形态和机械的改变在自发的髋关节骨关节炎关节软骨和软骨下骨在几内亚猪
Jiazi高
Pengling任
他龚1*- 1工程力学、南岭校区,吉林大学、长春、中国
- 2美国放射学、北京友谊医院、首都医科大学,北京,中国
目的:本研究旨在探讨形态和机械关节软骨和软骨下骨的改变在自发的髋关节骨关节炎在几内亚猪。
材料与方法:髋关节的豚鼠研究1、3、6和9个月大的时候(以下表示为1米,3米,6米,9米,分别;n在每组= 7)。形态和机械的改变在豚鼠自发的髋关节骨关节炎。关节软骨的改变包括微机械性能(刚度和蠕变变形),软骨下骨的微结构(骨密度,骨体积分数,小梁厚度、小梁数,和小梁分离),关节软骨的微观形态学和表面纳米结构(颗粒大小和粗糙度)的关节软骨和软骨下骨。
结果:微机械性能的关节软骨在1 M最高最低的刚度和蠕变变形与刚度无显著差异或蠕变变形在3米,6米,9 M .关节软骨厚度随年龄下降。最早的关节软骨退化发生在6个月大的时候,软骨细胞的特点是表面不均匀,明显减少微观形态学,以及增加晶粒尺寸和粗糙度降低纳米结构。没有变性或者微纳米结构的观察软骨下骨在9个月之前。
结论:形态发生变性软骨变性前的机械性能。同时,变性软骨变性前发生在髋关节骨关节炎软骨下骨。目前的研究提供了新颖的见解髋关节骨关节炎的结构和微机械的相互作用,可以作为理论依据理解骨关节炎的形成和发展。
介绍
骨关节炎是一种疾病的特点是整个关节软骨退化,关节炎症,和软骨下骨异常骨重塑。骨关节炎的发生和发展密切相关的创伤,过载和老化(Castano-Betancourt et al ., 2013;里士满et al ., 2013;巴尔et al ., 2015;Glyn-Jones et al ., 2015)。影响整个关节骨关节炎是一种复杂的状态,一种退化的软骨和软骨下骨发挥关键作用(王et al ., 2011;Glyn-Jones et al ., 2015;Cucchiarini et al ., 2016)。
软骨形态和力学性能的变化可以用来评估骨关节炎的进展(弗朗茨et al ., 2001;克劳斯et al ., 2010;罗格斯et al ., 2010;饭岛爱et al ., 2014;左et al ., 2016;•加蒂et al ., 2022)。持续的软骨破坏可能导致关节功能逐步丧失。关节软骨变性的特征包括细胞表型变化,软骨细胞肥大,细胞凋亡和进步的颤动(Aizah et al ., 2019;Harlaar et al ., 2022;Salucci et al ., 2022)。覆盖整个关节软骨表面的组织直接负载。关节软骨的机械故障可能导致关节的磨损表面,痛苦,最终失去关节功能。据报道软骨弹性模量下降与骨性关节炎的进展(Wilusz et al ., 2013;Harlaar et al ., 2022)。减少软骨抗压刚度被认为是第一个检测关节软骨退化的迹象,也就是说,力学性能的变化发生改变前软骨基质的组成(弗朗茨et al ., 2001)。因此,评估软骨的力学性能是重要的调查骨关节炎的变性过程(饭岛爱et al ., 2014;左et al ., 2016)。限制了小样本大小和样品厚度,压痕技术被认为是足够的描述关节软骨的刚度变化的定量评估早期关节软骨变性(弗朗茨et al ., 2001)。
虽然骨关节炎曾被认为是关节软骨的主要障碍,现在公认的软骨下骨结构发挥重要作用在骨关节炎的病理变化。软骨下骨尤其与软骨退化,因此组织极大的兴趣在骨关节炎的调查。软骨下骨的微观结构决定其容量吸收、分配和转移机械负荷(许et al ., 2002;巴尔et al ., 2015;左et al ., 2016;Finnila et al ., 2017;Peters等人。,2018年)。骨重塑异常可以在变性过程中观察到的骨关节炎。软骨下骨显示厚软骨下的板,增加骨密度和骨小梁体积分数,和减少小梁的分离和结构模型指数(SMI)和骨关节炎加重(卡尔森et al ., 1996;丁et al ., 2006;王et al ., 2013;Finnila et al ., 2017),这被认为是由于异常mechanoregulated骨适应(饭岛爱et al ., 2014)。
