Το αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής ειδίκευσης ήταν η μελέτη των φυσικοχημικών και μηχανικών ιδιοτήτων παθολογικά αλλοιωμένων ανθρώπινων μηνίσκων. Οι μηνίσκοι είναι ινοχόνδρινοι μηνοειδείς δίσκοι που παρεμβάλλονται μεταξύ των αρθρικών επιφανειών του μηριαίου κονδύλου και της κνημιαίας γλύνης. Αποτελούνται ως επί το πλείστον από ίνες κολλαγόνου και χονδροκύταρα. Περιέχουν ακόμα γλυκοσαμινογλυκάνες, ελλαστίνη και DNA. Συμβάλλουν καθοριστικά στη σωστή λειτουργία της άρθρωσης καθώς είναι επιφορτισμένοι με λειτουργίες, όπως η προστασία των αρθρικών επιφανειών από τη φθορά, η λίπανση και η σταθεροποίηση της άρθρωσης. Η σημαντικότερη ίσως μεταβολική νόσος των μηνίσκων είναι η χονδρασβεστίωση (chondrocalcinosis) κατά την οποία παρατηρείται ανάπτυξη ανόργανων αλάτων στην επιφάνεια ή/και στο σώμα του ιστού. Για τη μελέτη των ιδιοτήτων των παθολογικά αλλοιωμένων ανθρώπινων μηνίσκων χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές μηχανικής και φυσικοχημικής ανάλυσης. Με Δυναμική Μηχανική Ανάλυση επιχειρήθηκε να αξιολογηθεί η επίδραση των διαφόρων τύπων παθολογικών αλλοιώσεων στις δυναμικές μηχανικές ιδιότητες των ιστών. Οι ασβεστοποιημένοι ιστοί και οι εναποθέσεις τους μελετήθηκαν με φασματοσκοπικές τεχνικές RAMAN, FT-RAMAN, FT-IR καθώς επίσης και με απεικονιστικές τεχνικές οπτικής μικροσκοπίας, σαρωτικής μικροσκοπίας ηλεκτρονίων (SEM) και μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (AFM). Επιπλέον, για πρώτη φορά έγινε διασύγκριση της ικανότητας τριών διαφορετικών διατάξεων RAMAN (FT-RAMAN: 1064 nm, Dispersion RAMAN: 633 nm και Dispersion RAMAN: 325 nm) να εντοπίσουν την παρουσία εναποθέσεων στους ιστούς. Στην παρούσα μελέτη εξετάστηκαν 63 μηνισκικά μοσχεύματα από οστεοαρθριτικούς ασθενείς οι οποίοι υποβλήθηκαν σε ολική αρθροπλαστική γόνατος στο Περιφερειακό Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Πατρών. Τα μοσχεύματα αυτά εξετάστηκαν από ιστοπαθολόγο και διαγνώστηκαν οι παθολογικές αλλοιώσεις που έφερα καθένας από αυτούς. Με βάση τα ιστοπαθολογικά αποτελέσματα έγινε κατηγοριοποίηση των δοκιμίων και συσχέτιση των αποτελεσμάτων αυτών με τα αποτελέσματα των προαναφερθέντων τεχνικών. Από τα αποτελέσματα της δυναμικής μηχανικής ανάλυσης φάνηκαν μικρές αλλά όχι στατιστικά σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ ασβεστοποιημένων μηνίσκων και μηνίσκων που παρουσίαζαν μυξωματοειδή εκφυλισμό και κύστες (σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ιστοπαθολογικής εξέτασης). Τα αποτελέσματα της περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ των ασβεστοποιημένων ιστών έδειξαν παρουσία μείγματος τρικλινούς και μονοκλινούς διένυδρου πυροφωσφορικού ασβεστίου (CPPD) υψηλής κρυσταλλικότητας καθώς και μικροκρυσταλλικές εναποθέσεις απατιτικής σύστασης (HAP). Οι τεχνικές μικροσκοποίας (οπτική, SEM και AFM) επιβεβαίωσαν τον παραπάνω ισχυρισμό αποκαλύπτοντας το χαρακτηριστικό τρόπο ανάπτυξης κάθε τύπου εναπόθεσης. Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπικής ανάλυσης με χρήση των τεχνικών RAMAN – FT-RAMAN – και FT-IR έδειξαν την παρουσία επίσης χαρακτηριστικών κορυφών του CPPD και του HAP. Οι εναποθέσεις από CPPD ανιχνεύθηκαν στο 82.6 % των ασβεστοποιημένων δειγμάτων (19 στα 23) ενώ από απατίτη στο 17.4% (4 στα 23) Aναφορικά με τα RAMAN, επισημαίνεται ότι ανεξάρτητα από το μήκος κύματος που χρησιμοποιήθηκε και παρά την ισχυρή μπάντα φθορισμού που επεδείκνυαν τα φάσματα, οι χαρακτηριστικές κορυφές των εναποθέσεων ήταν εμφανείς. / The aim of the present master thesis study was the physicochemical and biomechanical characterization of pathological human menisci. Menisci are semilunar shaped fibrocartilaginous tissues that lie between the femoral condyle and tibia plateau. They mainly consist of collagen fibers and chondrocytes. Additionally glycosaminoglycans, elastin and DNA are present in the tissue. Menisci play an important role in the good function of human knee joint by distributing the applied loads, contributing to the joint’s stability and lubricating the joint’s area. The most common