University of Oulu

Mineralized tissues at the osteochondral junction in healthy and osteoarthritic joints : advanced microimaging and mechanical studies

Saved in:
Author: Das Gupta, Shuvashis1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 6.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526233710
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-08-05
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in the Markku Larmas auditorium (H1091) in Dentopolis, on 12 August 2022, at 12 noon
Tutor: Professor Simo Saarakkala
Professor Ashvin Thambyah
Professor Miika Nieminen
Reviewer: Doctor Himadri Gupta
Professor Virginia L. Ferguson
Opponent: Associate Professor Michael Doube
Description:

Abstract

Osteoarthritis (OA) is the most common joint disease that causes disability in the adult population. While the etiology and pathogenesis of OA remain unclear, it is now commonly accepted that the entire joint is affected by OA. The deep zone of hyaline articular cartilage, calcified cartilage, and cortical subchondral bone plate form the osteochondral junction that is specially adapted to transferring loads during weight-bearing and joint motion. Although the OA-related changes in articular cartilage and subchondral trabecular bone have been extensively studied, the changes in the osteochondral junction, especially in the calcified cartilage, remain under explored.

Calcified cartilage is a relatively thin tissue layer and has a similar mineral phase to the underlying bone. Hence, it is a major challenge to quantitively study calcified cartilage separately from the whole osteochondral junction, due to the limitations in spatial resolution and the contrast of current microscopic imaging modalities. Therefore, this doctoral dissertation aims to study the biochemical composition, mineral crystal structure, micromechanical and structural properties of calcified cartilage, and the subchondral bone plate in healthy and osteoarthritic knee joints in vitro.

Raman microspectroscopy was used to investigate biochemical composition from unfixed and fully hydrated human osteochondral specimens. State-of-the-art micro-focus small-angle X-ray scattering (μSAXS) measurements were performed to map the mineral crystal thickness across the junction. Finally, a bovine patella model was utilized to explore the micromechanical changes in the junction as a function of degeneration and associate these changes with site-specific microstructure.

Results show that calcified cartilage had a higher degree of mineralization, with thicker mineral crystals having greater stoichiometric perfection in a proteoglycan-rich matrix than underlying bone. The alterations in the degree of mineralization, type-B carbonate substitutions, mineral crystal thickness, tissue stiffness, and microstructure in both calcified cartilage and subchondral bone plate were observed during OA development. Some of these changes were found to occur at the very early stages of OA. In conclusion, this study shows that both mineralized tissues at the osteochondral junction undergo marked alterations during the evolution of OA, contributing to our current understanding of OA.

see all

Tiivistelmä

Nivelrikko on aikuisväestön yleisin invalidoiva nivelsairaus. Nivelrikon tarkkaa syntytapaa ei edelleenkään tiedetä, mutta nykyisin on yleisesti hyväksytty, että nivelrikko vaikuttaa kaikkiin nivelen kudoksiin. Nivelessä sijaitseva luu-rustorajapinta muodostuu hyaliiniruston pohjakerroksen, kalkkeutuneen ruston ja rustonalaisen luun yhdistelmästä. Luu-rustorajapinnan rooli on välittää mekaanista kuormitusta rustosta luuhun nivelen liikkuessa. Nivelruston ja sen alaisen luun kudosmuutoksia nivelrikon eri vaiheissa on tutkittu laajasti, mutta luu-rustorajapinnan — erityisesti kalkkeutuneen ruston — kudosmuutoksia nivelrikon aikana on tutkittu vain vähän.

Kalkkeutunut rusto on ohut kudoskerros, jossa on myös mineraalifaasi samoin kuin alla olevassa luukudoksessa. Tämä tekee kalkkeutuneen ruston kvantitatiivisesta tutkimisesta hankalaa, koska luun ja kalkkeutuneen ruston erottaminen on vaikeaa mikroskooppisten kuvantamismenetelmien rajoittuneen kontrastin ja erotuskyvyn vuoksi. Tässä väitöskirjassa tutkittiin nivelrikkoisen ja terveen kalkkeutuneen ruston biokemiallista koostumusta, mikrorakennetta sekä mikromekaanisia ominaisuuksia.

