Abstract

Osteoarthritis is globally a highly prevalent joint disorder leading to major disabilities among affected patients. With increasing obesity and prolonging life expectancy of the world’s population, the burden of this disease will be even more substantial in the future. However, little is known about the onset and the earliest events of osteoarthritis on the microstructural level—especially regarding the soft tissues of the joint. Therefore, being able to image and quantify them volumetrically on a micrometer level might help us gain a better understanding of osteoarthritis and its early events.

The main objective of this thesis was to develop a hexamethyldisilazane (HMDS)-based micro-computed tomography (micro-CT) method that enables the visualization of knee joint soft tissues. The developed methodology was validated by morphological and microstructural quantitative analysis of articular cartilage and meniscus specimens from osteoarthritic patients and osteoarthritis-free tissue donors. Conventional histology was used as a reference methodology.

It was shown that with HMDS-based micro-CT, similar scale structural features of articular cartilage and meniscus can be visualized in 3D as with conventional 2D histology. Importantly, the proposed technique enabled quantitative analysis of the studied tissues. In articular cartilage, morphological analyses showed that chondrons were larger and more elongated in osteoarthritic samples than in intact tissue. In meniscus, microstructural local orientation analysis revealed increased disorganization in the medial menisci of medial compartment knee osteoarthritis patients compared to the lateral menisci of the same patients and medial and lateral menisci of osteoarthritis-free tissue donors. From the analysis of meniscal calcifications, it seemed that there are two patterns of meniscal degeneration: one with diminutive calcifications and other with large to widespread calcifications.

To conclude, the HMDS-based micro-CT technique presented in this thesis provides a novel high-resolution tool for volumetric visualization and quantitative microstructural analysis for knee joint soft tissues. In addition to articular cartilage and meniscus that were studied in this thesis, the proposed technique could also be useful for the analysis of other soft tissues of joints and their associated changes in osteoarthritis.

Tiivistelmä

Nivelrikko on maailman yleisin nivelsairaus, joka lopulta johtaa liikuntakyvyn menetykseen. Ylipainon yleistyessä ja elinajanodotteen pidentyessä tämän sairauden aiheuttama yhteiskunnallinen taakka tulee olemaan entistäkin merkittävämpi tulevaisuudessa. Nivelrikon alkuvaiheen mikrorakennetason muutoksista ei kuitenkaan vielä tiedetä kovin paljoa etenkään nivelen pehmytkudosten osalta. Näiden kudosten kolmiulotteinen kuvantaminen mikrometrien tarkkuudella voisi auttaa ymmärtämään nivelrikkoa sekä sen alkuvaiheen muutoksia paremmin.

Tämän väitöskirjan päätavoitteena oli kehittää näytteiden kuivaamiseen heksametyylidisilatsaanilla (HMDS) perustuva mikrotietokonetomografiamenetelmä (mikro-TT-menetelmä) polvinivelen pehmytkudosten kuvantamiseen. Lisäksi kyseistä menetelmää validoitiin nivelruston ja -kierukan morfologiaa ja mikrorakenteita määrittävillä kvantitatiivisilla analyyseillä käyttäen nivelrikkopotilailta ja nivelrikkoa sairastamattomilta kudoslahjoittajilta saatuja näytteitä. Perinteinen histologia toimi verrokkimenetelmänä.

HMDS:ään perustuvan mikro-TT:n osoitettiin kuvaavan saman kokoluokan rakenteellisia piirteitä nivelrustossa ja -kierukassa kolmiulotteisesti kuin perinteinen histologia kaksiulotteisesti. Lisäksi menetelmä mahdollisti kvantitatiivisten analyysien käytön: nivelrustossa morfologiset analyysit osoittivat, että kondronit olivat suurempia ja pitkänomaisempia nivelrikkoisissa näytteissä verrattuna terveisiin näytteisiin. Nivelkierukan orientaatioanalyysissä havaittiin, että mediaalipuolen nivelkierukan mikrorakenteet ovat epäjärjestäytyneempiä mediaalipuolen nivelrikkoa sairastavilla potilailla verrattuna samojen potilaiden lateraalipuolen näytteisiin ja terveiden kudoslahjoittajien mediaali- ja lateraalipuolen näytteisiin. Nivelkierukoiden kalkkeuma-analyyseissä havaitsimme kahdentyyppistä nivelkierukan rappeutumista: ensimmäisessä tyypissä oli erittäin vähäinen määrä kalkkeumia ja toisessa tyypissä oli suuria ja/tai laajasti levinneitä kalkkeumia.

Tässä väitöskirjassa esitelty HMDS:ään perustuva mikro-TT-menetelmä tarjoaa uudentyppisen, korkearesoluutioisen työkalun polven pehmytkudosten kolmiulotteiseen kuvantamiseen ja mikrorakenteiden määrälliseen analyysiin. Nivelruston ja -kierukan lisäksi tällä menetelmällä voidaan tutkia myös muita nivelen pehmytkudoksia ja niissä tapahtuvia nivelrikon aiheuttamia muutoksia.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Kestilä, I., Thevenot, J., Finnilä, M. A., Karhula, S. S., Hadjab, I., Kauppinen, S., Garon, M., Quenneville, E., Haapea, M., Rieppo, L., Pritzker, K. P., Buschmann, M. D., Nieminen, H. J., & Saarakkala, S. (2018). In vitro method for 3D morphometry of human articular cartilage chondrons based on micro-computed tomography. Osteoarthritis and Cartilage, 26(8), 1118–1126. https://doi.org/10.1016/j.joca.2018.05.012

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Kestilä, I., Folkesson, E., Finnilä, M. A., Turkiewicz, A., Önnerfjord, P., Hughes, V., Tjörnstrand, J., Englund, M., & Saarakkala, S. (2019). Three-dimensional microstructure of human meniscus posterior horn in health and osteoarthritis. Osteoarthritis and Cartilage, 27(12), 1790–1799. https://doi.org/10.1016/j.joca.2019.07.003

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Karjalainen, V.-P., Kestilä, I., Finnilä, M. A., Folkesson, E., Turkiewicz, A., Önnerfjord, P., Hughes, V., Tjörnstrand, J., Englund, M., & Saarakkala, S. (2021). Quantitative three-dimensional collagen orientation analysis of human meniscus posterior horn in health and osteoarthritis using micro-computed tomography. Osteoarthritis and Cartilage, 29(5), 762–772. https://doi.org/10.1016/j.joca.2021.01.009

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Hellberg, I., Karjalainen, V.-P., Finnilä, M. A. J., Jonsson, E., Turkiewicz, A., Önnerfjord, P., Hughes, V., Tjörnstrand, J., Englund, M., & Saarakkala, S. (2023). 3D analysis and grading of calcifications from ex vivo human meniscus. Osteoarthritis and Cartilage, 31(4), 482–492. https://doi.org/10.1016/j.joca.2022.10.016

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version