Determination of collagen organization in cartilage by polarized second harmonic microscopy
Master thesis
View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for fysikk [2646]
Abstract
Brusk er et bindevev som finnes i de fleste ledd i pattedyr. En av de viktigste bestanddelenei brusk er kollagen og finnes i den ekstracellulære matrisen. Bestemmelse av kollagenstruktureri brusk er viktig for tidlig diagnostisering av leddsykdommer som for eksempelosteochondrose i både medisin og innen landbruksnæringen.Denne oppgaven analyserer muligheten for å bestemme kollagenstrukturer i bruskved å bruke en ikke-lineær mikroskopimetode kjent som polarisert andre-harmonisk generasjon.Dette blir gjort ved å utvide en teoretisk modell av kollagenfibrilers strukturerutviket av Rouede et al [1] for å simulere brusk. Kollagenstrukturer ble simulert med apriori kjente strukturelle vinkler og sammenlignet med eksperimentelle data for å korreleredisse, og dermed bestemme kollagenstrukturer i bruskprøver.Brusk, sener og bein ble avbildet. Det ble antatt at kollagenfibrilene i brusk er uordnetog at fibrilene i sener er nesten fullstendig ordnet. Simuleringer av sener var vellykket,hvilket bekrefter simuleringsmodellen.Polarisert andre-harmonisk generasjonsmikroskopi viste seg å ikke kunne skille mellomeksperimentelle data fra bein, sener eller brusk. Brusksimuleringer viste seg hellerikke å korrespondere til målte data, hvilket indikerer at på nivået til den optiske punktspredningsfunksjonentil mikroskopet brukt i denne oppgaven er kollagenfibrilene i bruskordnet. Cartilage is a connective tissue found in most joints in mammals. A main constituentof cartilage is fibrillar collagen which is present in the extracellular matrix. Determiningcollagen structures in cartilage is essential for early diagnosis of joint disorders such asosteochondrosis in both human medicine and the agriculture.This thesis analyzes the possibility of determining collagen structures in cartilage bya nonlinear optical microscopy method known as polarized second harmonic generation.This is done by expanding a theoretical model of collagen fibril organization originallydeveloped by Rouede et al [1] in order to simulate collagen structures in cartilage. Collagenstructures were simulated with a priori known structural angles and compared toexperimental data, with the purpose of correlating the data sets and determining the subresolutioncollagen structures of the samples.Samples such as tendon, bone and cartilage were imaged. A main assumption is thatcollagen fibrils in cartilage are disordered, while fibrils in tendon are almost completely ordered.The collagen structure in tendon was successfully determined based on simulations,verifying the model.However, polarized second harmonic microscopy proved unsuccessful at distinguishingbetween experimental data from bone, tendon and cartilage. Cartilage simulations ofdisordered fibrils did not correspond to measured data, implying that on scale of the opticalpoint spread function of this experiment, collagen in cartilage is ordered.