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

---

cartilage loss results in pain, the main symptoms of OA patients. OA pain
involves a complex integration of sensory, affective, and cognitive pro-
cesses. The correlation between structural damage of the joint and pain
is weak, the prevalence of knee pain in patients with radiographic knee
OA ranges from 15%
e81% in different studies. Still, gradual increase of
pain seems to be connected with OA progression and therefore pain is
discussed as an indicator of disease activity. Recent MRI studies further
revealed a positive relationship between in
flammatory changes in the
joint and pain raising the intriguing question of which in
flammatory
mechanisms and mediators might be involved in pain generation.
Nociceptors are located throughout the joint in tissues peripheral to
cartilage but not in cartilage itself. Increased nociceptive inputs from the
joints cause complex changes in the central nervous system. In the state
of central sensitization, nociceptive neurons at different levels of the
neuraxis are hyperexcitable, and hence, the nociceptive processing is
ampli
fied. Peripheral nociceptors are important targets in analgesic
therapy due to the fact that many pathological conditions such as
in
flammation induce receptor excitation and sensitization. Numerous
ion channels and receptors take part in nociception and might function
as targets in pain therapy. Therefore, we analyzed electrophysiological
properties of neuronal cells under the in
fluence of conditioned medium
derived from chondrocytes and synoviocytes from OA patients.
Methods: Neuroblastoma cells (MHH) were grown in the presence of
conditioned medium (CM) derived from chondrocytes (CM-c) and
synoviocytes (CM-s) isolated from OA patients. After 5 days of treat-
ment MHH cells were tested for their electrophysiological behavior by
the patch clamp technique. Expression of ion channels including the
peripheral Na
þ
channels Nav1.6
e1.9 and the K
þ
channels KCNQ2 and
KCNQ3 respectively was assessed by qPCR. Both types of CM from all
five patients were tested for the content of thirteen cytokines including
MCP1, Il-6 and IL-8 via the human in
flammation panel (Legendplex).
Results: Whole cell Na
þ
current measurements revealed, in four out of
five samples, a reduction of the maximal conductance (g
max
) of MHH
cells under CM-c, CM-s reduced g
max
in three out of
five cases. The
steady state activation in all cases was shifted to a more positive
membrane potential (E
m
), the inactivation and recovery kinetics were
unchanged. For the K
þ
current a reduction in I
max
was observed in four
out of
five samples under both treatment conditions (CM-c and CM-s),
the steady state activation was unchanged. Expression studies showed
changes of voltage dependent Na
þ
channels with the most prominent
effect for Nav1.7, the expression of the two K
þ
channels KCNQ2, 3 was
down regulated. Results from the in
flammation panel showed IL-6, IL-8
and MCP1 to be present in the CM-c and CM-s.
Conclusions: Treatment with conditioned medium changes the elec-
trophysiological behavior of neuroblastoma cells. Changes in channel
expression indicate a rearrangement of the channel composition which
could explain changes in the observed Na
þ
and K
þ
currents. Altered
cytokine and chemokine production of OA chondrocytes or synovio-
cytes could contribute to changes in gene expression by binding to their
respective receptors on MHH cells. We hope that identifying changes in
electrophysiological properties association with detecting biochemical
mediators involved in the generation of pain can open up new OA
treatment strategies.
