Abstract. Objective: Knee osteoarthritis (OA) is an increasingly relevant joint disease affecting mostly aged population in developed countries. However, there is currently no treatment for OA and increasing the knowledge of the disease with the help of micro-computed tomography (µCT) imaging could offer help in finding the solution. The objective of this thesis was to quantitatively analyze the microstructural organization of human posterior horn meniscus samples in 3D using hexamethyldisilazane (HMDS) based µCT imaging. In addition, this study aims to compare the local microstructural organization of meniscus between OA patients and healthy references.
Method: We collected medial and lateral posterior horns of human menisci from 10 endstage medial compartment knee OA patients undergoing total knee replacement surgery and from 10 deceased donors without diagnosed knee OA to act as healthy reference. The posterior horns were dissected and fixed in formalin, dehydrated in ascending alcohol concentrations, treated with HMDS, and scanned with a desktop µCT. Furthermore, we performed local orientation analysis of collagenous microstructure in 3D to all samples, by calculating local structure tensors from greyscale gradients withing a selected integration window to determine the polar angle for each voxel. Moreover, distribution of angles and mean estimated average angles were statistically compared.
Results: Collagen fiber bundles in HMDS-treated meniscal samples were depicted in 3D using µCT. In the quantitative local orientation analysis, medial OA had overall lowest orientation angles compared to all other groups: mean estimated differences versus medial OA were -24° [95%CI -31°, -18°] in medial donor, -25° [95%CI -34°, -15°] in lateral OA, and -25° [95%CI -35°, -16°] in lateral donor groups. Distribution and mean angles between lateral OA and lateral donor menisci were similar with a mean difference of 2°.
Conclusions: In this study, we were able to quantitatively analyze collagen fiber bundles and their orientations in 3D in the posterior horn of human meniscus using HMDS-based µCT imaging. Furthermore, collagen disorganization increased in the medial OA meniscus, suggesting a relationship between collagenous microstructure disorganization and meniscus degradation.Ihmisen nivelkierukan takasarven kollageenisäiekimppujen kolmi-ulotteinen lokaaliorientaatioanalyysi mikrotietokonetomografian avulla. Tiivistelmä. Tarkoitus: Nivelrikko on yleinen sairaus vanhenevassa yhteiskunnassa, mutta sairauden monimuotoisuuden vuoksi sen hoitaminen on vaikeaa. Sairauden vahvempi ymmärtäminen voisi auttaa hoidon kehittämisessä sairautta vastaan. Tämän pro gradu -tutkielman tavoitteena oli analysoida kvantitatiivisesti ihmisen nivelkierukkanäytteiden mikrorakenteiden orientaatiota kolmiulotteisesti käyttäen heksametyylidisilatsaaniin (HMDS) perustuvaa näytteenkäsittelytekniikkaa mikrotietokonetomografiakuvantamisessa (µCT). Lisäksi tässä työssä verrataan kierukan lokaalimikrorakenneorganisaatiota nivelrikkoisten potilaiden ja terveiden verrokkien välillä.
Menetelmä: Keräsimme mediaali- ja lateraalipuolen nivelkierukan takasarvet kymmeneltä nivelrikon loppuvaiheen potilaalta, joille tehtiin polven tekonivelleikkaus, ja 10 menehtyneeltä oikeuslääketieteen potilaalta, joilla ei ollut diagnosoitua polven nivelrikkoa. Nivelkierukoiden posterioriset sarvet leikattiin, käsiteltiin formaliinilla, kuivattiin nousevissa etanolipitoisuuksissa, käsiteltiin HMDS:llä ja kuvattiin µCT-laitteella. Lisäksi teimme näytteille kolmiulotteisen orientaatioanalyysin, jolla mitataan näytteiden kollageenisen mikrorakenteen orientaatiota. Analyysi laskee µCT-kuvien harmaasävygradienttien avulla jokaiselle vokselille paikallisen rakennetensorin, joiden purkamisesta saadaan laskettua vokselin anisotropian määrä ja sen pienimmän vektorin suunta. Pienin arvo ja sen suunta voidaan määrittää vokselin pääasialliseksi orientaatioksi. Kulmien jakautumista ja keskimääräisiä kulmia verrattiin tilastollisesti terveiden ja nivelrikkopotilaiden mediaali- ja lateraalipuolten välillä.
Tulokset: Nivelkierukan kollageenikimput kuvattiin kolmiulotteisesti µCT:llä käyttäen HMDS-käsiteltyjä nivelkierukkanäytteitä. Kvantitatiivisessa orientaatioanalyysissä todettiin mediaalipuolen nivelrikkoisilla nivelkierukoilla yleisesti enemmän disorganisaatiota kaikkiin muihin ryhmiin verrattuna: mediaalipuolen nivelrikkoryhmässä orientaatioiden ero verrattuna mediaaliverrokkiryhmään oli -24° [95%CI -31°, -18°], -25° [95%CI -34°, -15°] verrattuna lateraalipuolen nivelrikkoryhmään ja -25° [95%CI -35°, -16°] verrattuna lateraalipuolen luovuttajaryhmän välillä. Lisäksi lateraalipuolen luovuttaja- ja lateraalipuolen nivelrikkoryhmän välillä kulmien jakauma ja keskiarvo olivat samanlaiset keskimäärisen eron ollessa 2°.
Johtopäätökset: Tässä tutkimuksessa onnistuimme kuvaamaan ihmisen nivelkierukan kollageenikimput sekä kvantitatiivisesti analysoimaan niiden kolmiulotteista orientaatiota käyttäen HMDS-pohjaista µCT-kuvantamista. Lisäksi kollageenin disorganisaatio oli suurin mediaalipuolen nivelrikkoisessa nivelkierukassa, mikä viittaa kollageenisen mikrorakenteen disorganisaatioon ja nivelkierukan degeneraation väliseen vahvaan suhteeseen
