Determination of collagen organization in cartilage by polarized second harmonic microscopy

Abstract

Brusk er et bindevev som finnes i de fleste ledd i pattedyr. En av de viktigste bestanddelene i brusk er kollagen og finnes i den ekstracellulære matrisen. Bestemmelse av kollagenstrukturer i brusk er viktig for tidlig diagnostisering av leddsykdommer som for eksempel osteochondrose i både medisin og innen landbruksnæringen. Denne oppgaven analyserer muligheten for å bestemme kollagenstrukturer i brusk ved å bruke en ikke-lineær mikroskopimetode kjent som polarisert andre-harmonisk generasjon. Dette blir gjort ved å utvide en teoretisk modell av kollagenfibrilers strukturer utviket av Rouede et al [1] for å simulere brusk. Kollagenstrukturer ble simulert med a priori kjente strukturelle vinkler og sammenlignet med eksperimentelle data for å korrelere disse, og dermed bestemme kollagenstrukturer i bruskprøver. Brusk, sener og bein ble avbildet. Det ble antatt at kollagenfibrilene i brusk er uordnet og 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 mellom eksperimentelle data fra bein, sener eller brusk. Brusksimuleringer viste seg heller ikke å korrespondere til målte data, hvilket indikerer at på nivået til den optiske punktspredningsfunksjonen til mikroskopet brukt i denne oppgaven er kollagenfibrilene i brusk ordnet.

Cartilage is a connective tissue found in most joints in mammals. A main constituent of cartilage is fibrillar collagen which is present in the extracellular matrix. Determining collagen structures in cartilage is essential for early diagnosis of joint disorders such as osteochondrosis in both human medicine and the agriculture. This thesis analyzes the possibility of determining collagen structures in cartilage by a nonlinear optical microscopy method known as polarized second harmonic generation. This is done by expanding a theoretical model of collagen fibril organization originally developed by Rouede et al [1] in order to simulate collagen structures in cartilage. Collagen structures were simulated with a priori known structural angles and compared to experimental data, with the purpose of correlating the data sets and determining the subresolution collagen structures of the samples. Samples such as tendon, bone and cartilage were imaged. A main assumption is that collagen 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 distinguishing between experimental data from bone, tendon and cartilage. Cartilage simulations of disordered fibrils did not correspond to measured data, implying that on scale of the optical point spread function of this experiment, collagen in cartilage is ordered.