33
Accepted Manuscript Title: Platelet Rich Plasma enhances the immunohistochemical expression of platelet derived growth factor and vascular endothelial growth factor in the synovium of the meniscectomized rat models of osteoarthritis Author: Shaima M. Almasry Hala M. Soliman Shereen A. El-Tarhouny Sami A. Algaidi Ehab M. Ragab PII: S0940-9602(14)00179-4 DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.aanat.2014.10.006 Reference: AANAT 50903 To appear in: Received date: 20-3-2014 Revised date: 5-9-2014 Accepted date: 14-10-2014 Please cite this article as: Almasry, S.M., Soliman, H.M., El-Tarhouny, S.A., Algaidi, S.A., Ragab, E.M.,Platelet Rich Plasma enhances the immunohistochemical expression of platelet derived growth factor and vascular endothelial growth factor in the synovium of the meniscectomized rat models of osteoarthritis, Annals of Anatomy (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.aanat.2014.10.006 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Platelet rich plasma enhances the immunohistochemical expression of platelet derived growth factor and vascular endothelial growth factor in the synovium of the meniscectomized rat

  • Upload
    ehab-m

  • View
    214

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Accepted Manuscript

Title: Platelet Rich Plasma enhances theimmunohistochemical expression of platelet derived growthfactor and vascular endothelial growth factor in the synoviumof the meniscectomized rat models of osteoarthritis

Author: Shaima M. Almasry Hala M. Soliman Shereen A.El-Tarhouny Sami A. Algaidi Ehab M. Ragab

PII: S0940-9602(14)00179-4DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.aanat.2014.10.006Reference: AANAT 50903

To appear in:

Received date: 20-3-2014Revised date: 5-9-2014Accepted date: 14-10-2014

Please cite this article as: Almasry, S.M., Soliman, H.M., El-Tarhouny, S.A., Algaidi,S.A., Ragab, E.M.,Platelet Rich Plasma enhances the immunohistochemical expressionof platelet derived growth factor and vascular endothelial growth factor in the synoviumof the meniscectomized rat models of osteoarthritis, Annals of Anatomy (2014),http://dx.doi.org/10.1016/j.aanat.2014.10.006

This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication.As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript.The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proofbefore it is published in its final form. Please note that during the production processerrors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers thatapply to the journal pertain.

Page 1 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

Platelet Rich Plasma enhances the immunohistochemical expression of platelet derived growth factor and vascular endothelial growth factor in the synovium of the meniscectomized 

rat models of osteoarthritis  

Shaima M Almasry,1, 2 Hala M.Soliman,1, 3 Shereen A. El‐Tarhouny,4, 5 Sami A. Algaidi,1 Ehab M.Ragab6 

 1Department of Anatomy, Taibah University, Saudi Arabia 2Department of Anatomy and Embryology, Almansoura University, Egypt 3Department of Histology and Cell Biology, Zagazig University, Egypt. 4Department of biochemistry and Molecular Medicine Taibah University, Saudi Arabia 5Department of Medical Biochemistry Zagazig University, Egypt 6Department of Orthopedic Surgery, Al Azhar University, Assuit branch, Egypt.  Address correspondence to: Shaima Mohamad Almasry, Anatomy and Embryology Department, Taibah University,  Almadinah  Almunawarah,  Saudi  Arabia.  Tel:  00966594380057.  E‐mail: [email protected]   Running head: Effect of PRP on osteoarthritic synovium                          

