Proteomic and biomechanical properties of human menisci related to osteoarthritis
(2021) BMEM01 20211Department of Biomedical Engineering
- Abstract
- Osteoarthritis is the most common form of arthritis and is expected to become even more prevalent worldwide with an increasingly older and more obese population. The degenerative joint disease, causing pain, swelling and stiffness in the joints, has a complex etiology and knowledge of the pathophysiological mechanisms is still limited. Recent studies have however reported that the meniscus plays an important role in the development of knee osteoarthritis.
The aim of this study was to gain new insight in knee osteoarthritis by implementing a multidisciplinary approach to study meniscal degradation. Thus, we specifically aimed to examine if there is an association between the protein content of a meniscus and its biomechanical properties.... (More) - Osteoarthritis is the most common form of arthritis and is expected to become even more prevalent worldwide with an increasingly older and more obese population. The degenerative joint disease, causing pain, swelling and stiffness in the joints, has a complex etiology and knowledge of the pathophysiological mechanisms is still limited. Recent studies have however reported that the meniscus plays an important role in the development of knee osteoarthritis.
The aim of this study was to gain new insight in knee osteoarthritis by implementing a multidisciplinary approach to study meniscal degradation. Thus, we specifically aimed to examine if there is an association between the protein content of a meniscus and its biomechanical properties.
Menisci from healthy and arthritic knees, both medial and lateral, were subjected to proteomic and biomechanical testing. 50 samples were prepared for mass spectrometry (QExactiveHFX) and for an unconfined compression test, 12 lateral menisci were selected. The protein content was obtained in the proteomic experiment whereas the elastic and aggregate modulus among other parameters could be calculated through the mechanical testing.
Results from the proteomic analysis of this study showed that medial menisci are more affected by osteoarthritis than lateral. Analysis of protein content presented an overall down regulation of glycoproteins and proteins involved in cell interaction in menisci from arthritic knees. The proteins CAH1, collagen type III and CILP2 were, among others, exhibited at higher levels in menisci from arthritic knees than healthy knees. These proteomic findings could not be connected to the biomechanical properties as these results showed no significant differences between healthy and osteoarthritic lateral menisci. Material modelling was performed using a Generalized Maxwell model and the biomechanical results showed a consistent increase in elastic modulus with increasing strain levels.
As the findings from this project showed that the medial menisci are more affected by osteoarthritis than the lateral, future biomechanical experiments and research should focus on medial menisci. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Protein- och mekanikanalys av menisken vid knäledsartros
Artros drabbar var fjärde svensk över 45 år. Kunskap om hur och varför artros uppstår är fortfarande begränsad och det finns ingen bot mot sjukdomen. Vi har därför ägnat vårt examensarbete åt att forska på knäledsartros genom att undersöka hur menisker från artrosdrabbade knän skiljer sig från friska.
Menisken är en broskskiva vars huvudfunktion är att dämpa stötar och utjämna trycket i knäleden. I varje knä finns två menisker, en lateral och en medial. Vid artros bryts brosket ner och försämrar dess funktion vilket ofta leder till smärta och inflammation. Det är viktigt att diagnostisera artros så tidigt som möjligt för att kunna bromsa och behandla sjukdomen.
Eftersom... (More) - Protein- och mekanikanalys av menisken vid knäledsartros
Artros drabbar var fjärde svensk över 45 år. Kunskap om hur och varför artros uppstår är fortfarande begränsad och det finns ingen bot mot sjukdomen. Vi har därför ägnat vårt examensarbete åt att forska på knäledsartros genom att undersöka hur menisker från artrosdrabbade knän skiljer sig från friska.
Menisken är en broskskiva vars huvudfunktion är att dämpa stötar och utjämna trycket i knäleden. I varje knä finns två menisker, en lateral och en medial. Vid artros bryts brosket ner och försämrar dess funktion vilket ofta leder till smärta och inflammation. Det är viktigt att diagnostisera artros så tidigt som möjligt för att kunna bromsa och behandla sjukdomen.
