AimTo describe a histologic scoring system for murine osteoarthritis (OA) that can be applied universally to instability, enzymatic, transgenic and spontaneous OA models.MethodsScientists with expertise in assessing murine OA histopathology reviewed the merits and drawbacks of methods described in the literature. A semi-quantitative scoring system that could reasonably be employed in any basic cartilage histology laboratory was proposed. This scoring system was applied to a set of 10 images of the medial tibial plateau and femoral condyle to yield 20 scores. These images were scored twice by four experienced scorers (CL, SG, MC, TA), with a minimum time interval of 1 week between scores to obtain intra-observer variability. An additional three novice scorers (CR, CL and MM) with no previous experience evaluated the images to determine the ease of use and reproducibility across laboratories.ResultsThe semi-quantitative scoring system was relatively easy to apply for both experienced and novice scorers and the results had low inter- and intra-scorer variability. The variation in scores across both the experienced and novice scorers was low for both tibia and femur, with the tibia always having greater consistency.ConclusionsThe semi-quantitative scoring system recommended here is simple to apply and required no specialized equipment. Scoring of the tibial plateaus was highly reproducible and more consistent than that of the femur due to the much thinner femoral cartilage. This scoring system may be a useful tool for both new and experienced scorers to sensitively evaluate models and OA mechanisms, and also provide a common paradigm for comparative evaluation across the many groups performing these analyses.

Abstract Objective To investigate the role of matrix metalloproteinase 13 (MMP‐13; collagenase 3) in osteoarthritis (OA). Methods OA was surgically induced in the knees of MMP‐13–knockout mice and wild‐type mice, and mice were compared. Histologic scoring of femoral and tibial cartilage aggrecan loss (0–3 scale), erosion (0–7 scale), and chondrocyte hypertrophy (0–1 scale), as well as osteophyte size (0–3 scale) and maturity (0–3 scale) was performed. Serial sections were stained for type X collagen and the MMP‐generated aggrecan neoepitope DIPEN. Results Following surgery, aggrecan loss and cartilage erosion were more severe in the tibia than femur ( P < 0.01) and tibial cartilage erosion increased with time ( P < 0.05) in wild‐type mice. Cartilaginous osteophytes were present at 4 weeks and underwent ossification, with size and maturity increasing by 8 weeks ( P < 0.01). There was no difference between genotypes in aggrecan loss or cartilage erosion at 4 weeks. There was less tibial cartilage erosion in knockout mice than in wild‐type mice at 8 weeks ( P < 0.02). Cartilaginous osteophytes were larger in knockout mice at 4 weeks ( P < 0.01), but by 8 weeks osteophyte maturity and size were no different from those in wild‐type mice. Articular chondrocyte hypertrophy with positive type X collagen and DIPEN staining occurred in both wild‐type and knockout mouse joints. Conclusion Our findings indicate that structural cartilage damage in a mouse model of OA is dependent on MMP‐13 activity. Chondrocyte hypertrophy is not regulated by MMP‐13 activity in this model and does not in itself lead to cartilage erosion. MMP‐13 deficiency can inhibit cartilage erosion in the presence of aggrecan depletion, supporting the potential for therapeutic intervention in established OA with MMP‐13 inhibitors.

Degradation of the large cartilage proteoglycan aggrecan in arthritis involves an unidentified enzyme aggrecanase, and at least one of the matrix metalloproteinases. Proteinase-sensitive cleavage sites in the aggrecan interglobular domain (IGD) have been identified for many of the humman MMPs, as well as for aggrecanase and other proteinases. The major MMP expressed by chondrocytes stimulated with retinoic acid to degrade their matrix is collagenase-3 or MMP-13. Because of its potential role in aggrecan degradation we examined the specificity of MMP-13 for an aggrecan substrate. The results show that MMP-13 cleaves aggrecan in the IGD at the same site (..PEN314-FFG..) identified for other members of the MMP family, and also at a novel site ..VKP384-VFE.. not previously observed for other proteinases.