metabolic meniscal lesion is the chondrocalcinosis where inorganic phases of calcium or sodium salts are deposited in/on the tissue. Pathologically altered human menisci were studied by mechanical and physicochemical analysis techniques. Dynamic Mechanical Analysis was used to investigate the effects of degeneration lesions on the dynamic mechanical properties of the tissue. Calcified tissues and the corresponding encrustations were studied by spectroscopic techniques such as RAMAN, FT-RAMAN, FT-IR as well as imaging techniques such as optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Moreover, for the first time a comparison of the ability of three different RAMAN setups (FT-RAMAN: 1064 nm, Dispersion RAMAN: 633 nm and Dispersion RAMAN:325 nm) to detect calcification on the tissues was performed. The clinical sample comprised of 63 menisci with histopathologicaly confirmed alterations that were surgically extracted from osteoarthritic patients due to total knee arthroplasty in the University Hospital of Patras. Samples were classified according to the histopathological evaluation and a correlation of histopathological with mechanical or spectroscopic findings was attempted. Dynamic mechanical analysis results showed small but no statistically significant difference between the group of calcified and the group of mucoid and cystic degenerated tissues (as determined after histopathological examination) X-ray diffraction analysis of the menisci encrustations revealed highly crystallized depositions of triclinic and monoclinic Calcium Pyrophosphate Dihydrate (CPPD) and some samples with poorly crystallized apatitic depositions (HAP). Microscopic techniques (optical, SEM and AFM) confirmed the presence of CPPD and HAP and in addition revealed information regarding their growth mechanism.The results of spectroscopical analysis using RAMAN – FT-RAMAN and FT-IR showed also the characteristic peaks of the inorganic phase (CPPD or HAP) presented in/on the tissue. CPPD encrustations were detected in 82.6 % (19 of 23) of the calcified samples while apatite in 17.4 % (4 of 23). Moreover, it is notable that all RAMAN setups showed the characteristic peaks of CPPD and HAP regardless of the excitation source and the strong fluorescence band.

Οι μηνισκικές ρήξεις διακρίνονται σε τραυματικές και εκφυλιστικές. Κλινικά δεδομένα υποδηλώνουν ότι η εκφύλιση των μηνίσκων συσχετίζεται με την οστεοαρθρίτιδα του γόνατος. Παρ’ όλα αυτά, τα μοριακά γεγονότα που καθορίζουν την παθογένεια της εκφύλισης των μηνίσκων σε ανθρώπους παραμένουν αδιευκρίνιστα. Στη μελέτη εξετάστηκε ανοσοϊστοχημικά η έκφραση της p38 MAPKινάσης, της ενεργού φωσφορυλιομένης μορφής της p-p38, του στόχου NF-kB (με τα διμερή p50-p65) καθώς και της COX-2 σε μηνισκικές ρήξεις, και διερευνήθηκε η συμμετοχή τους στην ανάπτυξη εκφύλισης. Τα ευρήματα απέδειξαν αυξημένη έκφραση του άξονα p38-NF-kB και της COX-2 στον αποδιοργανωμένο και εκφυλισμένο ινοχόνδρινο μηνισκικό ιστό, υποδεικνύοντας ένα ρόλο των μορίων αυτών στην παθοβιοχημεία της εκφύλισης και της επακόλουθης ρήξης. Η μελέτη είχε σκοπό να διερευνήσει και να χαρακτηρίσει την έκφραση και την ενεργοποίηση του σηματοδοτικού μονοπατιού της p38 MAPK-NF-kB και της COX-2 στα ινοχονδροκύτταρα των ανθρώπινων μηνίσκων με ρήξη. Επιπρόσθετα συσχετίσαμε τα επίπεδα έκφρασης των πρωτεϊνών αυτών με παθολογοανατομικές και κλινικές παραμέτρους, όπως η ύπαρξη εκφύλισης και η συνύπαρξη κλινικά εξακριβωμένης ΟΑ. Χρησιμοποιήθηκαν 57 ανθρώπινοι μηνίσκοι. 43 (75,4%) άνδρες και 14 (24,6%) γυναίκες, με μέσο όρο ηλικίας 32,6 έτη, με διάρκεια πόνου 17,36 μήνες. Σε 39 ασθενείς (68,4%) η ρήξη αποδόθηκε σε τραύμα και σε 18 (31,6%) σε προϋπάρχουσα κλινικά διαγνωσμένη ΟΑ. Η ιστοπαθολογοανατομική διευκρίνιση της μηνισκικής εκφύλισης βασίστηκε σε καθιερωμένα μικροσκοπικά κριτήρια. Εκφύλιση παρατηρήθηκε σε 34 μηνίσκους (59,4%). Χρησιμοποιήθηκαν τα αντισώματα, anti p38, anti p-p38 (μονοκλωνικά αντισώματα έναντι της ενεργοποιημένης μορφής), anti NF-kB, p50 πολυκλωνική, anti NFkBp65 πολυκλωνική και antiCOX-2. Η ένταση της χρώσης και η αναλογία των ανοσοθετικών ινοχονδροκυττάρων εκτιμήθηκε μικροσκοπικά και βαθμολογήθηκε σε κλίμακα 0-3 (0= χωρίς ανοσοδραστικότητα, 1= ήπια, 2= μέτρια, 3= ισχυρή). Στατιστική ανάλυση έγινε με τη δοκιμασία Mann-Whitney και η ισχύς της συσχέτισης των μεταβλητών με το Kendall’s T test, χρησιμοποιώντας το SPSS. 1.