Page 2 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

SUMMARY 

This  study was  carried out on a  rat model of  surgically‐induced osteoarthritis  (OA)  to assess  the  histological  and  immunohistochemical  changes  in  the  synovial membrane  and  to evaluate the effects of intra‐articular injection of Platelet Rich Plasma (PRP) in such cases. Forty five male  albino  rats were  divided  into  3  equal  groups;  control,  surgically‐induced  OA  and surgically‐induced OA  followed by  intra‐articular  injection of PRP. Knee  joints were processed for  histological  and  immunohistochemical  staining with  anti‐  platelet  derived  growth  factor (PDGF‐A)  and  anti‐vascular  endothelial  growth  factor  (VEGF)  and  the  area    percentages  of immunostaining were measured by digital  image analysis. Serum  levels of PDGF‐A and VEGF were  analyzed  by  ELISA.  The  osteoarthritis  research  society  international  (OARSI)  score was significantly higher in OA (2433.8±254) than in control (230.4±37.8; p<0.001) and in PRP‐treated tissues  (759.7±45.8;  p<0.001).  The  immunostained  area  percentages  for  PDGF‐A  was significantly  higher  in  PRP‐treated  tissues  (20.6±2.4)  than  in OA  (11.06±1.3;  p=0.007)  and  in control tissues (4.1±0.78; p<0.001). Likewise, the immunostained area percentage for VEGF was significantly  higher  in  PRP‐treated  tissues  (22.5±1.6)  than  in  OA  (14.9±1;  p=0.  002)  and  in control tissues (6.5±0.7; p<0.001). ELISA analysis revealed a significant increase in serum levels of the PDGF‐A and VEGF after intraarticular PRP injection when compared to the other groups (p<0.000).  The  present  study  concluded  that  intra‐articular  injection  of  PRP  could  produce optimizing  effects  in  surgically  induced  OA  in  the  form  of;  decreasing  the  OARSI  score, improving the  inflammatory events  in synovium and modulating the PDGF‐A and VEGF serum levels and synovial tissue immunoexpression. These effects could be reflected positively on the associated chondral defect. 

 

Key words: PRP; rat model; osteoarthritis; synovium; PDGF; VEGF 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

INTRODUCTION 

Osteoarthritis  (OA)  is  a  group  of  diseases  that  involve  the  degeneration  of  articular cartilage  and  subchondral bone. Articular  cartilage  is  a highly  specialized  load‐bearing  tissue that provides  low‐friction  joint surfaces. Functions of articular cartilage depend on the precise interplay  of  the  molecules  that  compose  its  extracellular  matrix  (ECM).  The  unique biomechanical properties of articular cartilage depend on two principal supramolecular matrix components; proteoglycans that are embedded  in a mesh‐work of different types of collagen fibrils  and  aggrecan,  the  major  proteoglycan  in  cartilage  that  has  a  high  density  of  fixed negative charges owing to its anionic glycosaminoglycan side chains. This in turn pulls in water into the tissue and generates an osmotic swelling pressure that is counterbalanced by the tense collagen mesh‐work.  Thus,  collagens  and proteoglycans  create  a hydrated  tissue  that  resists compressive loads (Boschetti and Peretti, 2008; Bougault et al., 2013). 

The chondrocyte in normal articular cartilage exists in a quiescent state in an avascular ECM  nourished  by  diffusion  from  the  synovial  fluid  and  the  vasculature  of  the  subchondral bone. The  term  synovium or  synovial membrane  (SM)  refers  to  the delicate  tissue  lining  the spaces  of  diarthrodial  joints,  tendon  sheaths  and  bursae.  It  includes  the  continuous  surface layer of cells (intima) and the underlying tissue (subintima). The intima consists of macrophages and fibroblasts while the subintima  includes blood and  lymphatic vessels, a cellular content of both resident fibroblasts and infiltrating cells in a collagenous extracellular matrix. Between the intimal surfaces, there is a small quantity of fluid, usually rich in hyaluronic acid. In concert, this structure provides a non‐adherent surface between tissue elements (Smith, 2011; Smith and Walker, 2011; Siebelt et al., 2014). The regeneration capacity of cartilage is limited because of its isolation from systemic regulation and its lack of vessels and nerve supply (Buckwalter and Brown, 2004). Biomechanical, metabolism and biological changes may contribute to the loss of tissue homeostasis, resulting in an accelerated loss of the articular surface and followed by end‐stage arthritis (Hayami et al., 2008). 

