Summary

Softwareassisteret kvantitativ måling af slidgigt subkondral knogletykkelse

Published: March 18, 2022
doi:

Summary

Denne metodeartikel præsenterer en softwareassisteret kvantitativ måleprotokol til kvantificering af histologisk subchondral knogletykkelse i murine osteoarthritiske knæled og normale knæled som kontroller. Denne protokol er meget følsom over for subtil fortykning og er velegnet til at detektere tidlige slidgigt subkondrale knogleændringer.

Abstract

Subchondral knoglefortykkelse og sklerose er de vigtigste kendetegn ved slidgigt (OA), både i dyremodeller og hos mennesker. I øjeblikket bestemmes sværhedsgraden af den histologiske subchondrale knoglefortykkelse for det meste af visuel estimering baseret på semi-kvantitative klassificeringssystemer. Denne artikel præsenterer en reproducerbar og let udført protokol til kvantitativ måling af subchondral knogletykkelse i en musemodel af knæ OA induceret ved destabilisering af den mediale meniskus (DMM). Denne protokol brugte ImageJ-software til at kvantificere subchondral knogletykkelse på histologiske billeder efter at have defineret en region af interesse for den mediale lårbenskondyle og det medicinske tibialplateau, hvor subchondral knoglefortykkelse normalt forekommer i DMM-induceret knæ OA. Histologiske billeder fra knæled med en sham-procedure blev brugt som kontroller. Statistisk analyse viste, at det nyudviklede kvantitative subchondrale knoglemålesystem var meget reproducerbart med lave intra- og interobservatørvariationer. Resultaterne tyder på, at den nye protokol er mere følsom over for subtil eller mild subchondral knoglefortykkelse end de meget anvendte visuelle klassificeringssystemer. Denne protokol er egnet til at detektere både tidlige og fremadskridende slidgigt subchondral knogleforandringer og til vurdering in vivo-effekt af OA-behandlinger i samspil med OA-bruskklassificering.

Introduction

Slidgigt (OA), karakteriseret radiografisk ved indsnævring af ledrummet på grund af tab af ledbrusk, osteofytter og subchondral knogle (SCB) sklerose, er den mest almindelige form for arthritis1,2. Selvom periartikulær knogles rolle i OA’s ætiologi ikke er fuldt ud forstået, menes osteofytdannelse og SCB-sklerose generelt at være resultaterne af sygdomsprocessen snarere end årsagsfaktorer, men ændringer i periartikulær knoglearkitektur / form og biologi kan bidrage til udvikling og progression af OA3,4 . Udviklingen af et nøjagtigt og let udført OA-klassificeringssystem, herunder SCB-måling, er afgørende for komparative undersøgelser blandt forskningslaboratorier og for evaluering af effekten af terapeutiske midler designet til at forhindre eller dæmpe OA-progression.

SCB er bygget med en tynd kuppellignende knogleplade og et underliggende lag af trabekulær knogle. SCB-pladen er den kortikale lamella, der ligger parallelt med og umiddelbart under den forkalkede brusk. Små grene af arterielle og venøse kar samt nerver trænger gennem kanalerne i SCB-pladen og kommunikerer mellem den forkalkede brusk og den trabekulære knogle. Den subchondrale trabekulære knogle indeholder blodkar, sensoriske nerver, knoglemarv og er mere porøs og metabolisk aktiv end SCB-pladen. Derfor udøver SCB stødabsorberende og støttende funktioner og er også vigtig for bruskenæringsstofforsyning og metabolisme i normale led5,6,7,8.

SCB-fortykkelse (i histologi) og sklerose (i radiografi) er de vigtigste kendetegn ved OA og centrale forskningsområder inden for OA-patofysiologi. Måling af SCB-fortykkelse er en vigtig komponent i histologiske vurderinger af OA-sværhedsgrad. Tidligere rapporteret digital mikroradiologi til måling af gnaver SCB mineraltæthed9 samt mikrocomputertomografi (mikro-CT) baseret kvantitativ SCB-måling i gnavermodeller af OA10,11,12,13 har forbedret vores forståelse af SCB-struktur og SCB-ændringers rolle i OA-patofysiologi. SCB-areal og tykkelse er også blevet kvantificeret med histologiske dias ved hjælp af et sofistikeret computersystem med specifik og dyr knogle histomorfometri software14. Ikke desto mindre anvendes visuelle estimatbaserede semi-kvantitative OA-klassificeringssystemer, herunder SCB-fortykkelsesklassificering, mere udbredt end mikro-CT på nuværende tidspunkt, fordi klassificeringssystemerne er lette at bruge, især til screening af adskillige histologiske billeder. De fleste eksisterende OA-klassificeringssystemer fokuserer dog primært på bruskændringer15,16,17. En meget anvendt slidgigt SCB-tykkelsesklassificeringsmetode, der kategoriserer SCB-fortykkelse som mild, moderat og svær, er stort set subjektiv, og dens pålidelighed er ikke fuldt valideret15. En pålidelig og let udført trin-for-trin slidgigt SCB tykkelsesmåleprotokol er enten ikke fuldt udviklet eller ikke-standardiseret.

