赤外線減衰総反射分光法を介したヒトメニスピ変性の分析

ヒトの半月板組織の変性は、正常な膝関数の障害を誘発し、膝関節裂傷と変形性関節症の非常に関連性の高い病因です。現在、メニスカス変性のグレーディングスケールは、メニスカルの形態と組織学的染色の評価から従来で導き出されています。ただし、中赤層減衰総反射率（IR-ATR）分光法は、サンプル表面の生体分子組成を分析し、分子内および/または分子間の化学結合に関する情報を提供する特に有用な手法です。本研究では、異なるグレードの変性等度の61の凍結乾燥ヒトメニスピサンプルを、ラベルフリーの方法でIR-ATR分光法を介して分析し、データはガウスピークフィッティングと2D相関分析を介して評価されました。半月板変性（つまり、グレード1から4）の増加と、グレード4での石灰化とともに、関連するIRスペクトルでアミドI帯域（1700-1600 cm-1）の明らかな青いシフトが観察されました。さらに、ガウスピークフィッティングにより、適合サブピークの有意な面積分散が明らかになりました。2D相関スペクトルは、変性プロセス中にアミドI帯域の詳細な変化にさらなるアクセスを提供しました。アミドI帯域内のタンパク質二次構造情報、およびメニスカルコラーゲンの三重らせん構造、メニスカス変性中の青いシフトおよびピーク面積の変化は、進化する変性中のコラーゲン線維形成を示しています。。さらに、特に石灰化を伴う変性メニスチのための水結合プロテオグリカンとコラーゲンネットワークの分解が観察されました。結果は、コラーゲン - コンドロチン硫酸混合モデルと比較され、コラーゲンフィブリルとプロテオグリカンの観察された変化を確認しました。要約すると、この研究では、分子レベルの詳細で半月板組織変性プロセスへのアクセスを提供する多用途ツールとしてIR-ATR分光法の有用性を確認し、将来の可能性は軟骨変性を分析するための有用な診断器具に進化します。

Degeneration of human meniscal tissue induces impairment of normal knee functions, and is a highly relevant etiology of knee joint tears and osteoarthritis. Currently, the grading scale of meniscus degeneration is conventionally derived from evaluating meniscal morphology and histological staining. However, mid-infrared attenuated total reflectance (IR-ATR) spectroscopy is a particularly useful technique that may analyze the biomolecular composition at a sample surface, and provide information on the intra- and/or inter-molecular chemical bonds. In the present study, 61 lyophilized human menisci samples at different grades of degeneration were analyzed via IR-ATR spectroscopy in a label-free fashion, and the data were evaluated via Gaussian peak fitting and 2D correlation analysis. During increasing meniscal degeneration (i.e., grade 1 to 4) along with calcification at grade 4, an evident blue shift of the amide I band (1700-1600 cm-1) was observed in the associated IR spectra. In addition, Gaussian peak fitting revealed significant area variance of the fitted sub-peaks. 2D correlation spectra provided further access to detailed changes of the amide I band during the degeneration process. Derived from this multi-tiered data analysis taking into account the protein secondary structure information within the amide I band, and the triple helical structure of meniscal collagen, the blue shift and peak area changes during meniscus degeneration are indicative of collagen fibril formation during evolving degeneration. Furthermore, a degradation of the water-binding proteoglycan and collagen network especially for degenerated menisci with calcification was observed. Results were compared with a collagen-chondroitin sulphate mixture model, confirming the observed changes in collagen fibrils and proteoglycans. In summary, this study confirms the utility of IR-ATR spectroscopy as a versatile tool providing access to meniscal tissue degeneration processes at molecular level detail, and may in future evolve into a useful diagnostic instrument for analyzing cartilage degeneration.