Η έκφραση της p38 ήταν στατιστικά σημαντικά υψηλότερη στους εκφυλισμένους συγκριτικά με μη εκφυλισμένους μηνίσκους. Μηνίσκοι σε ασθενείς με προϋπάρχουσα ΟΑ έδειξαν επίσης στατιστικά σημαντικά αυξημένη p38 σε σύγκριση με αυτούς με μη προϋπάρχουσα ΟΑ. 2.Η p-p38 είχε σημαντικά αυξημένη έκφραση σε εκφυλισμένους μηνίσκους έναντι μη εκφυλισμένων και σε ραγέντες μηνίσκους με ΟΑ σε σχέση με μη ΟΑ. 3.Οι υπομονάδες p50 και p65 ως τροποποιητές του άξονα p38-NFkB έδειξαν σημαντικά υψηλότερα επίπεδα στην εκφύλιση και την οστεοαρθρίτιδα. 4.Τα επίπεδα της COX-2 ήταν σημαντικά διαφορετικά μεταξύ εκφυλισμένων και μη εκφυλισμένων και σε οστεοαρθριτικές και μη αρθρώσεις, και συσχετίζονται απόλυτα με τη διακύμανση των προηγούμενων βημάτων του άξονα. 5.Η στατιστική ανάλυση αποκάλυψε σημαντική και θετική συσχέτιση μεταξύ COX-2 και p38-NF-kB και παράλληλη διακύμανσή της. / Meniscal tears are attributed to either trauma or degeneration processes. Clinical data suggest that meniscal degeneration (MD) is associated with knee osteoarthritis; however, the molecular events underpinning the pathogenesis of MD in humans remain elusive. Here we immunohistochemically examined the expression of p38 MAPK, its phosphorylated activated form p-p38, its target NF-kB (p50-p65 dimer), and COX-2 in ruptured menisci and investigated their involvement in MD development. Our findings demonstrate increased expression of the p38-NF-kB axis elements and COX-2 in disintegrated fibrocartilage suggesting a role of these molecules in the pathobiochemistry of MD and consequential rupture. We undertook this study to explore and characterize the expression and/or activation profile of the p38 MAPK-NF-kB signaling path away constituents and COX-2 in the fibrochondrocytes of human torn menisci. Furthermore we correlated the expression levels of the examined proteins with pathologic and clinical parameters, such as the presence of fibrocartilaginus degeneration and the coexistence of clinically identified OA. 57 human menisci were used for this study. Among the patients 43 (75,4%) were male and 14 (24,6%) female with mean age 32,6 years, with pain duration 17,36 months. In 39 patients (68,4%) meniscal tearing was attributed to trauma and in 18 (31,6%) to a background of clinically diagnosed OA. The histopathologic identification of meniscal degeneration (MD) was based on established microscopy criteria. MD was observed in 34 (59,4%) of the menisci. The following available antibodies were employed (anti-p 38), anti p-p38 (activated form monoclonal), anti NF-kB, p50 polyclonal, anti NFkBp65 polyclonal and anti COX-2. Strain intensity and proportion of immunopositive fibrochondrocytes was assessed by light microscopy and graded on a scale 0-3 (0= no immunoreachivity, 1= mild, 2= moderate, 3= strong). Statistical analysis was made with Mann-Whitney tests and the strength of association between the variables by Kendall’s T test, using SPSS for Windows. 1.Expression of p-38 was significantly higher in degenerated compared with non degenerated menisci. Menisci from patients with preexisting OA showed significantly increased p38 expression levels compared to those with no preexisting OA. 2.p-p38 expression was considerably elevated in degenerated compared with non degenerated and in OA compared with non OA ruptured menisci. 3.The downstream effectors of p38 NF-kB subunits p50 and p65, exhibited significantly higher levels in degenerated and OA fibrocartilage. 4.COX-2 levels were significantly different between degenerated and non degenerated menisci, as well as between OA and non OA joints. 5.Statistical analysis revealed significant and positive correlation between COX-2 and p-38 and NF-kB.