Denne undersøgelse havde til formål at udvikle en reproducerbar, følsom og let udført protokol til kvantitativ måling af SCB-tykkelsen i en musemodel af OA. Vores strenge måletest og statistiske analyse viste, at denne ImageJ-softwareassisterede kvantitative måleprotokol kunne kvantificere SCB-tykkelsen i både normale og slidgigtiske knæled. Den nyudviklede protokol er reproducerbar og mere følsom over for milde SCB-ændringer end de meget anvendte visuelle klassificeringssystemer. Det kan bruges til at detektere tidlige slidgigt SCB-ændringer og til vurdering af in vivo-effekt af OA-behandlinger i samspil med OA-bruskklassificering.

Protocol

Alle dyreforsøg, der er inkluderet i denne protokol, blev godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ved University of Kansas Medical Center i overensstemmelse med alle føderale og statslige love og regler. 1. Oprettelse af knæ OA hos mus Opret en musemodel af knæ OA ved kirurgisk destabilisering af den mediale menisk (DMM) som beskrevet af Glasson et al.18 i 22 vildtype BALB / c mus ved 10-11 ugers alderen. Udfør sha…

Representative Results

Reproducerbarhedssammenligning mellem visuel estimatklassificering og ImageJ-assisteret kvantitativ måling:SCB-tykkelse i 48 interesseområder (ROI) (24 MFC og 24 MTP), defineret fra en midtersektion af hvert knæ fra 24 knæ / dyr, blev scoret af tre uafhængige individer ved hjælp af det eksisterende 0-3 visuelle scoringsskema som beskrevet i litteraturen15,23, hvor 0 = normal (ingen SCB-fortykkelse), 1 = mild, 2 = moderat og 3 = svær SC…

Discussion

Måling af SCB-fortykkelse er en vigtig komponent i histologiske vurderinger af OA-sværhedsgrad. De fleste eksisterende OA-klassificeringssystemer fokuserer primært på bruskændringer15,16,17. En meget anvendt murine osteoarthritisk SCB tykkelsesklassificeringsmetode, der kategoriserer SCB-fortykkelse som mild, moderat og svær, er stort set subjektiv, og dens pålidelighed er ikke fuldt valideret15. D…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases of the National Institutes of Health (NIH) under Award Number R01 AR059088, Department of Defense (DoD) under Research Award Number W81XWH-12-1-0304 og 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

  1. 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).
  2. Buckwalter, J. A., Martin, J. A. Osteoarthritis. Advanced Drug Delivery Reviews. 58 (2), 150-167 (2006).
  3. Weinans, H., et al. Pathophysiology of peri-articular bone changes in osteoarthritis. Bone. 51 (2), 190-196 (2012).
  4. Baker-LePain, J. C., Lane, N. E. Role of bone architecture and anatomy in osteoarthritis. Bone. 51 (2), 197-203 (2012).
  5. Li, G., et al. Subchondral bone in osteoarthritis: Insight into risk factors and microstructural changes. Arthritis Research and Therapy. 15 (6), 223 (2013).
  6. 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).
  7. Milz, S., Putz, R. Quantitative morphology of the subchondral plate of the tibial plateau. Journal of Anatomy. 185, 103-110 (1994).
  8. Blalock, D., Miller, A., Tilley, M., Wang, J. Joint instability and osteoarthritis. Clinical Medicine Insights: Arthritis and Musculoskeleton Disorders. 8, 15-23 (2015).
  9. Waung, J. A., et al. Quantitative X-ray microradiography for high-throughput phenotyping of osteoarthritis in mice. Osteoarthritis Cartilage. 22 (10), 1396-1400 (2014).
  10. 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).
  11. Nalesso, G., et al. Calcium calmodulin kinase II activity is required for cartilage homeostasis in osteoarthritis. Science Reports. 11 (1), 5682 (2021).
  12. 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).
  13. 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).
  14. McNulty, M. A., et al. A comprehensive histological assessment of osteoarthritis lesions in Mice. Cartilage. 2 (4), 354-363 (2011).
  15. 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).
  16. Pritzker, K. P., et al. Osteoarthritis cartilage histopathology: grading and staging. Osteoarthritis Cartilage. 14 (1), 13-29 (2006).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Wang, J., et al. Transcription factor Nfat1 deficiency causes osteoarthritis through dysfunction of adult articular chondrocytes. Journal of Pathology. 219 (2), 163-172 (2009).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).

Play Video

Cite This Article
Liu, X., Pitner, M. A., Baki, P. P., Lu, Q., Schroeppel, J. P., Wang, J. Software-Assisted Quantitative Measurement of Osteoarthritic Subchondral Bone Thickness. J. Vis. Exp. (181), e62973, doi:10.3791/62973 (2022).

View Video