Changes in trabecular micro-architecture are key to our understanding of osteoporosis. Previous work focusing on structure model index (SMI) measurements have concluded that disease progression entails a shift from plates to rods in trabecular bone, but SMI is heavily biased by bone volume fraction. As an alternative to SMI, we proposed the Ellipsoid Factor (EF) as a continuous measure of local trabecular shape between plate-like and rod-like extremes. We investigated the relationship between EF distributions, SMI and bone volume fraction of the trabecular geometry in a murine model of disuse osteoporosis as well as from human vertebrae of differing bone volume fraction. We observed a moderate shift in EF median (at later disease stages in mouse tibia) and EF mode (in the vertebral samples with low bone volume fraction) towards a more rod-like geometry, but not in EF maximum and minimum. These results support the notion that the plate to rod transition does not coincide with the onset of bone loss and is considerably more moderate, when it does occur, than SMI suggests. A variety of local shapes not straightforward to categorise as rod or plate exist in all our trabecular bone samples.

Abstract Background The purpose of this study was to investigate growth plate dynamics in surgical and loading murine models of osteoarthritis, to understand whether abnormalities in these dynamics predict osteoarthritis vulnerability. Methods 8-week-old C57BL/6 male mice underwent destabilisation of medial meniscus (DMM) ( n = 8) surgery in right knee joints. Contralateral left knee joints had no intervention (controls). In 16-week-old C57BL/6 male mice ( n = 6), osteoarthritis was induced using non-invasive mechanical loading of right knee joints with peak force of 11N. Non-loaded left knee joints were internal controls. Chondrocyte transiency in tibial articular cartilage and growth plate was confirmed by histology and immunohistochemistry. Tibial subchondral bone parameters were measured using microCT and correlated to 3D GP bridging analysis. Results Higher expression of chondrocyte hypertrophy markers; Col10a1 and MMP13 were observed in tibial articular cartilage chondrocytes of DMM and loaded mice. In tibial growth plate, Col10a1 and MMP13 expressions were widely dispersed in a significantly enlarged zones of proliferative and hypertrophic chondrocytes in DMM ( p =0.002 and p <0.0001, respectively) and loaded (both p <0.0001) tibiae of mice compared to their controls. 3D quantification revealed enriched growth plate bridging and higher bridge densities in medial compared to lateral tibiae of DMM and loaded knee joints of the mice. Growth plate dynamics were associated with higher subchondral bone volume fraction (BV/TV; %) in medial tibiae of DMM and loaded knee joints and epiphyseal trabecular bone volume fraction in medial tibiae of loaded knee joints. Conclusions The results confirm articular cartilage chondrocyte transiency in a surgical and loaded murine model of osteoarthritis. Herein, we reveal for the first time spatial variation of growth plate bridging in surgical and loaded osteoarthritis models and how these may contribute to anatomical variation in vulnerability of osteoarthritis development.

ABSTRACT Patients with advanced chronic kidney disease (CKD) often present with skeletal abnormalities; a condition known as renal osteodystrophy (ROD). While Tissue-nonspecific alkaline phosphatase (TNAP) and PHOSPHO1 are recognized to be critical for bone mineralization, their role in the etiology of ROD is unclear. To address this, ROD was induced in both wild-type and Phospho1 knockout (P1KO) mice using dietary adenine supplementation. The mice presented with hyperphosphatemia, hyperparathyroidism, and elevated levels of FGF23 and bone turnover markers. In particular, we noted that in CKD mice, bone mineral density (BMD) was increased in cortical bone ( p < 0.05) but decreased in trabecular bone ( p < 0.05). These changes were accompanied by decreased TNAP ( p < 0.01) and increased PHOSPHO1 ( p < 0.001) expression in wild-type CKD bones. In P1KO CKD mice, the cortical BMD phenotype was rescued, suggesting that the increased cortical BMD of CKD mice was driven by increased PHOSPHO1 expression. Other structural parameters were also improved in P1KO CKD mice. We further investigated the driver of the mineralization defects, by studying the effects of FGF23, PTH, and phosphate administration on PHOSPHO1 and TNAP expression by primary murine osteoblasts. We found both PHOSPHO1 and TNAP expression to be down-regulated in response to phosphate and PTH. While matrix mineralization was increased with phosphate (Pi), it decreased with PTH and FGF23 had no effect. The in vitro data suggest that the TNAP reduction in CKD-MBD is driven by the hyperphosphatemia and/or hyperparathyroidism noted in these mice, while the higher PHOSPHO1 expression may be a compensatory mechanism in an attempt to protect the bone from hypomineralization. We propose that increased PHOSPHO1 expression in ROD may contribute to the disordered skeletal mineralization characteristic of this progressive disorder.

