[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究证明，布里illoin显微镜可通过检测关节软骨中因组织水合状态和机械刚度变化引起的蛋白多糖（PG）丢失，实现对早期骨关节炎的检测。通过使用酶消化法模拟骨关节炎，作者发现布里illoin频移与PG耗竭相关，检测灵敏度可达约2%的水合变化——比传统MRI高出十倍以上。

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.

研究动机与目标

• 在结构损伤发生前识别蛋白多糖（PG）耗竭，以检测早期骨关节炎（OA）。
• 评估布里illoin显微镜作为非侵入性、无标记方法，用于评估关节软骨机械与成分变化的潜力。
• 通过酶消化处理的猪关节软骨中组织学染色验证布里illoin测量结果与PG含量的关系。
• 确定布里illoin显微镜对模拟早期OA的微小水合与基质变化的敏感性。
• 探讨将布里illoin成像集成至关节镜设备中，实现微创骨关节炎早期诊断的可行性。

提出的方法

• 应用布里illoin显微镜测量猪关节软骨样本的布里illoin频移（Ω）。
• 使用胰蛋白酶消化选择性降解糖胺聚糖（GAGs），模拟早期OA引起的PG丢失。
• 将布里illoin频移与组织学染色（番红O）结果相关联，以量化不同时间点和酶浓度下的PG耗竭程度。
• 采用两相混合模型估算纵向模量（M）：1/M = ε/M_l + (1−ε)/M_s，其中ε为液相分数。
• 推导出关系式Ω²/Ω₀² ≈ ε₀/ε，用于从布里illoin频移估算水合变化，假设M_s >> M_l。
• 考虑仪器噪声（±60 MHz）以确定水合变化的检测阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 布里illoin显微镜能否以高于传统MRI的灵敏度检测关节软骨中的蛋白多糖丢失？
• RQ2 在酶消化过程中，布里illoin频移变化与组织学测量的蛋白多糖耗竭程度之间存在何种相关性？
• RQ3 布里illoin显微镜对软骨细胞外基质中微小水合变化的敏感程度如何？
• RQ4 能否使用两相混合模型准确描述布里illoin频移与组织水合状态之间的关系？
• RQ5 布里illoin显微镜在实现骨关节炎早期、微创关节镜诊断方面具有何种潜力？

主要发现

• 经4小时1 mg/mL胰蛋白酶消化后，布里illoin频移最大变化达150 MHz，对应组织水合度增加约4%。
• 该技术实现了约2%水合变化的检测灵敏度，显著优于定量MRI和AFM纳米压痕法。
• 在不同消化时间与酶浓度下，布里illoin频移与蛋白多糖组织学染色结果表现出定性一致性。
• 两相模型（1/M = ε/M_l + (1−ε)/M_s）成功将布里illoin频移与软骨中液相与固相比例的变化关联起来。
• 纵向模量随水合度增加而按比例降低，与理论预测Ω²/Ω₀² ≈ ε₀/ε一致。
• 仪器噪声将分辨率限制在约60 MHz，使水合变化的检测下限达到约2%，灵敏度比当前临床MRI方法高出一个数量级。