Abstract GSH peroxidase has been purified approximately 2500-fold from pig's blood. With cumene hydroperoxide as substrate, kinetic analysis on the purified enzyme gave nonlinear Lineweaver-Burk plots for the hydroperoxide substrate. Linear Lineweaver-Burk plots were obtained for GSH and a limiting Km value of approximately 3 mm was obtained for GSH. A limited analysis of the rate data has been carried out and a tentative mechanism for GSH peroxidase is given. A wide range of nucleotides inhibited the enzyme, with pyrimidine nucleotides being the most effective. Also, the inhibitory effectiveness increased with the number of phosphate groups in the nucleotide. Nucleotide inhibition was competitive with respect to GSH whereas increased levels of hydroperoxide enhanced the inhibition. The sensitivity of the enzyme to nucleotide inhibition could be substantially decreased by x-ray, ethanol, or trypsin treatment, or aging with a lesser decrease of catalytic activity. Conversely, heat, p-chloromercuribenzoate, or sodium lauryl sulfate preferentially abolished the catalytic function with a lesser effect on the nucleotide response. It was concluded that nucleotides interact with the enzyme at a site other than the active center and hence that GSH peroxidase is an allosteric enzyme.

Synovial pathology has been linked to osteoarthritis (OA) pain in patients. Microscopic grading systems for synovial changes in human OA have been described, but a standardized approach for murine models of OA is needed. We sought to develop a reproducible approach and set of minimum recommendations for reporting of synovial histopathology in mouse models of OA.

Background: Methodological heterogeneity hinders data comparisons across isolated studies of tendon and ligament properties, limiting clinical understanding and affecting the development and evaluation of replacement materials. Purpose: To create an open-access data set on the morphological, biomechanical, and biochemical properties of clinically important tendons and ligaments of the lower limb, using consistent methodologies, to enable direct tendon/ligament comparisons. Study Design: Descriptive laboratory study. Methods: Nineteen distinct lower limb tendons and ligaments were retrieved from 8 fresh-frozen human cadavers (5 male, 3 female; aged 49-65 years) including Achilles, tibialis posterior, tibialis anterior, fibularis (peroneus) longus, fibularis (peroneus) brevis, flexor hallucis longus, extensor hallucis longus, plantaris, flexor digitorum longus, quadriceps, patellar, semitendinosus, and gracilis tendons; anterior cruciate, posterior cruciate, medial collateral, and lateral collateral ligaments; and 10 mm–wide grafts from the contralateral quadriceps and patellar tendons. Outcomes included morphology (tissue length, ultrasound-quantified cross-sectional area [CSA US ], and major and minor axes), biomechanics (failure load, ultimate tensile strength [UTS], failure strain, and elastic modulus), and biochemistry (sulfated glycosaminoglycan [sGAG] and hydroxyproline contents). Tissue differences were analyzed using mixed-model regression. Results: There was a range of similarities and differences between tendons and ligaments across outcomes. A key finding relating to potential graft tissue suitability was the comparable failure loads, UTS, CSA US , sGAG, and hydroxyproline present between hamstring tendons (a standard graft source) and 5 tendons not typically used for grafting: fibularis (peroneus) longus and brevis, flexor and extensor hallucis longus, and flexor digitorum longus tendons. Conclusion: This study of lower limb tendons and ligaments has enabled direct comparison of morphological, biomechanical, and biochemical human tissue properties—key factors in the selection of suitable graft tissues. This analysis has identified 6 potential new donor tissues with properties comparable to currently used grafts. Clinical Relevance: This extensive data set reduces the need to utilize data from incompatible sources, which may aid surgical decisions (eg, evidence to expand the range of tendons considered suitable for use as grafts) and may provide congruent design inputs for new biomaterials and computational models. The complete data set has been provided to facilitate further investigations, with the capacity to expand the resource to include additional outcomes and tissues.