Ihmisestä saatuja tuoreita ja käsittelemättömiä luu-rustonäytteitä tutkittiin aluksi Raman-mikroskopialla, jonka perusteella kartoitettiin niiden biokemiallista koostumusta eri kohdissa kudosta. Mineraalikristalleja analysoitiin pienkulmaröntgensironnan avulla, jolla pystyttiin kartoittamaan kristallien paksuutta koko luu-rustorajapinnan alueelta. Tutkimuksessa käytettiin myös naudan polvilumpiosta otettuja näytteitä, joiden avulla tutkittiin luu-rustorajapinnan mikromekaanisia muutoksia nivelrikon eri kehitysvaiheissa. Lisäksi tutkittiin mikromekaanisten muutoksien ja mikrorakenteen muutoksien välistä yhteyttä toisiinsa.

Tulokset osoittavat, että kalkkeutuneessa rustossa on luuhun verrattuna korkeampi mineralisoitumisen aste, paksummat ja stoikiometrisesti täydellisemmät mineraalikristallit, sekä suurempi proteoglykaanipitoisuus. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin selkeitä muutoksia mineralisaation määrässä, tyypin B karbonaattisubstituutiossa, mineraalikristallien paksuudessa, kudoksen jäykkyydessä sekä mikrorakenteessa nivelrikon kehittyessä. Osa muutoksista havaittiin hyvin varhaisessa nivelrikon kehitysvaiheessa. Tässä väitöskirjassa saatiin tärkeää uutta tietoa siitä, että luu-rustorajapinnnassa tapahtuu merkittäviä muutoksia nivelrikon kehittyessä. Tämä lisää nykyistä tietämystämme nivelrikon etiologiasta.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Das Gupta, S., Finnilä, M. A. J., Karhula, S. S., Kauppinen, S., Joukainen, A., Kröger, H., Korhonen, R. K., Thambyah, A., Rieppo, L., & Saarakkala, S. (2020). Raman microspectroscopic analysis of the tissue-specific composition of the human osteochondral junction in osteoarthritis: A pilot study. Acta Biomaterialia, 106, 145–155. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.02.020

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Finnilä, M. A. J., Das Gupta, S., Turunen, M. J., Kestilä, I., Turkiewicz, A., Lutz-Bueno, V., Folkesson, E., Holler, M., Ali, N., Hughes, V., Isaksson, H., Tjörnstrand, J., Önnerfjord, P., Guizar-Sicairos, M., Saarakkala, S., & Englund, M. (2021). Mineral crystal thickness in calcified cartilage and subchondral bone in healthy and osteoarthritic knees. BioRxiv. https://doi.org/10.1101/2021.06.15.448181

  3. Das Gupta, S., Finnilä, M. A. J., Rieppo, L., Turunen, M. J., Kestilä, I., Lutz-Bueno, V., Folkesson, E., Ali, N., Hughes, V., Isaksson, H., Tjörnstrand, J., Önnerfjord, P., Turkiewicz, A., Englund, M., & Saarakkala, S. (2021). Mineral composition of calcified cartilage and subchondral bone plate in humans with and without knee osteoarthritis. Manuscript in preparation.

  4. Das Gupta, S., Workman, J., Finnilä, M. A. J., Saarakkala, S., & Thambyah, A. (2022). Subchondral bone plate thickness is associated with micromechanical and microstructural changes in the bovine patella osteochondral junction with different levels of cartilage degeneration. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 129, 105158. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105158

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-3371-0
ISBN Print: 978-952-62-3370-3
Issue: 1682
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 318 Medical biotechnology
Subjects:
Funding: This study has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 713645, Sigrid Juselius Foundation, and the University of Oulu.
EU Grant Number: (713645) BioMEP - Biomedical Engineering and Medical Physics
Copyright information: © University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.