軟骨細胞微小環境の高解像度赤外線顕微鏡環境特性

赤外線分光法の横方向の解像度は、細胞に対する生化学的および生体力学的信号を調節する領域である細胞微小環境の正確な生化学的特性評価には不十分です。この研究では、この領域のコラーゲン含有量を特徴付ける高解像度のフーリエ変換赤外微小視鏡検査（HR-FTIR-MS）の能力を示します。具体的には、健康的および変形性関節症（OA）軟骨の軟骨細胞（軟骨細胞）微小環境のコラーゲン含有量に焦点を当てています。ヒト脛骨軟骨サンプル（n = 28）を7人の死体ドナーから採取し、OAの重症度（健康、初期のOA、進行OA）のために等級付けしました。HR-FTIR-MSを使用して、組織の深さにわたる5つの異なるゾーンの軟骨細胞微小環境のコラーゲン含有量を分析しました。HR-FTIR-MSは、軟骨細胞とその環境全体でコラーゲン含有量の分布を成功裏に示しました。ゾーン2および3（組織の厚さの10〜50％）では、細胞の近くの健康な組織（細胞皮領域）と比較して、初期OAのコラーゲン含有量がより小さく（P <0.05）ことを観察しました。コラーゲン含有量の損失は、進行したOA組織の細胞外マトリックスに拡張されました。軟骨細胞微小環境のコラーゲン含有量に、最も表面的な（0-10％）とディープゾーン（50-100％）のグループ間で有意差は観察されませんでした。HR-FTIR-MSは、進行性OAの細胞外マトリックスの検出可能な変化の前に、初期のOA軟骨周囲領域でコラーゲンの喪失を明らかにしました。HR-FTIR-MSベースの組成評価により、組織のOA関連の変化をよりよく理解することができます。この手法は、より良い介入戦略を可能にする新しい疾患メカニズムを特定するために使用できます。重要な声明：変形性関節症（OA）は、痛みと障害を引き起こす最も一般的な変性関節疾患です。OA研究では大きな進歩が遂げられていますが、OAの病因はまだよく理解されており、現在のOA治療は主に緩和的です。この研究は、高解像度のFTIR微小鏡検査（HR-FTIR-MS）が、細胞外マトリックスの組織変化が見かけの初期疾患段階での細胞微小環境（細胞間マトリックス）のOA誘導組成変化を特徴付けることができることを示しています。この手法により、新しいOAメカニズムの識別がさらに可能になり、OAの病因に関する現在の理解が向上し、より良い治療法の開発が可能になります。

The lateral resolution of infrared spectroscopy has been inadequate for accurate biochemical characterization of the cell microenvironment, a region regulating biochemical and biomechanical signals to cells. In this study, we demonstrate the capacity of a high-resolution Fourier transform infrared microspectroscopy (HR-FTIR-MS) to characterize the collagen content of this region. Specifically, we focus on the collagen content in the cartilage cell (chondrocyte) microenvironment of healthy and osteoarthritic (OA) cartilage. Human tibial cartilage samples (N = 28) were harvested from 7 cadaveric donors and graded for OA severity (healthy, early OA, advanced OA). HR-FTIR-MS was used to analyze the collagen content of the chondrocyte microenvironment of five distinct zones across the tissue depth. HR-FTIR-MS successfully showed collagen content distribution across chondrocytes and their environment. In zones 2 and 3 (10 - 50% of the tissue thickness), we observed that collagen content was smaller (P < 0.05) in early OA compared to the healthy tissue in the vicinity of cells (pericellular region). The collagen content loss was extended to the extracellular matrix in advanced OA tissue. No significant differences in the collagen content of the chondrocyte microenvironment were observed between the groups in the most superficial (0-10%) and deep zones (50-100%). HR-FTIR-MS revealed collagen loss in the early OA cartilage pericellular region before detectable changes in the extracellular matrix in advanced OA. HR-FTIR-MS-based compositional assessment enables a better understanding of OA-related changes in tissues. This technique can be used to identify new disease mechanisms enabling better intervention strategies. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: Osteoarthritis (OA) is the most common degenerative joint disease causing pain and disability. While significant progress has been made in OA research, OA pathogenesis is still poorly understood and current OA treatments are mainly palliative. This study demonstrates that high-resolution FTIR microspectroscopy (HR-FTIR-MS) can characterize OA-induced compositional changes in the cell microenvironment (pericellular matrix) during the early disease stages before tissue changes in the extracellular matrix become apparent. This technique may further enable the identification of new OA mechanisms and improve our current understanding of OA pathogenesis, thus, enabling the development of better treatment methods.