Region-specific knee cartilage degradation associates with altered kinematics in exercise and immobilized osteoarthritis rats

partly at all time points studied. This rat MIA model and these pain
measurements can be used to study the preclinical ef
ficacy of symptom
modifying OA drug candidates both at rest and during movement.
678
REGION-SPECIFIC KNEE CARTILAGE DEGRADATION ASSOCIATES
WITH ALTERED KINEMATICS IN EXERCISE AND IMMOBILIZED
OSTEOARTHRITIS RATS
E.S. Cooper
y
,
z
, L.-C. Tsai
x
, K.M. Hetzendorfer
y
, Y.-H. Chang
y
,
N.J. Willett
z
.
y
Georgia Tech, Atlanta, GA, USA;
z
Emory Univ., Atlanta, GA,
USA;
x
Georgia State Univ., Atlanta, GA, USA
Purpose: Proper loading is necessary to maintain cartilage homeostasis.
Following traumatic knee injury, joint malalignment during movement
alters loading and the biomechanical environment. Understanding the
region-speci
fic changes in post-traumatic (PT) cartilage degeneration
during elevated and reduced loading is essential to characterizing dis-
ease onset and managing osteoarthritis (OA) progression. The objective
of this study is to associate tissue-level, structural changes of knee
cartilage to individual joint kinematics following knee injury under
varying loading conditions. This will be pivotal in identifying targets for
therapeutic interventions and developing effective rehabilitative strat-
egies for functional recovery.
Methods: Twenty-six adult male Lewis rats were used to evaluate 3D
cartilage microstructure and composition. A medial meniscal transection
Abstracts / Osteoarthritis and Cartilage 26 (2018) S60
eS474
S361