Ectopic lymphoid structures (ELSs) in the rheumatoid synovial joints sustain autoreactivity against locally expressed autoantigens. We recently identified recombinant monoclonal antibodies (RA-rmAbs) derived from single, locally differentiated rheumatoid arthritis (RA) synovial B cells, which specifically recognize fibroblast-like synoviocytes (FLSs). Here, we aimed to identify the specificity of FLS-derived autoantigens fueling local autoimmunity and the functional role of anti-FLS antibodies in promoting chronic inflammation. A subset of anti-FLS RA-rmAbs reacting with a 60 kDa band from FLS extracts demonstrated specificity for HSP60 and partial cross-reactivity to other stromal autoantigens (i.e., calreticulin/vimentin) but not to citrullinated fibrinogen. Anti-FLS RA-rmAbs, but not anti–neutrophil extracellular traps rmAbs, exhibited pathogenic properties in a mouse model of collagen-induced arthritis. In patients, anti-HSP60 antibodies were preferentially detected in RA versus osteoarthritis (OA) synovial fluid. Synovial HSPD1 and CALR gene expression analyzed using bulk RNA-Seq and GeoMx-DSP closely correlated with the lympho-myeloid RA pathotype, and HSP60 protein expression was predominantly observed around ELS. Moreover, we observed a significant reduction in synovial HSP60 gene expression followed B cell depletion with rituximab that was strongly associated with the treatment response. Overall, we report that synovial stromal-derived autoantigens are targeted by pathogenic autoantibodies and are associated with specific RA pathotypes, with potential value for patient stratification and as predictors of the response to B cell–depleting therapies.

Osteoarthritis (OA) is a whole joint disease that affects all joint tissues, with changes in the articular cartilage (AC), subchondral bone and synovium. Pathologies in menisci and ligaments, however, are rarely analysed, although both are known to play vital roles in the mechanical stability of the joint. The aim of our study was to describe the pathological changes in menisci and ligament during disease development in murine spontaneous and post-traumatic surgically-induced OA and to quantify tissue mineralisation in the joint space using microCT imaging during OA progression. Knees of Str/ort mice (spontaneous OA model; 26-40wks) and C57CBA F1 mice following destabilisation of medial meniscus (DMM) surgery (post-traumatic OA model; 8wks after DMM), were used to assess histological meniscal and ligament pathologies. Joint space mineralised tissue volume was quantified by microCT. Meniscal pathological changes in Str/ort mouse knees were associated with articular cartilage lesion severity. These meniscal changes included ossification, hyperplasia, cell hypertrophy, collagen type II deposition and SOX9 expression in the fibrous region near the attachment to the knee joint capsule. Anterior cruciate ligaments exhibited extracellular matrix changes and chondrogenesis particularly at the tibial attachment site, and ossification was seen in collateral ligaments. Similar changes were confirmed in the post-traumatic DMM model. microCT analysis showed increased joint space mineralised tissue volume with OA progression in both the post-traumatic and spontaneous OA models. Modifications in meniscal and ligament mineralisation and chondrogenesis are seen with overt AC degeneration in murine OA. Although the aetiology and the consequences of such changes remain unknown, they will influence stability and load transmission of the joint and may therefore contribute to OA progression. In addition, these changes may have important roles in movement restriction and pain, which represent major human clinical symptoms of OA. Description of such soft tissue changes, in addition to AC degradation, should be an important aspect of future studies in mouse models in order to furnish a more complete understanding of OA pathogenesis.

Abstract Many physiological, biomechanical, evolutionary and clinical studies that explore skeletal structure and function require successful separation of trabecular from cortical compartments of a bone that has been imaged by X-ray micro-computed tomography (microCT) prior to analysis. Separation is often time-consuming, involves user bias and needs manual sub-division of these two similarly radio-opaque compartments. We have developed an objective, automated protocol which reduces user bias and enables straightforward, user-friendly segmentation of trabecular from cortical bone without requiring sophisticated programming expertise. This method can conveniently be used as a “recipe” in commercial programmes (Avizo herein) and applied to a variety of datasets. Here, we characterise and share this recipe, and demonstrate its application to a range of murine and human bone types, including normal and osteoarthritic specimens, and bones with distinct embryonic origins and spanning a range of ages. We validate the method by testing inter-user bias during the scan preparation steps and confirm utility in the architecturally challenging analysis of growing murine epiphyses. We also report details of the recipe, so that other groups can readily re-create a similar method in open access programs. Our aim is that this method will be adopted widely to create a more standardized and time efficient method of segmenting trabecular and cortical bone.