We presenteren een methode om vroege artroseveranderingen op cellulair niveau in gewrichtskraakbeen te onderzoeken met behulp van atoomkrachtmicroscopie (AFM).
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Toepassing van Atomic Force Microscopie om vroege artrose op te sporen
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Biomechanische eigenschappen van cellen en weefsels regelen niet alleen hun vorm en functie, maar zijn ook cruciaal voor het behoud van hun vitaliteit. Veranderingen in elasticiteit kunnen zich voortplanten of het begin van belangrijke ziekten zoals kanker of artrose (OA) veroorzaken. Atoomkrachtmicroscopie (AFM) is uitgegroeid tot een sterk instrument om de biomechanische eigenschappen van specifieke biologische doelstructuren op microscopische schaal kwalitatief en kwantitatief te karakteriseren, meetkrachten in een bereik van zo klein als de piconewton tot de micronewton. Biomechanische eigenschappen zijn van bijzonder belang in spier- en skeletweefsels, die worden blootgesteld aan hoge niveaus van spanning. OA als een degeneratieve ziekte van het kraakbeen resulteert in de verstoring van de pericellulaire matrix (PCM) en de ruimtelijke herschikking van de chondrocyten ingebed in hun extracellulaire matrix (ECM). Verstoring in PCM en ECM is geassocieerd met veranderingen in de biomechanische eigenschappen van kraakbeen. In deze studie gebruikten we de AFM om deze veranderingen te kwantificeren in relatie tot de specifieke ruimtelijke patroonveranderingen van de chondrocyten. Bij elke patroonwijziging werden significante veranderingen in elasticiteit waargenomen voor zowel het PCM als de ECM. Het meten van de lokale elasticiteit maakt het dus mogelijk om directe conclusies te trekken over de mate van lokale weefseldegeneratie in OA.
Inleiding
Gewrichtskraakbeen is een avasculair, aneural weefsel. Dunverspreide chondrocyten produceren, organiseren en onderhouden een expansieve extracellulaire matrix (ECM) waarin ze zijn ingebed. Als een duidelijk en gespecialiseerd onderdeel van de ECM, zijn chondrocyten omgeven door een dunne laag van gespecialiseerde matrix bekend als de pericellulaire matrix (PCM). De PCM fungeert als een mechanogevoelige cel-matrix interface1 die de chondrocyten2 beschermt en hun biosynthetische responsmoduleert 3. Zoals eerder beschreven4, in gezond kraakbeen, zijn de chondrocyten gerangschi....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
De menselijke kraakbeenmonsters werden verkregen van patiënten die totale kniearthroplastie ondergingen in de afdeling Orthopedische Chirurgie van het Universitair Ziekenhuis van Tuebingen, Duitsland, en het Winghofer-ziekenhuis, Rottenburg a.N., Duitsland, voor eindfase OA van de knie. Volledige departementale, institutionele en lokale ethische commissie goedkeuring werden verkregen vóór aanvang van de studie (projectnummer 674/2016BO2). Schriftelijke geïnformeerde toestemming werd ontvangen van alle patiënten voor deelname. De methoden werden uitgevoerd in overeenstemming met de goedgekeurde richtsnoeren.
1. Bereiding van de monsters
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Langs het fysiopathologische model van snaren tot dubbele snaren, tot kleine en uiteindelijk tot grote clusters, daalden zowel ECM (Figuur 3A) als PCM (Figuur 3B) elastische moduli aanzienlijk tussen elke patroonverandering. De enige uitzondering was het verschil in ECM tussen snaren en dubbele snaren (p = 0,072). Uit de resultaten blijkt dat de ECM/PCM-ratio (figuur 4B) niet significant is veranderd, terwijl een duidelijke daling v.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Met behulp van AFM als een nieuwe en krachtige techniek om de biomechanische eigenschappen van biologische materialen op nanoschaalniveau te meten, maten we de elastische eigenschappen van de ECM en PCM in menselijk artrose articulair kraakbeen. Kraakbeenmonsters werden geselecteerd op basis van hun overheersende ruimtelijke patroon van de chondrocyteorganisatie als een op afbeeldingen gebaseerde biomarker voor lokale weefseldegeneratie. Zoals verwacht werd een sterke daling van de waarde van elasticiteit van zowel ECM a.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Wij danken onze co-auteurs van de oorspronkelijke publicatie voor hun hulp en steun.
....Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Amphotericin B | Merck | A2942 | |
| Atomic Force Microscope (AFM) | CellHesion 200, JPK Instruments, Berlijn, Duitsland | JPK00518 | |
| AFM-kop | (CellHesion 200) JPK | JPK00518 | |
| Biocompatibele monsterlijm | JPK Instruments AG, Berlijn, Duitsland | H000033 | |
| Kant-en-klaar cantilever | tip C, k ¼ 7,4 N/m, All-In-One-AleTl, Budget Sensors, Sofia, Bulgarije | AIO-TL-10 | |
| Dulbecco's gemodificeerd Eagle-medium (DMEM) | Gibco, Life Technologies, Darmstadt, Duitsland | 41966052 | |
| Inverteerbaar fasecontrastmicroscoop (geïntegreerd met AFM) | AxioObserver D1, Carl Zeiss Microscopy, Jena, Duitsland | L201306_03 | |
| Leibovitz's L-15-medium zonder L-glutamine | (Merck KGaA, Darmstadt, Duitsland) | F1315 | |
| Microsferen | Polysciences | 07313-5 | |
| Penicilline-streptomycine | Sigma | P4333 | |
| Petrischaalverwarmer geassocieerd met AFM | JPK Instruments AG, Berlijn, Duitsland | T-05-0117 | |
| Schaar | Feather | 2023-01 | |
| Weefselkwekerijschotels | TPP Techno Plastic Products AG, Trasadingen, Zwitserland | TPP93040 | |
| Tissue-tek O.C.T. Compound | Sakura Finetek, Alphen aan den Rijn, Nederland | SA6255012 |
Referenties
- Guilak, F., et al. The pericellular matrix as a transducer of biomechanical and biochemical signals in articular cartilage. Annals of the New York Academy of Sciences. 1068, 498-512 (2006).
- Peters, H. C., et al.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