Eftersom sjukdomen sällan påvisar symtom i ett tidigt stadium och diagnostik är komplicerad så finns det ett stort behov av att kunna detektera artros mer effektivt än vad som är möjligt idag. För att nå dit behövs mer kunskap om biomarkörer och sjukdomsutvecklingen. Genom att undersöka hur meniskens proteinsammansättning och mekaniska egenskaper påverkas vid knäledsartros hoppas vi kunna bidra med en viktig pusselbit inom artrosforskningen.
Examensarbetet genomfördes i två delar. Sammanlagt hade vi tillgång till 50 menisker, 20 från friska knän och 30 från knän med artros. Den första delen gick ut på att identifiera och analysera proteininnehållet från alla menisker. Detta gjordes med hjälp av masspektrometri vilket är en analysmetod som separerar joner i det undersökta ämnet baserat på deras förhållande mellan massa och laddning. Därefter genomfördes mekaniska kompressionstester på sex sjuka och sex friska laterala menisker för att fastställa meniskens biomekaniska egenskaper.
Våra resultat visar att det finns en signifikant proteinvariation mellan menisker från artrosknän jämfört med menisker från friska knän. Utifrån våra biomekaniska experiment fann vi ingen skillnad i egenskaperna mellan de friska och artrosdrabbade meniskerna. Detta kan bero på att vi endast hade möjlighet att utföra tester på laterala menisker vilka i regel påverkas mindre av artros.
De proteinvariationerna vi upptäckte mellan friska och artrosdrabbade menisker ger hopp om att i framtiden kunna identifiera eventuella biomarkörer och därmed upptäcka artros i ett tidigare stadium. För att kunna koppla samman de upptäckta skillnaderna i proteinsammansättning till de biomekaniska egenskaperna i meniskerna föreslår vi att fortsatta studier bör fokusera på de mediala meniskerna. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9048732
- author
- Gehrisch, Kristina LU and Månsson, Lykke LU
- supervisor
-
- Neserin Ali LU
- Hanna Isaksson LU
- Martin Englund LU
- organization
- course
- BMEM01 20211
- year
- 2021
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- language
- English
- additional info
- 2021-07
- id
- 9048732
- date added to LUP
- 2021-06-15 10:44:51
- date last changed
- 2021-06-15 10:44:51
@misc{9048732,
abstract = {{Osteoarthritis is the most common form of arthritis and is expected to become even more prevalent worldwide with an increasingly older and more obese population. The degenerative joint disease, causing pain, swelling and stiffness in the joints, has a complex etiology and knowledge of the pathophysiological mechanisms is still limited. Recent studies have however reported that the meniscus plays an important role in the development of knee osteoarthritis.
The aim of this study was to gain new insight in knee osteoarthritis by implementing a multidisciplinary approach to study meniscal degradation. Thus, we specifically aimed to examine if there is an association between the protein content of a meniscus and its biomechanical properties.
Menisci from healthy and arthritic knees, both medial and lateral, were subjected to proteomic and biomechanical testing. 50 samples were prepared for mass spectrometry (QExactiveHFX) and for an unconfined compression test, 12 lateral menisci were selected. The protein content was obtained in the proteomic experiment whereas the elastic and aggregate modulus among other parameters could be calculated through the mechanical testing.
Results from the proteomic analysis of this study showed that medial menisci are more affected by osteoarthritis than lateral. Analysis of protein content presented an overall down regulation of glycoproteins and proteins involved in cell interaction in menisci from arthritic knees. The proteins CAH1, collagen type III and CILP2 were, among others, exhibited at higher levels in menisci from arthritic knees than healthy knees. These proteomic findings could not be connected to the biomechanical properties as these results showed no significant differences between healthy and osteoarthritic lateral menisci. Material modelling was performed using a Generalized Maxwell model and the biomechanical results showed a consistent increase in elastic modulus with increasing strain levels.
As the findings from this project showed that the medial menisci are more affected by osteoarthritis than the lateral, future biomechanical experiments and research should focus on medial menisci.}},
author = {{Gehrisch, Kristina and Månsson, Lykke}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Proteomic and biomechanical properties of human menisci related to osteoarthritis}},
year = {{2021}},
}