[論文レビュー] Detection of Proteoglycan Loss from Articular Cartilage using Brillouin Microscopy, with Applications to Osteoarthritis

Pei-Jung Wu, Maryam Imani Masouleh+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Osteoarthritis Treatment and Mechanisms参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、関節軟骨内のプロテオグリカン（PG）の喪失に伴う組織の水分量および機械的剛性の変化を検出することで、ブルアッイン顕微鏡が早期の変形性関節症を検出できることを示している。酵素による消化を用いて変形性関節症を模倣し、著者らはブルアッイン周波数シフトがPGの枯渇と相関することを示し、約2%の水分変化の検出感度を達成した。これは従来のMRIよりも10倍以上にのぼる高い精度である。

ABSTRACT

The degeneration of articular cartilage (AC) occurs in osteoarthritis (OA), which is a leading cause of pain and disability in middle-aged and older people. The early disease related changes in cartilage extra-cellular matrix (ECM) start with depletion of proteoglycan(PG), leading to an increase in tissue hydration and permeability. These early compositional changes are small (<10%) and hence difficult to register with conventional non-invasive imaging technologies (magnetic resonance and ultrasound imaging). Here we apply Brillouin microscopy for detecting changes in the mechanical properties and composition of porcine AC. OA-like degradation is mimicked by enzymatic tissue digestion, and we compare Brillouin microscopy measurements against histological staining of PG depletion over varying digestion times and enzyme concentrations. The non-destructive nature of Brillouin imaging technology opens new avenues for creating minimally invasive arthroscopic devices for OA diagnostics and therapeutic monitoring.

研究の動機と目的

• 構造的損傷が生じる以前にプロテオグリカン（PG）の枯渇を特定することで、早期の変形性関節症（OA）を検出すること。
• ブルアッイン顕微鏡を関節軟骨の機械的および組成的変化を評価する非侵襲的でラベルフリーな手法として評価すること。
• 酵素処理を施したブタの軟骨組織におけるPG含有量のヒストロロジカル染色と照合し、ブルアッイン測定値の妥当性を検証すること。
• ブルアッイン顕微鏡が、早期OAを模倣する微細な水分量およびマトリックス変化にどの程度感度を示すかを特定すること。
• ブルアッインイメージングを最小侵襲的診断用関節鏡デバイスに統合する可能性を検討すること。

提案手法

• ブタの関節軟骨標本におけるブルアッイン周波数シフト（Ω）を測定するためにブルアッイン顕微鏡を適用した。
• トランスフェイズンによる消化を用い、グリコサミノグリカン（GAGs）を特異的に分解することで、早期OAに起因するPG喪失を模倣した。
• PG枯渇の程度を時間経過および酵素濃度ごとに定量するため、ブルアッイン周波数シフトとヒストロロジカル染色（サフラニンO）を相関させた。
• 2相混合近似を用いて縦方向弾性率（M）をモデル化した：1/M = ε/M_l + (1−ε)/M_s、ここでεは液体分率を表す。
• M_s >> M_l を仮定して、水分変化の推定に用いる関係式 Ω²/Ω₀² ≈ ε₀/ε を導出した。
• 装置のノイズ（±60 MHz）を考慮し、水分変化の検出限界を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブルアッイン顕微鏡は、従来のMRIよりも感度の高い方法で関節軟骨内のプロテオグリカン喪失を検出できるか？
• RQ2 酵素処理の過程で、ブルアッイン周波数シフトはヒストロロジカルに測定されたプロテオグリカン枯渇とどの程度相関するか？
• RQ3 ブルアッイン顕微鏡は、軟骨の細胞外マトリックスにおける微細な水分変化にどの程度感度を示すか？
• RQ4 2相混合近似を用いて、ブルアッインシフトと組織水分量の関係をモデル化できるか？
• RQ5 ブルアッイン顕微鏡は、早期の最小侵襲的関節鏡による変形性関節症診断にどの程度の可能性を秘めているか？

主な発見

• 1 mg/mL のトリプシンを用いた4時間の消化後、最大で150 MHz の周波数シフト変化が観察され、組織の水分量が4%増加したと推定された。
• 本技術は、約2%の水分変化の検出感度を達成し、定量的MRIやAFMナノインデンテーションよりも顕著に優れていた。
• 消化時間および酵素濃度の異なる条件下でも、ブルアッイン周波数シフトとプロテオグリカンのヒストロロジカル染色との間に定性的な一致が観察された。
• 2相モデル（1/M = ε/M_l + (1−ε)/M_s）は、軟骨における液体相と固体相の割合の変化をブルアッインシフトと効果的に関連づけることができた。
• 縦方向弾性率は水分量の増加に比例して減少し、理論的予測（Ω²/Ω₀² ≈ ε₀/ε）と整合的であった。
• 装置のノイズが分解能を約60 MHz に制限し、2%の水分変化の検出が可能となった。これは現在の臨床的MRI法よりも1桁以上感度が高い。