677
ANALGESIC EFFECTS OF MORPHINE AT REST AND DURING
MOVEMENT ON KNEE OSTEOARTHRITIS INDUCED BY INTRA-
ARTICULAR MONOSODIUM IODOACETATE IN YOUNG RATS
J. Morko, J. Vaaraniemi, J. Lehtimaki, J. Zdrojewska, Z. Peng,
J.M. Halleen. Pharmatest Services Ltd, Turku, Finland
Purpose: Several experimental animal models have been developed for
human osteoarthritis (OA) and used to study the preclinical ef
ficacy of
disease and symptom modifying OA drug candidates. One of these models
is induced chemically by an intra-articular injection of monosodium
iodoacetate (MIA) into rat knee. Intra-articular MIA disrupts chondrocyte
glycolysis through the inhibition of glyceraldehyde-3-phosphate dehy-
drogenase. This leads to chondrocyte death and cartilage damage in the
entire knee joint and results in OA symptoms including joint pain. Pre-
viously, we have characterized the effects of intra-articular MIA injection
on knee joint discomfort and pain brie
fly, and on articular cartilage,
synovium and bone in more detailed in young adult rats. In this study, we
characterized the effects of intra-articular MIA injection on knee joint
discomfort and pain in more detailed and evaluated the analgesic effects
of opioid morphine at rest and during movement in young rats.
Methods: This study was conducted using young male Sprague-Dawley
rats. The rats were randomized into the following three experimental
groups by strati
fication according to body weight (150e208 g): 1) intact
control rats; 2) MIA-injected rats; 3) MIA-injected rats treated with mor-
phine (3 mg/kg s.c.; Takeda, Linz, Austria). At the beginning of the study,
rats were weighed and baseline values for knee joint discomfort and pain
parameters were determined. Unilateral OA was induced by the intra-
articular injection of MIA (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) at 2 mg into
the right knee joint of rats in study groups 2 and 3. The effects of intra-
articular MIA on body weight and knee joint discomfort and pain, and the
analgesic effects of morphine were analyzed at 2 days and at 1, 2, 3 and 4
weeks after the MIA injection. Knee joint discomfort was determined as
static weight bearing and measured as hind paw weight distribution
(HPWD) using Incapacitance Tester (Linton Instrumentation, Norfolk, UK).
Knee joint pain was determined as static mechanical/tactile secondary
allodynia and analyzed as paw withdrawal threshold (PWT) using von
Frey mono
filaments (1e15 g; Aesthesio; DanMic Global, San Jose, CA, USA).
Changes in gait were used as an index of knee joint discomfort and pain
during movement. The gait was analyzed using CatWalk XT computer-
assisted method of locomotor analysis (Noldus Information Technology,
Wageningen, Netherlands). The analgesic effects of morphine were stud-
ied by von Frey mono
filaments 1 hour, by CatWalk 1.5 hours and by
Incapacitance Tester 2 hours after treatment. This experimental protocol
was approved by National Animal Experiment Board, Regional State
Administrative Agency for Southern Finland, Hameenlinna, Finland.
Results: Intra-articular MIA injection decreased PWT during the entire
4-week-long study period demonstrating static mechanical allodynia
and neuropathic pain in MIA-injected hind limb. Treatment with mor-
phine reversed the reduction in PWT completely at all time points
studied indicating signi
ficant analgesic effects on static mechanical
allodynia. The intra-articular MIA injection decreased static HPWD
during the entire study period as well demonstrating knee joint dis-
comfort in MIA-injected hind limb. Treatment with morphine reversed
this reduction partly during the
first 3 weeks indicating analgesic effects
on knee joint discomfort. The MIA injection decreased dynamic weight
bearing and slowed down and impaired movement during the entire
study period. This was demonstrated by changes in various gait
parameters in MIA-injected hind limb at all time points studied,
including decreased print area, max contact area, print length, print
width, weight bearing, stand index, swing speed, duty cycle, single
stance, stride length and coupling (right hind
e left front), and increased
swing time. As analgesic effects during movement, treatment with
morphine reversed changes in various gait parameters, including in
weight bearing, single stance and the coupling at all time points studied.
Conclusions: This study demonstrated that the intra-articular injection
of MIA into the knee joint of young rats induced static mechanical
allodynia, impaired weight bearing capacity, and slowed down and
impaired movement during the entire 4-week-long study period.
Treatment with morphine prevented static mechanical allodynia com-
pletely and the impairment in weight bearing capacity and movement