軟骨下骨領域(マゼンタ)、前骨棘領域(黄色)、および後骨棘領域(灰色)を、計算された血圧測定ソフトウェアで追跡した。(C–F)シャムマウスとDMMマウスの間の組織形態測定領域をグラフ化した。シャムマウスと比較して、DMMマウスは、脛骨下骨領域(C)および脛骨前骨および後骨棘領域(E-F)の増加と、恥マウスと比較してF脛骨下骨下骨髄領域の減少を有していた(D)。画像は4倍の倍率で撮影されました。*P < 0.05, **P < 0.01 ウェルチの修正でペアになっていないt検定を使用しています。値は平均値 ± SEM として表されます。n = 5/グループ。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:恥の手術およびDMMマウスからの滑膜のヒストモルホトリー。(A) サフラニンO/ファストグリーンで染色されたシノビウム。(B)滑膜厚は脛骨関節(緑色)の前部側面を横切って前月隔膜をトレースすることによって測定した。(C) 計算された構造上のソフトウェアを用いた滑膜厚さの測定をグラフィカルに表現する。DMMマウスは、シャムマウスと比較して滑膜厚が増加した。画像は20倍の倍率で撮影されました。P < 0.001 ウェルチの補正でペアになっていないt検定を使用して、値は平均±SEMとして表されます。n = 5/グループ;S = 滑膜;F = 大腿骨;そしてM =半月板。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 4: OARSI スコアリングとヒストモルフォメトリック分析におけるユーザー間変動(A) 3人の盲目の観察者(O1、O2、O3)によるヒストモルファトリーを用いて得られた非定量化軟骨領域測定。(B) 3つの盲目の観察者から得られたシャムおよびDMMマウスのOARSIスコア。点線は、各グループの平均値を示します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1:サフラニンOと高速緑色染色マウス脛骨関節部の組織学的分析(A)脛骨関節の4倍の拡大画像。フォーカスのある領域にはラベルが付けられます。(B)脛骨関節ROIの10倍の拡大画像。脛骨および大腿骨の表面、前および後のメニスカル角が視覚化される。メニシはほぼ同じサイズで、画像化ROIは関節コンパートメントを中心にしています。(C)近位脛体表面の40倍の拡大画像。タイドマークラインは、計算されていない軟骨帯と石灰化した軟骨帯の間の線としてラベル付けされます。骨軟骨接合は、石灰化軟骨の終わりと軟骨下骨の始まりとの間に標識される。こちらをダウンロードしてください。
補足図2:ヒストモルホトリーシステムのセットアップとカメラホワイトバランスキャリブレーション(A)マウス脛骨関節は、ホワイトバランスが設定されていないソフトウェアウィンドウで4倍の倍率で視覚化。画面の上部にあるカメラ設定タブと、ホワイトバランスを設定するためのドロップダウンメニューの選択に注意してください。(B)マウス脛骨関節を4倍に拡大し、ホワイトバランスをセットした。なお、試料の着色と染色の変化により、測定を行う際に脛骨関節の特定の領域を区別するユーザの能力が高まる。こちらをダウンロードしてください。
補足図3:組織形態測定解析測定前の組織形態測定ソフトウェアの設定ヒストモルフォメトリクスソフトウェアウィンドウの代表的なスクリーンショット。なお、染色されたマウス膝の部分は測定領域(黄色のグリッド)に中央に配置され、領域の正しい拡大スケールが、顕微鏡で使用されている目的(画面の右上隅に赤で丸で囲まれた)に合わせて選択されます。パラメータのリストは、撮像と測定領域の右側の列に表示されます。パラメータを選択するとパラメータがハイライトされるため、現在、測定対象として脛骨細動が選択されています。ウィンドウの下部にある[サマリーデータ]タブでは、各サンプルの各パラメータの測定値が整理され、各セクションの各パラメータ測定が完了した後にエクスポートされるように保存されます。こちらをダウンロードしてください。
なし
現在のプロトコルは変形性関節症に伴う形態学的関節変化の定量化のための厳密で再現可能な方法を確立する。このプロトコルの適用は、疾患の進行を監視し、変形性関節症における治療介入を評価する上で価値がある。
私たちは、ペンステートミルトンS.ハーシー医療センターの比較医学部門のスタッフと分子および組織病理学コアの支援を認めたいと思います。資金源:NIH NIAMS 1RO1AR071968-01A1(F.K.)、ANRF関節炎研究助成金(F.K.)。
| 固定のための | 10%緩衝ホルマリンの隣の | ホッサーバンFisherの化学薬 | 品SF100-20 |
| フィッシャーケミカル | A38S-212 | 脱灰用 染色用バッファー調製および酢酸溶液調製 | |
| Cintiq 27QHD クリエイティブペンディスプレイ | ワコム | https://www.wacom.com/en-es/products/pen-displays/cintiq-27-qhd-touch | 組織形態学的分析およびイメージング用 |
| Cintiq エルゴスタンド | ワコム | https://www.wacom.com/en-es/products/pen-displays/cintiq-27-qhd-touch | 組織形態学的分析およびイメージング |
| 用 エチレンジアミン四酢酸、四ナトリウム塩二水和物、99% | Acros 有機物 | AC446080010脱 | 灰用 緩衝液調製 |
| ファストグリーン染色 | SIGMA Life Sciences | F7258 | サンプル染色用 |
| Fisherbrand Superfrost Plus 顕微鏡スライド | Fisher | 12-550-15 | サンプルセクションコレクション用 |
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| OLYMPUS BX53 顕微鏡 | OLYMPUS | https://www.olympus-lifescience.com/en/microscopes/upright/bx53f2/ | 組織形態解析およびイメージング用 |
| OLYMPUS DP 73 顕微鏡カメラ | OLYMPUS | https://www.olympus-lifescience.com/en/camera/color/dp73/ | 組織形態測定解析およびイメージング用(販売終了) |
| ORION STAR A211 pHメーター | Thermo Scientific | STARA2110 | 脱灰用 緩衝液調製 |
| OsteoMeasureソフトウェア | OsteoMetrics | https://www.osteometrics.com/index.htm | 組織形態測定および解析用 |
| 灌流 2つの自動圧力灌流システム | ライカ | モデル# 39471005 | マウス用膝ハーベスト |
| PRISM 7 ソフトウェア | GraphPad | 機関 アクセス アカウント | 統計分析 |
| Safranin-O stain | SIGMA Life Sciences | S8884 | サンプル染色用 |
| ThinkBoneStage - 回転顕微鏡ステージ | Think Bone Consulting Inc. - OsteoMetrics (サプライヤー) | http://thinkboneconsulting.com/index_files/Slideholder.php | 組織形態分析およびイメージング用 |
| ワコムプロペン スタイラス | ワコム | https://www.wacom.com/en-es/products/pen-displays/cintiq-27-qhd-touch | 組織形態解析およびイメージング用 |
| Weigerts 鉄ヘマトキシリン A | フィッシャー | 5029713 | ヘマトキシリン染色用 |
| Weigerts 鉄ヘマトキシリン B | フィッシャー | 5029714 | ヘマトキシリン染色用 |