---

procedure (MMT) was performed in 21 rats to induce PTOA. A sham
surgery was performed in 5 rats as a control (SHAM, N
¼ 5, 322þ58 g).
Experimental rats were assigned to the following conditions: 1) regular
loading (OA, N
¼ 7, 296þ56 g), 2) elevated loading via treadmill running
exercise (OA
þEXER, N ¼ 6, 279þ59 g), and 3) reduced loading via hin-
dlimb immobilization (OA
þIMB, N ¼ 8, 296þ57 g). OAþEXER underwent
treadmill training 4 days/week, 30min/day at 12m/min. Hindlimb kine-
matics were evaluated 8 weeks post-surgery to associate 3D joint-level
motion at the hip, knee, and ankle with tissue-level changes in articular
cartilage. 3D bone surface models were generated from whole bone CT
scans and aligned with high-speed biplanar radiographic images
(100 Hz) taken during locomotion to quantify in vivo joint motion. Kin-
ematics data were evaluated at initial contact, midstance, and toe-off of
the gait cycle. Rats were then euthanized and quantitative, 3D ex-vivo
functional assessment of various cartilage and bone parameters was
performed via contrast enhanced-microcomputed tomography (EPIC-
uCT). Cartilage was evaluated by regional 1/3rds along the anterior-
posterior axis and medial-lateral axis. EPIC-uCT outcomes were veri
fied
histologically with Safranin-O staining to visualize proteoglycan content
and articular surface erosions. Difference among groups were examined
using ANOVA with the Tukey posthoc comparisons (alpha
¼ 0.05).
Results: Exposed bone in OAþEXER revealed significant cartilage degen-
eration to the central 1/3 region of the tibial plateau compared to OA and
SHAM (Figure 1A, E). Decreased mean cartilage thickness and overall
cartilage volume across the medial-tibial compartment in OA
þEXER when
compared to OA and SHAM further support this
finding. OAþIMB, how-
ever, demonstrated a different degradation pattern. Damage was localized
to the posterior-region of the medial-tibial plateau (Figure 1D, H). Higher
OA
þIMB uCT attenuation measurements, which are inversely related to
PG content, showed lower total PG than OA and OA
þEXER, an indicator of
declining cartilage health. Medial and central 1/3 cartilage degeneration in
OA
þEXER rats were accompanied by increased hip abduction (P ¼ 0.005)
and varus rotation (P
¼ 0.036) kinematicallly at toe-off as compared to
SHAM (Figure 2). The varus alignment at the knee that resulted from these
rotations is a hallmark of OA. Increased ankle plantar
flexion in OAþEXER
compared to SHAM was observed during toe-off. The altered cartilage
degradation pattern due to extended immobilization agrees with the
highly irregular gait pattern observed in OA
þIMB rats.
Conclusions: Tibiofemoral contact in the medial-tibial compartment due
to central 1/3 degradation in OA
þEXER widened the lateral compartment
of the tibial plateau and presented a knee varus alignment similar to what
is seen in humans with advanced OA. Decreased cartilage health in
OA
þIMB due to PG loss presented a posterior degeneration profile similar
to limb disuse. Our
findings suggest that kinematic deviations at the hip
and ankle associate with regional cartilage degradation at the knee and
reveal a compensatory strategy of symptomatic OA progression.
Biomechanics
& Gait
679
DECLINING WALKING SPEED ASSOCIATES WITH INCREASED BONE
MARROW
LESION
VOLUME
AND
EFFUSION
VOLUME
IN
INDIVIDUALS WITH ACCELERATED KNEE OSTEOARTHRITIS: DATA
FROM THE OSTEOARTHRITIS INITIATIVE
M.S. Harkey
y
, J.E. Davis
y
, B. Lu
z
, M. Zhang
y
, L. Price
y
, C.B. Eaton
x
,
M.F. Barbe
k
, G.H. Lo
¶
, T.E. McAlindon
y
, J.B. Driban
y
.
y
Tufts Med. Ctr.,
Boston, MA;
z
Brigham
& Women's Hosp. and Harvard Med. Sch.,
Boston, MA, USA;
x
Alpert Med. Sch. of Brown Univ., Pawtucket, RI, USA;
k
Temple Univ. Sch. of Med., Philadelphia, PA;
¶
Baylor Coll. of Med.,
Houston, TX, USA
Purpose: Walking speed is a simple measure of physical function that
predicts knee osteoarthritis (KOA). It is unclear if walking speed
changes are related to early structural changes in adults that develop
KOA or clinically relevant subsets. Individuals with accelerated KOA
(AKOA) rapidly develop dramatic joint damage that is preceded by
poorer patient-reported outcomes and slower walking speed when
compared to adults with common KOA. We aimed to determine if a
decline in walking speed during the year prior to disease onset is
associated with concurrent changes in cartilage, bone marrow lesions
(BMLs), or effusion; and explore if these associations vary between
adults who develop AKOA, common KOA, or no KOA.
Methods: We identified 3 groups from the Osteoarthritis Initiative
based on annual radiographs from baseline to 48-months: 1) AKOA:
>1
knee went from Kellgren-Lawrence [KL]
< 1 to KL 3/4 within 48
months; 2) common KOA: both knees had KL
< 1 at baseline and >1
knee increased in radiographic scoring; 3) no KOA: both knees had
KL
< 1 at baseline and no change in KL grade. The index visit was when
an adult met the AKOA or common KOA criteria (Figure). Participants
with no KOA had an index visit matched to those with AKOA. Knee MRIs
and walking speed testing occurred at the index visit and in the year
prior to the index visit. We quanti
fied the cartilage damage index (CDI)
to assess tibiofemoral cartilage and used a semi-automated program to
measure BML and effusion volume. Walking speed was assessed as an
individual
’s usual walking speed over 20 meters. One year change in
structural measures and walking speed were calculated as the index
visit minus the year prior visit (Figure). Each change in structure
measure was converted into a dichotomous variable to compare the
worst tertile (i.e. lowest CDI, highest BML and highest effusion) to the
combination of the other two tertiles. We dichotomized walking speed
change based on the literature: 1) slower:
<0.1 m/s; 2) faster/no
change:
>0.1 m/s. Logistic regression models were used to determine
if change in walking speed (exposure) was associated with change in
each structural measure (outcome) for the overall group and then
separately for AKOA, common KOA, and no KOA. Covariates for each
analysis were age, body mass index (BMI), frequent knee pain, and
Physical Activity Scale for The Elderly (PASE) score.
Results: The groups are described in Table 1. Adults who slowed their
walking speed are almost twice as likely to present with increased
BML volume (Table 2); with a moderate non-signi
ficant association
(OR
¼ 2.7, P ¼ 0.08) among adults with AKOA. Adults with AKOA who
slowed their walking speed were ~3.4
 (P ¼ 0.03) more likely to
present with increased effusion volume (Table). Walking speed
change was not signi
ficantly associated with CDI change in any group
(Table 2).
Conclusions: A change in an easily assessable clinical examination (i.e.
20m walk test) is associated with concurrent worsening in BML and
effusion volume in adults developing AKOA. Although we are unable to
assert causation, we foresee two treatment possibilities: interventions
targeting the maintenance of walking speed to prevent pathologic joint
loading created by slower walking speed or utilizing interventions that
decrease BML and effusion volume to prevent the decline in walking
speed.
Abstracts / Osteoarthritis and Cartilage 26 (2018) S60
eS474
S362

---

Document Outline

• Analgesic effects of morphine at rest and during movement on knee osteoarthritis induced by intra-articular monosodium iodo ...
• Region-specific knee cartilage degradation associates with altered kinematics in exercise and immobilized osteoarthritis rats
• Declining walking speed associates with increased bone marrow lesion volume and effusion volume in individuals with acceler ...