Clinically  relevant OA  joint disease  is  invariably associated with  some  sort of  synovial pathology.  This  contemplates  the  feeling  that  there  is  a  direct  relationship  between  clinical symptoms  and  the  synovial  reaction  in OA and most  likely  these  changes  in  SM are at  least partly involved in the advancement of the disease (Uchida et al., 2013). Local therapy such as intra‐articular  injection of anti‐inflammatory agents  is projected to be an effective measure to alleviate the symptoms and prevent the progression of OA (Palmieri et al., 2013). The rationale for  intraarticular therapy  is the delivery of the drug to the site of action, therefore minimizing the systemic toxic effect of the drug.  

Page 4 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

Platelet-rich plasma (PRP) is a simple, low cost, and minimally invasive method that permits one to extract a natural concentrate of autologous growth factors (GFs) from the blood (Anitua et al., 2004; Say et al., 2013). PRP is composed of 3-8-fold greater concentration of platelets, as compared to whole blood (Qureshi et al., 2009). The use of animal models of OA has  been  fairly  extensive  for  testing  of  potential  anti‐arthritic  agents  and  disease modifying effects  for agents  currently used  to  treat patients with OA  (Kobayashi et al., 2000). Animals that predominantly  load  the medial aspect of  the  joint  like rodents will develop more severe lesions on the medial side after a medial meniscectomy than on the lateral side after a similar insult and vice versa (Bendele, 2001). 

Considering  the  possible  regenerative  effects  of  PRP  on  cartilage  damage  and  SM changes,  this  study,  for  the  first  time,  aimed  to  evaluate  the  effects  of  intra‐articular  PPR injection  on  the  histopathological  changes  and  the  immunoexpressive  behavior  of  PDGF‐A/VEGF in the SM of a rat model of OA.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 5 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

MATERIALS AND METHODS 

Experimental animals  

Forty  five  adult male  healthy Wistar  albino  rats,  250‐350  gms  were  obtained  from Jeddah and kept under constant conditions; 12:12 light/dark cycle and a room temperature of 28 0C. They were allowed free access to standard rat chow diet and water ad libitum. Animals were  divided  randomly  into  3  equal  groups  (n=15).  The  groups  included  control,  surgically‐induced OA and surgically‐induced OA followed by intra‐articular injection of PRP. 

Prior to dosing, animals were acclimated to the environment for 7 days. An experiment was  executed  in  conformity  with  National  Institutes  of  Health  (NIH)  guidelines  for  the maintenance  and  use  of  science  lab  animals;  NIH  Publication  1986  (86/609/EEC)  and  in accordance with local laws and ordinances. 

Preparation of PRP 

Rats were  anesthetized  with a subcutaneous injection of Ketamine (0.15 ml/kg) and Medetomidine (0.1  ml/kg)  and  then  submitted  to  cannulation  via  the  jugular  vein.  Two milliliters of each animal blood was collected using a disposable syringe containing 0.5 ml of 0.1 Mol sodium citrate as an anticoagulant. The blood was preserved in silicone vacuum tubes. The same amount of withdrawn blood was immediately replaced through injection of sterile saline according to the method adopted by Messora et al. (2001). 

Then animals were left for a 3 week recovery phase before the surgical intervention (for OA and PRP‐treated groups) during which, the PRP preparation was prepared by adapting the protocol proposed by Sonnleitner et al.  (2000), using a cold centrifuge and a vertical  laminar flow cabinet for manipulating the biological samples. The collected blood was firstly centrifuged at 160 G, for 20 minutes, at room temperature (22oC). The whole plasma above the buffy coat was collected, separating platelets from red blood cells and leukocytes and transferred to other 5 ml vacuum  tube. The  sample was  then submitted  to a new centrifugation at 400 G,  for 15 minutes,  resulting  in  two  components;  the upper half  is platelet‐poor plasma  (PPP)  and  the lower half is the platelet rich plasma (PRP). PRP were pipetted and transferred to sterile tubes stored at  ‐30°C.  Immediately before  intraarticular  injection, PRP were activated by using 0.05 ml  of    0.2 Mol  calcium  chloride  solution  to  each  1 ml  of  PRP.  150‐200  µl  of  PRP  could  be obtained from each ml whole blood. 

