膝関節におけるプロテオグリカン損失とコラーゲン変性のシミュレーションのための新しいアルゴリズム：変形性関節症のイニシアチブからのデータ

変形性関節症は有害な関節疾患ですが、疾患の進行の予測には問題があります。現在、膝の変形性関節症の進行を予測するために適用できるモデリングフレームワークは1つだけですが、コラーゲンフィブリルネットワークの変性変化のみを考慮しています。ここでは、変形性関節症で発生するすべての主要な組織の変化（プロテオグリカン含有量、流体の流れ、コラーゲン線維ネットワーク）を考慮することにより、フレームワークをさらに開発しました。過度のレベルの組織ストレスはコラーゲンフィブリルネットワークの変性を制御しましたが、過度のレベルの組織株はプロテオグリカン含有量の減少と透過性の増加を制御しました。深さごとの組成に基づいて、複雑さの程度が増加する4つの膝関節モデルを作成しました。モデルは、膝の正常および異常な生理学的に関連する負荷条件についてテストされました。最後に、各モデルからの予測される深さごとの組成変化を、in vitroで実験的に観察された組成変化と比較しました。軟骨の典型的な深さごとの組成を組み込んだモデルは、実験的観察と最高の一致をもたらしました。初期のin vitro実験と一致して、このモデルは表面ゾーンと中間地域で最大のプロテオグリカンの枯渇をシミュレートしましたが、コラーゲン線維変性は主に表面ゾーンに配置されていました。提示されたアルゴリズムは、膝の変形性関節症の発症中の同時コラーゲン変性とプロテオグリカン損失を予測するために使用できます。©2017整形外科研究協会。Wiley Repionicals、Inc。J Orthop Res 36：1673-1683、2018が発行。

Osteoarthritis is a harmful joint disease but prediction of disease progression is problematic. Currently, there is only one modeling framework which can be applied to predict the progression of knee osteoarthritis but it only considers degenerative changes in the collagen fibril network. Here, we have developed the framework further by considering all of the major tissue changes (proteoglycan content, fluid flow, and collagen fibril network) occurring in osteoarthritis. While excessive levels of tissue stresses controlled degeneration of the collagen fibril network, excessive levels of tissue strains controlled the decrease in proteoglycan content and the increase in permeability. We created four knee joint models with increasing degrees of complexity based on the depth-wise composition. Models were tested for normal and abnormal, physiologically relevant, loading conditions in the knee. Finally, the predicted depth-wise compositional changes from each model were compared against experimentally observed compositional changes in vitro. The model incorporating the typical depth-wise composition of cartilage produced the best match with experimental observations. Consistent with earlier in vitro experiments, this model simulated the greatest proteoglycan depletion in the superficial and middle zones, while the collagen fibril degeneration was located mostly in the superficial zone. The presented algorithm can be used for predicting simultaneous collagen degeneration and proteoglycan loss during the development of knee osteoarthritis. © 2017 Orthopaedic Research Society. Published by Wiley Periodicals, Inc. J Orthop Res 36:1673-1683, 2018.