Abstract Osteoarthritis (OA) is a leading cause of chronic pain and disability, for which there is no cure. Mesenchymal stromal cells (MSCs) have been used in clinical trials for treating OA due to their unique functions to send paracrine anti-inflammatory and trophic signals. Interestingly, these studies have shown mainly short-term effects of MSCs in improving pain and joint function, rather than sustained and consistent benefits. This may reflect a change or loss in the therapeutic effects of MSCs after intra-articular injection. This study aimed to unravel the reasons behind the variable efficacy of MSC injections for OA using an in vitro co-culture model. Osteoarthritic human synovial fibroblasts (OA-HSFs) exposed to MSCs showed short-term downregulation of pro-inflammatory and pro-catabolic genes, but the MSCs showed upregulation of pro-inflammatory genes and impaired ability to undergo osteogenesis and chondrogenesis in the presence of OA-HSFs. Moreover, short-term exposure of OA-HSFs to MSCs was insufficient for inducing sustained changes to their diseased behaviour. These findings suggest MSCs may not provide long-term effects in correcting the OA joint environment due to adopting the diseased phenotype of the surrounding tissues, which have important implications in the future development of effective stem cell-based OA treatments with long-term therapeutic efficacy.

Background: Synovial pathology has been linked to osteoarthritis (OA) pain in patients. Microscopic grading systems for synovial changes in human OA have been described, but a standardized approach for murine models of OA is needed. We sought to develop a reproducible approach and set of minimum recommendations for synovial histopathology in mouse models of OA. Methods: Coronal and sagittal sections from male mouse knee joints subjected to destabilization of medial meniscus (DMM) or partial meniscectomy (PMX) were collected as part of other studies. Stains included Hematoxylin and Eosin (H&E), Toluidine Blue (T-Blue) and Safranin O/Fast Green (Saf-O). Four blinded readers graded pathological features (hyperplasia, cellularity, and fibrosis) at specific anatomic locations in the medial and lateral compartments. Inter-reader reliability of each feature was determined. Results: There was acceptable to very good agreement between raters. After DMM, increased hyperplasia and cellularity and a trend towards increased fibrosis were observed 6 weeks after DMM in the medial locations, and persisted up to 16 weeks. In the PMX model, cellularity and hyperplasia were evident in both medial and lateral compartments while fibrotic changes were largely seen on the medial side. Synovial changes were consistent from section to section in the mid-joint area mice. H&E, T-blue, and Saf-O stains resulted in comparable reliability. Conclusions: To allow for a standard evaluation that can be implemented and compared across labs and studies, we recommend using 3 readers to evaluate a minimum set of 3 pathological features at standardized anatomic areas. Pre-defining areas to be scored, and reliability for each pathologic feature should be considered.

Osteoarthritis (OA), which carries an enormous disease burden across the world, is characterised by irreversible degeneration of articular cartilage (AC), and subsequently bone. The cellular cause of OA is unknown. Here, using lineage tracing in mice, we show that the BMP-antagonist Gremlin 1 (Grem1) marks a novel chondrogenic progenitor (CP) cell population in the articular surface that generates joint cartilage and subchondral bone during development and adulthood. Notably, this CP population is depleted in injury-induced OA, and with age. OA is also induced by toxin-mediated ablation of Grem1 CP cells in young mice. Transcriptomic analysis and functional modelling in mice revealed articular surface Grem1-lineage cells are dependent on Foxo1; ablation of Foxo1 in Grem1-lineage cells led to early OA. This analysis identified FGFR3 signalling as a therapeutic target, and injection of its activator, FGF18, caused proliferation of Grem1-lineage CP cells, increased cartilage thickness, and reduced OA pathology. We propose that OA arises from the loss of CP cells at the articular surface secondary to an imbalance in progenitor cell homeostasis and present a new progenitor population as a locus for OA therapy.