骨关节炎关节结构改变了宏观和微尺度的纳米结构和影响软骨下骨和软骨。确定生物组织的表面纳米结构(如晶粒尺寸和粗糙度),使用原子力显微镜(AFM)是可行的因为它的超高空间分辨率,细力灵敏度,多才多艺在不同条件(Dufrene 2002;谢长廷et al ., 2008;Stolz et al ., 2009;亲爱的et al ., 2010;温家宝et al ., 2012;Ghosh et al ., 2013;汉et al ., 2017;Danalache et al ., 2019;Plaut et al ., 2019)。AFM可以用来研究软骨细胞和胶原纤维的形态特性的变化,以及地形变化可能发生在骨关节炎(谢长廷et al ., 2008;温家宝et al ., 2012),从而为深入研究提供可靠的基础在骨关节炎的过程。
大量研究调查了力学性能和形态膝骨关节炎软骨和软骨下骨的方式不同,但是一些研究已经进行髋关节骨关节炎(李et al ., 2013;Finnila et al ., 2017;方et al ., 2018;Aizah et al ., 2019;•加蒂et al ., 2022)。髋关节是人体最大的负重关节。整个关节的髋关节骨关节炎是一种疾病,被认为是慢性疼痛和残疾的主要原因之一,在老年人中(Castano-Betancourt et al ., 2013)。调查在形态学和生物化学变化在髋关节骨关节炎的过程,以及软骨和软骨下骨退化之间的关系,重要的是了解骨关节炎和选择目标的因果关系对骨关节炎的预防和治疗。在当前的工作中,我们假设软骨和软骨下骨的形态和机械的改变是导致髋关节骨关节炎的主要因素。因此,在当前的工作中,髋关节的豚鼠在1、3、6、9个月了,使在形态和机械系统分析关节软骨和软骨下骨的改变在天然的骨关节炎,包括软骨下骨的微观结构、表面纳米结构的软骨,软骨下骨,关节软骨的微机械性质,这可能为骨关节炎的预防和治疗提供依据。
材料和方法
样品制备
共有28岁男性Dunkin-Hartley豚鼠1、3、6和9个月大(以下表示为1米,3米,6米,和9米;七大鼠在每个年龄段)被牺牲了通过腹腔内注射戊巴比妥100毫克/公斤。两国近端股骨收获。右股骨近端固定在4%多聚甲醛(PFA)在室温下24 h,然后准备微型电脑断层扫描(ct机)扫描和形态分析。左股骨近端前储存在−20°C和AFM分析微机械测试。伦理委员会批准的所有程序都是吉林大学第一医院(2020 - 010)。
软骨下骨骨矿物质密度和显微结构的分析
近端股骨的射线图像获得高分辨率ct机系统(Skyscan Skyscan 1076年,比利时),然后用来确定软骨下骨的微观结构和评估近端股骨的射线图像。近端股骨的空间分辨率扫描设置为18μm和标本扫描在70 kV和142μA Al 1.0毫米过滤器。感兴趣的区域的软骨下骨小梁之间的地区被选为软骨下板块和增长的板块。骨矿物质密度(BMD)、骨体积分数(BV /电视),小梁厚度(Tb.Th),小梁数目(Tb.N)和小梁分离(Tb.Sp)计算基于微ct图像数据集通过CTAn软件(CTAn, Skyscan,比利时)。
微形分析软骨
ct机扫描后,右侧股头被固定在PFA 3天,脱钙4%乙二胺四乙酸2周。样本然后在一系列酒精脱水浴(80%、90%和100%,每12小时)之前在石蜡包埋。连续矢状部分(6μm厚)是获得使用旋转式切片机(德国徕卡RM2255)。番红精O /快速绿色染色进行评估关节软骨微观形态学。
微机械关节软骨的考验
