Diseño de un modelo computacional que permita identificar la influencia de las cargas mecánicas en la morfogénesis de articulaciones sinoviales

Abstract

Synovial joints enable the relative movement between the connected bones. The lubricated articular cartilage and the shape of the joint facilitate and soften the relative displacement of the joint’s parts. These joints, their development process involves a series of steps, they begin from the bone blastema and differentiate into chondrocyte, after this, appears the physical separation, and finally, occurs the joint shaping. However, the process of how these joints obtain their final shape is yet not well understood. Former models have been developed in order to understand the joint morphogenesis considering only the mechanical environment, but the obtained shape is not entirely correct. In this study, a computational model was developed with the aim to explain how the morphogenesis of these joints is achieved. For this model both, the mechanical and molecular environments, were considered. This model applies the finite element method to describe how, during the fetal stage, two opposite segments of bone cartilaginous rudiments of a synovial joint shape. It was assumed that cyclic hydrostatic stress affects cartilage growth in a positive way, also, that the concentration of molecules, such as PTHrP and Wnt, promote chondrocyte proliferation hence cartilage growth. With these considerations, the morphogenesis of an interphalangeal joint was modelled. For the simulation, four stages of rotation were considered, in each of them the distal phalanx had an angle with respect the proximal phalanx, the angles were 90°, 60°, 30° and 0°. Moreover, it was considered six (6) pathological cases for joint morphogenesis: a kilter model (dislocation), a model without the molecular influence, and a 0° and 90° palsy models with and without molecular influence. In addition, in the normal model were predicted the shapes of the primary and secondary ossification centers (POC and SOC) by calculating the osteogenic index (OI), which was dependent on the concentrations of PTHrP-Ihh. The obtained results show a coherent final shape of an interphalangeal joint, and the shapes of the POC and SOC computed through the OI were similar to schematic drawings of the ossification centers. Furthermore, the pathological cases show us an abnormal behavior of the joint morphogenesis that might be related to developmental joint diseases. The results suggest that the mechanical and the molecular environment are crucial to the joint morphogenesis. This process involves a relationship between the hydrostatic stress and molecular concentrations, with cartilage growth and chondrocyte proliferation. This leads us to a new understanding of prenatal joint development

Las articulaciones sinoviales permiten el movimiento relativo entre los huesos conectados. El cartílago articular y la forma de la articulación facilitan y suavizan el desplazamiento relativo de las secciones de hueso. El proceso de desarrollo de estas articulaciones implica una serie de pasos, comienzan desde el blastema de hueso y se diferencian en condrocitos, luego de esto, aparece la zona de la interzona, donde existe la separación física del blastema, y finalmente, se produce la conformación de la articulación. Sin embargo, el proceso de cómo estas articulaciones obtienen su forma final aún no se comprende bien. Se han desarrollado modelos para comprender la morfogénesis articular considerando solo el entorno mecánico, pero la forma obtenida no es del todo correcta. En este estudio, se desarrolló un modelo computacional con el objetivo de explicar cómo se logra la morfogénesis de estas articulaciones. Para este modelo, se consideraron los entornos mecánico y molecular. Este modelo aplica el método de elementos finitos para describir cómo, durante la etapa fetal, dos segmentos opuestos de rudimentos cartilaginosos forman una articulación sinovial. Se supuso que el esfuerzo hidrostático cíclico afecta el crecimiento del cartílago de una manera positiva, también, que la concentración de moléculas, como PTHrP y Wnt, promueven la proliferación de condrocitos, por lo tanto, el crecimiento del cartílago. Con estas consideraciones, se modeló la morfogénesis de una articulación interfalángica. Para la simulación, se consideraron cuatro etapas de rotación, en cada una de ellas la falange distal tenía un ángulo con respecto a la falange proximal, los ángulos eran 90 °, 60 °, 30 ° y 0 ° con respecto al eje vertical. Además, se consideraron seis (6) casos patológicos de morfogénesis articular: un modelo kilter (dislocación), un modelo sin influencia molecular y modelos de parálisis articular en 0 ° y 90 ° con y sin influencia molecular. Además, en el modelo normal se predijeron las formas de los centros de osificación primario y secundario (POC y SOC) calculado por medio del índice osteogénico (OI), que dependía de las concentraciones de PTHrP-Ihh. Los resultados obtenidos muestran una forma final coherente de una articulación interfalángica, y las formas de POC y SOC calculadas a través del OI fueron similares a los dibujos esquemáticos de los centros de osificación. Además, los casos patológicos nos muestran un comportamiento anormal de la morfogénesis articular que podría estar relacionado con enfermedades articulares del desarrollo. Los resultados sugieren que el entorno mecánico y molecular son cruciales para la morfogénesis articular. Este proceso implica una relación entre el estrés hidrostático y las concentraciones moleculares, con el crecimiento del cartílago y la proliferación de condrocitos. Esto nos lleva a una nueva comprensión del desarrollo prenatal de las articulaciones.