マイクロコンピューター断層撮影のカチオン性タンタル酸化物ナノ粒子造影剤は、関節軟骨プロテオグリカン分布とコラーゲンアーキテクチャの変化を明らかにしています

目的：カチオン性酸化物ナノ粒子（Ta2O5-CNP）は、軟骨のコンピューター断層撮影のために新しく導入された造影剤として、プロテオグリカン（PG）含有量と生体力学的特性の定量的評価を提供します。ただし、ナノ粒子拡散、特にコラーゲンネットワークの影響に対する軟骨成分の深さごとの影響に関する知識は不足しています。この研究では、TA2O5-CNP拡散成分と軟骨成分（PG含有量、コラーゲン含有量、ネットワークアーキテクチャ）の間の深さ依存関係を確立することを目指しています。 方法：骨軟骨サンプル（n = 30）を健康な馬窒息関節（n = 15）から採取し、直径2.55 nmのカチオン性TA2O5-CNPの拡散を軟骨に拡散し、最大96時間のマイクロコンピューター断層撮影（µCT）イメージングを続けました。。拡散関連のパラメーターであるTA2O5-CNP最大パーティション（PMAX）および拡散時定数は、生体力学的および深さごとの構造特性と比較されました。バイオメカニクスは、ストレス緩和と正弦波負荷プロトコルを使用して評価されましたが、PG含有量、コラーゲン含有量、コラーゲンネットワークアーキテクチャは、それぞれデジタル濃度測定、フーリエ変換赤外線分光法、偏光顕微鏡を使用して決定されました。 結果：PMAXは、PGSの深さごとの分布と相関しています（バルクスピアマンのρ= 0.87、p <0.001）。表面ゾーンでのオープンコラーゲンネットワークアーキテクチャは、TA2O5-CNPの摂取量を促進しますが、コラーゲンの含有量は全体的に摂取量を減少させます。PMAX値は、関節軟骨の平衡弾性率（ρ= 0.80、p <0.001）と相関しています。 結論：この研究は、造影剤強化µCTを介した関節軟骨の生体力学的および構造的変化の正確かつ包括的な識別に対するTA2O5-CNPの実現可能性を確立します。

OBJECTIVE: Cationic tantalum oxide nanoparticles (Ta2O5-cNPs), as a newly introduced contrast agent for computed tomography of cartilage, offer quantitative evaluation of proteoglycan (PG) content and biomechanical properties. However, knowledge on the depth-wise impact of cartilage constituents on nanoparticle diffusion, particularly the influence of the collagen network, is lacking. In this study, we aim to establish the depth-dependent relationship between Ta2O5-cNP diffusion and cartilage constituents (PG content, collagen content and network architecture). METHODS: Osteochondral samples (n = 30) were harvested from healthy equine stifle joints (N = 15) and the diffusion of 2.55 nm diameter cationic Ta2O5-cNPs into the cartilage was followed with micro computed tomography (µCT) imaging for up to 96 hours. The diffusion-related parameters, Ta2O5-cNP maximum partition (Pmax) and diffusion time constant, were compared against biomechanical and depth-wise structural properties. Biomechanics were assessed using stress-relaxation and sinusoidal loading protocols, whereas PG content, collagen content and collagen network architecture were determined using digital densitometry, Fourier-transform infrared spectroscopy and polarized light microscopy, respectively. RESULTS: The Pmax correlates with the depth-wise distribution of PGs (bulk Spearman's ρ = 0.87, p < 0.001). More open collagen network architecture at the superficial zone enhances intake of Ta2O5-cNPs, but collagen content overall decreases the intake. The Pmax values correlate with the equilibrium modulus (ρ = 0.80, p < 0.001) of articular cartilage. CONCLUSION: This study establishes the feasibility of Ta2O5-cNPs for the precise and comprehensive identification of biomechanical and structural changes in articular cartilage via contrast-enhanced µCT.