样品在室温下解冻后6 h和附加与cyanoacrylate水泥测试室挤满了磷酸缓冲盐。电子万能试验机(AG-X +,日本岛津公司,日本京都)与0.5毫米直径平底硬度计压头,和关节软骨的压痕试验进行了描述与饭岛爱et al。(饭岛爱et al ., 2014;饭岛爱et al ., 2015;饭岛爱et al ., 2017)。0.01 N的预加载应用和平衡是100年代进行,其次是加载应变率的0.005毫米/秒0.1 N, 300年代维持。动态刚度(0.01 N载荷/位移荷载位移曲线;饭岛爱et al ., 2017)和蠕变变形(变形后的软骨从之前测试的应用程序负载为300年代0.1 N)得到(饭岛爱et al ., 2014;饭岛爱et al ., 2015;饭岛爱et al ., 2017)。
纳米结构分析关节软骨和软骨下骨
近端股骨骨标本2毫米的厚度是减少与股骨颈轴垂直。样本然后在一系列酒精脱水浴(80%、90%和100%,每24小时),酒精的超声清洗5分钟,在室温下自然干燥(任et al ., 2018)。
每个样本在横向上AFM系统磁盘和成像的示例(安捷伦5500,安捷伦科技,美国)。成像在标准环境条件下执行AFM开发模式使用商业硅AFM探针(Tap300AI-G、预算传感器仪器,保加利亚)125μm悬臂长度,一个40 Nm−1恒力,300 kHz的共振频率和齿顶圆角半径小于10纳米。关节软骨和软骨下骨扫描获得的图像(关节软骨和软骨下骨AFM扫描所示图1)。矿物颗粒的大小和粗糙度测量使用版本1.4.0毫微秒示波器分析。(Milovanovic et al ., 2011)。
图1。AFM扫描((一):骨样本;(B)软骨下骨扫描阵地;(C)扫描正电子软骨;蓝色圆:AFM提示)。
统计分析
数据分析使用SPSS 19.0软件(SPSS统计,IBM公司,美国)。为每个组中位数和四分位范围(IOR, 25 th - 75)计算。所有年龄段的差异被K的克鲁斯卡尔-沃利斯H测试分析了独立样本非参数检验。随后,邓恩的多个测试进行比较来确定组之间的区别。P被选为0.05的显著性水平。
结果
随着年龄的增长BMD和软骨下骨显微结构的变化
图2显示了典型的射线图像在不同月龄近端股骨。开放的生长板观察股正面的1 M和3 M . 6米的生长板完全关闭。
图2。典型的影像学图像近端股骨在1米,3米,6米和9米(红色箭头:生长板)。
显然BMD和软骨下骨的微观结构参数变化与动物时代(表1)。增加BMD, BV /电视,和结核病。Th被观察到3米、6米和显著差异从1米(9米p< 0.05)。观察组之间没有差异对结核病。N和重度(p> 0.05)。
表1。BMD和软骨下骨的微观结构参数。
微形关节软骨随着年龄的变化
图3显示了典型的组织学图像关节软骨与红色染料O /快速绿色染色。关节软骨的厚度减少从1米到9米潮汐线形成的3 M .最早的关节软骨退化发生在6个月大的时候,软骨细胞的特点是表面不均匀,明显减少。胶原蛋白染色的退化是明显的年龄在9个月。
图3。关节软骨的典型组织学图像用番红精O /快速绿色染色1米,3米,6米和9米。
随着年龄的关节软骨的微机械性能的变化
1 M组显示最低的刚度和最高的蠕变变形(p< 0.05;表2)。刚度无显著差异或蠕变变形在3米,6米和9米观察(p> 0.05;表2)。典型的荷载位移曲线1米,3米,6米,9所示图4,1 M的关节软骨有相同载荷下的最大位移。
表2。Micro-mechanical关节软骨的属性在1米,3米,6米和9米。
图4。关节软骨的典型荷载位移曲线1米,3米,6米和9米。
纳米结构关节软骨和软骨下骨的改变与年龄
典型的软骨下骨的AFM图像所示图5。的图片,发现骨材料的连续相,明显的观察矿物结晶度。晶粒尺寸和粗糙度显示任何与年龄相关的组间差异(p> 0.05;表3)。
图5。典型的软骨下骨的AFM图像在1米,3米,6米和9米((一):高度图像,(B)相位图像;1μm×1μm扫描区域)。
表3。从AFM图像分析晶粒尺寸和粗糙度。
图6显示了典型的AFM图像软骨。明显的软骨表面的粒子被观察到。更多的粒子可以观察到6 M和9 M . 1 M组显示最高的粒度和最低粗糙度显著差异从6米到9米(p< 0.05;表3)。晶粒尺寸明显降低从1米到3米(p< 0.05;表3)。6和9米的粗糙度值显著高于1米(p< 0.05;表3)。
