Abstract

Osteoarthritis (OA) is the most common joint disease that causes disability in the adult population. While the etiology and pathogenesis of OA remain unclear, it is now commonly accepted that the entire joint is affected by OA. The deep zone of hyaline articular cartilage, calcified cartilage, and cortical subchondral bone plate form the osteochondral junction that is specially adapted to transferring loads during weight-bearing and joint motion. Although the OA-related changes in articular cartilage and subchondral trabecular bone have been extensively studied, the changes in the osteochondral junction, especially in the calcified cartilage, remain under explored. Calcified cartilage is a relatively thin tissue layer and has a similar mineral phase to the underlying bone. Hence, it is a major challenge to quantitively study calcified cartilage separately from the whole osteochondral junction, due to the limitations in spatial resolution and the contrast of current microscopic imaging modalities. Therefore, this doctoral dissertation aims to study the biochemical composition, mineral crystal structure, micromechanical and structural properties of calcified cartilage, and the subchondral bone plate in healthy and osteoarthritic knee joints in vitro. Raman microspectroscopy was used to investigate biochemical composition from unfixed and fully hydrated human osteochondral specimens. State-of-the-art micro-focus small-angle X-ray scattering (μSAXS) measurements were performed to map the mineral crystal thickness across the junction. Finally, a bovine patella model was utilized to explore the micromechanical changes in the junction as a function of degeneration and associate these changes with site-specific microstructure. Results show that calcified cartilage had a higher degree of mineralization, with thicker mineral crystals having greater stoichiometric perfection in a proteoglycan-rich matrix than underlying bone. The alterations in the degree of mineralization, type-B carbonate substitutions, mineral crystal thickness, tissue stiffness, and microstructure in both calcified cartilage and subchondral bone plate were observed during OA development. Some of these changes were found to occur at the very early stages of OA. In conclusion, this study shows that both mineralized tissues at the osteochondral junction undergo marked alterations during the evolution of OA, contributing to our current understanding of OA.

Tiivistelmä

Nivelrikko on aikuisväestön yleisin invalidoiva nivelsairaus. Nivelrikon tarkkaa syntytapaa ei edelleenkään tiedetä, mutta nykyisin on yleisesti hyväksytty, että nivelrikko vaikuttaa kaikkiin nivelen kudoksiin. Nivelessä sijaitseva luu-rustorajapinta muodostuu hyaliiniruston pohjakerroksen, kalkkeutuneen ruston ja rustonalaisen luun yhdistelmästä. Luu-rustorajapinnan rooli on välittää mekaanista kuormitusta rustosta luuhun nivelen liikkuessa. Nivelruston ja sen alaisen luun kudosmuutoksia nivelrikon eri vaiheissa on tutkittu laajasti, mutta luu-rustorajapinnan — erityisesti kalkkeutuneen ruston — kudosmuutoksia nivelrikon aikana on tutkittu vain vähän. Kalkkeutunut rusto on ohut kudoskerros, jossa on myös mineraalifaasi samoin kuin alla olevassa luukudoksessa. Tämä tekee kalkkeutuneen ruston kvantitatiivisesta tutkimisesta hankalaa, koska luun ja kalkkeutuneen ruston erottaminen on vaikeaa mikroskooppisten kuvantamismenetelmien rajoittuneen kontrastin ja erotuskyvyn vuoksi. Tässä väitöskirjassa tutkittiin nivelrikkoisen ja terveen kalkkeutuneen ruston biokemiallista koostumusta, mikrorakennetta sekä mikromekaanisia ominaisuuksia. Ihmisestä saatuja tuoreita ja käsittelemättömiä luu-rustonäytteitä tutkittiin aluksi Raman-mikroskopialla, jonka perusteella kartoitettiin niiden biokemiallista koostumusta eri kohdissa kudosta. Mineraalikristalleja analysoitiin pienkulmaröntgensironnan avulla, jolla pystyttiin kartoittamaan kristallien paksuutta koko luu-rustorajapinnan alueelta. Tutkimuksessa käytettiin myös naudan polvilumpiosta otettuja näytteitä, joiden avulla tutkittiin luu-rustorajapinnan mikromekaanisia muutoksia nivelrikon eri kehitysvaiheissa. Lisäksi tutkittiin mikromekaanisten muutoksien ja mikrorakenteen muutoksien välistä yhteyttä toisiinsa. Tulokset osoittavat, että kalkkeutuneessa rustossa on luuhun verrattuna korkeampi mineralisoitumisen aste, paksummat ja stoikiometrisesti täydellisemmät mineraalikristallit, sekä suurempi proteoglykaanipitoisuus. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin selkeitä muutoksia mineralisaation määrässä, tyypin B karbonaattisubstituutiossa, mineraalikristallien paksuudessa, kudoksen jäykkyydessä sekä mikrorakenteessa nivelrikon kehittyessä. Osa muutoksista havaittiin hyvin varhaisessa nivelrikon kehitysvaiheessa. Tässä väitöskirjassa saatiin tärkeää uutta tietoa siitä, että luu-rustorajapinnnassa tapahtuu merkittäviä muutoksia nivelrikon kehittyessä. Tämä lisää nykyistä tietämystämme nivelrikon etiologiasta.