图6。典型的AFM图像关节软骨在1米,3米,6米和9米((一):高度图像,(B)相位图像;1μm×1μm扫描区域)。
讨论
在这项研究中,髋关节的豚鼠在1、3、6和9个月大的选择探讨形态和机械关节软骨和软骨下骨的改变在自发的髋关节骨关节炎。在当前的研究中获得的结果表明,软骨的形态和机械一种退化之前发生的软骨下骨在自发的髋关节骨关节炎的进展。此外,软骨的形态退化发生在机械性能的退化。
骨关节炎可以发生自发在豚鼠(克劳斯et al ., 2010;Cucchiarini et al ., 2016;Samvelyan et al ., 2021)。由于相似性组织自发人类原发性骨关节炎骨关节炎和豚鼠通常用于骨关节炎的研究(Cucchiarini et al ., 2016;Samvelyan et al ., 2021)。在最近的研究中,没有明显的髋关节骨关节炎的特点被发现豚鼠,在宏观水平上。然而,明显的软骨细胞变性和表面结构退化与骨关节炎的发展观察在微观和纳米在6个月的年龄,表明软骨变性的发病,这被认为是早期标志物的自发的骨关节炎。
骨关节炎是远非一个静态的疾病。它有非常不同的特点在疾病进展的不同阶段。软骨下骨普遍认为发挥实质性作用在骨关节炎的变性过程;然而,最初的改变是否在骨关节炎首先发生在骨或关节软骨仍然是有争议的。众多研究表明,软骨下骨的改变发生在任何覆盖软骨退化的迹象出现。这种变化的特点是软骨下骨纳米结构变化和加速骨营业额(雷丁和玫瑰,1986年;李et al ., 2013;王et al ., 2013;方et al ., 2018;Aizah et al ., 2019)。然而,许多研究人员仍然认为,骨变化后关节软骨的退化,或者至少同时关节软骨的退化(李et al ., 2013;Finnila et al ., 2017)。在最近的研究中,发现股骨的生长板正面完全收于6米,表明骨骼成熟度和纵骨生长停止。年龄的增加BMD, BV /电视,结核病。Th观察从1米到6米,无显著差异的BMD或任何观察到的微观结构参数之间的6米和9米,也就是说,没有明显的变性股骨软骨下骨的豚鼠之前9个月大的时候。不同于最早的关节软骨变性在豚鼠内侧胫骨平台上观察到3个月大的时候(Bendele Hulman, 1988),最早的关节软骨变性股骨近端发生在6个月的年龄(以不均匀的表面软骨和软骨细胞明显减少,以及增加晶粒尺寸和粗糙度降低纳米结构)在目前的研究。因此,根据获得的结果,关节软骨的退化可能之前在髋关节骨关节炎软骨下骨的改变在几内亚猪。软骨修复可能是一个早期骨关节炎的治疗模式。物理治疗,如训练(Bartholdy et al ., 2017;Yuenyongviwat et al ., 2020);有氧运动(饭岛爱et al ., 2015;卡贝里et al ., 2018);脉冲电磁场(Ciombor et al ., 2003;杨et al ., 2021);体外冲击波疗法(陈et al ., 2020);超声治疗(Dantas本人交出密码et al ., 2021);除了药物治疗,如葡萄糖胺和软骨素(Fransen et al ., 2015),可能延迟或有效治疗软骨退化。与此同时,应该进一步研究软骨变性的分子机制(倪et al ., 2021;太阳et al ., 2021;刘et al ., 2022)为了找到靶向药物可以抑制软骨变性和延迟或防止疾病进展。
先前的研究表明,胫骨关节软骨的力学性能是影响半月板(由半月板软骨覆盖不同的力学性能,发现了)(Harlaar et al ., 2022)。不同于近端股骨胫骨关节软骨,关节软骨表面光滑,没有组织报道,影响其力学性能。降低机械性能被认为是一个了不起的关节软骨退化的迹象(弗朗茨et al ., 2001;方et al ., 2018;Harlaar et al ., 2022)。在当前的工作,显著增加刚度和降低蠕变变形的近端股骨关节软骨被发现从1米到3米(p< 0.05),无明显变化观察到从3 M到9米(p> 0.05)。这一发现表明,近端股骨关节软骨在3个月成熟。虽然没有发现显著差异,6米和9米显示低于3 M刚度的退化可能与关节软骨形态学发生在6个月的年龄。
根据其能力获得3 d表面地形数据sub-micro纳米,AFM广泛用于评估生物组织在纳米尺度上的表面特征(Dufrene 2002;Stolz et al ., 2009;Ghosh et al ., 2013;饭岛爱et al ., 2015;饭岛爱et al ., 2017;任et al ., 2018;Plaut et al ., 2019)。在最近的研究中,纳米结构关节软骨和软骨下骨的改变被AFM观察。粗糙度和晶粒尺寸的骨小梁骨重塑活动密切相关。大粗糙度和颗粒被认为是由于延迟骨重建和可以减少骨的力学性能在宏观尺度(Milovanovic et al ., 2011;Milovanovic et al ., 2012)。然而,目前的研究显示没有明显的软骨下骨的晶粒尺寸和粗糙度的变化在不同的组,即。,不变性(或至少没有异常骨重塑)软骨下骨的发生。
纳米尺度的观察软骨表面特征可以提供新的见解骨关节炎的发生和发展。由于老化和骨关节炎关节软骨的变化可以清晰地展示了在纳米结构形态变化可以观察到,然后这些架构变化扩展到微观和宏观尺度造成进步和不可逆的结构和功能损害(Stolz et al ., 2009)。目前的研究表明,关节软骨表面的粗糙度增加不断从1米到9米与关节软骨的退化,这是与之前的一致(Ghosh et al ., 2013;王et al ., 2013)。此外,关节软骨表面粒子的存在是显而易见的从3 M到9 M .关节软骨的微机械特性的变化可能与纳米结构的变化,从而进一步证实了关节软骨的退化。
当前的研究应考虑的两个限制。首先,只有髋关节。在豚鼠,力学性能和形态变化在膝盖关节软骨和软骨下骨的开发过程中自发的髋关节骨关节炎的不同。因此,虽然调查骨关节炎,深入调查膝盖软骨和软骨下骨在骨关节炎的发展和与髋关节高度显著在阐明骨关节炎发生、发展的机制。本研究的第二个限制是没有退化的髋关节软骨下骨发生之前9个月大的时候。考虑到重要作用的软骨下骨在骨关节炎的发生和发展,进一步研究软骨下骨的力学性能和形态变化在豚鼠年龄在9个月是必需的。然而,尽管受到这些限制,关节软骨和软骨下骨的改变在豚鼠髋关节的仔细调查。因此,研究结果可以提供洞察的方法预防和治疗髋关节骨关节炎。
结论
形态和微机械性能变化髋关节软骨和软骨下骨的豚鼠在1、3、6和9个月的调查。没有观察到变性软骨下骨在9个月之前。最早的观察关节软骨变性在6个月的年龄和特点是结构变化在微观和纳米级。微,nanostructural髋关节软骨的退化发生在力学性能的退化。结构和机械的一种退化软骨发生之前的软骨下骨在自发的髋关节骨关节炎的进展在几内亚猪。与年龄相关的关节软骨和骨的变化属性可以作为理论依据对骨关节炎的形成和发展的进一步研究。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
道德声明
综述了动物研究和伦理委员会批准的吉林大学第一医院。
作者的贡献
詹:构思和设计实验。获取、分析和解释数据。写和编辑的手稿。公关:进行了动物实验。获取、分析和解释数据。HG:设计实验。校对的手稿。监督这个项目。
资金
这项工作得到了国家自然科学基金(12272029),和吉林省自然科学基金(20200201260 jc)。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:髋关节骨关节炎、软骨、软骨下骨形态、力学性能
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收到:2022年10月26日;接受:09年1月2023;
发表:2023年1月23日。
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