Surgical induction of osteoarthritis and dosing protocol

Page 6 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

Thirty  rats  were  anaesthetized  and  subjected  to  complete  medial  meniscal  tear procedure under complete aseptic technique using Chlorhexidine spray (ICI Company, London, UK). A  skin  incision was made over  the medial aspect of  the knee, and  the medial collateral ligament was exposed by blunt dissection and then transected just below its attachment to the meniscus so that when the joint space opens, the meniscus is reflected toward the femur. The meniscus  is cut at  its narrowest point (away from the ossicles) taking care not to damage the tibial surface. Skin and subcutis were closed in 4‐0 Vicryl suture (Bendele, 2001; Flannery et al., 2009).  Postoperative  daily  use  of  the  Gentamicin  Topical  Spray  (Pharmex  Comp.,  Chicago, Illinois, USA) was applied to the site of surgery for one week. 

Rats of the PRP‐treated group were subjected to surgical intervention followed by intra‐articular injection of 85 µl of activated PRP in the operated knee by using an insulin syringe, one week after surgery, with dosing performed under local anesthesia three times per week (every other day) for two weeks. At the end of the procedure, the rat’s knees were bent and extended for a few times to allow the PRP to spread throughout the joint before becoming a gel. 

The second blood sample (1 ml) was drawn from tail veins in plain tubes, 24 hours after the last injection of PRP in the PRP‐treated group and for the other 2 groups at the same time and  left  for 30‐60 minutes  for spontaneous clotting at room temperature then centrifuged at 3000 rpm  for 10 minutes. Serum samples were separated  into another set of tubes and kept frozen at ‐80°C. All rats from control, OA and PRP treated groups were sacrificed 6 weeks after induction of surgery. 

Enzyme‐Linked Immunosorbent Assay  

Total  serum  levels  of  PDGF‐A  and  VEGF  in  samples  were  determined  by  the  ELISA technique,  using  an  available  commercial  kit  (Quantikine  R&D  Systems,  CAT  DAA00B  and RRV00,  Minneapolis,  USA)  with  horseradish  peroxide  detection  in  accordance  with  the manufacturer’s  instructions. We  used  50  μL  to  sample  for  both  PDGF‐A  and VEGF.  Samples were assayed as duplicates.  

Tissue sampling 

A sample of synovium from the suprapatellar fold was removed from the operated knee joint  and placed  in  10% neutral buffered  formalin.  Then,  the muscle was  trimmed  from  the femur  and  tibia  and  the  patella was  reflected  distally  and  removed  to  allow  fixative  (10% neutral buffered formalin) to enter the joint space. The femur and tibia were transected some distance  from  the  joint  to  avoid  fragmentation  of  bone  into  the  joint  area.  The  joint  was dropped  into  4%  paraformaldehyde,  pH  7.4  for  3  days.  Then,  the  ends  of  the  bones were trimmed and a forceps was placed in the patellar groove and posterior aspect of the joint. The 

Page 7 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

joint was cut  (using  the collateral  ligaments as a  land mark)  into approximately equal halves (frontal plane), and were decalcified  in Ethylene diamine  tetraacetic acid  for one month. The trimmed  halves were washed  extensively,  processed  for  paraffin  embedding.  Coronal  tissue blocks were cut across the medial tibial plateaus.  

Measuring  the  tibial  cartilage only may be adequate  for  tibiofemoral disease  in  cross sectional studies. The use of the tibial cartilage has an advantage in that it is a clearly defined, anatomical structure and thus less susceptible to error in its identification across diferent study sites and in different operator’s hands (Cicuttini et al., 2001).  

For histological  analysis,  synovium  specimens were  stained with HE, Alcian blue with PAS,  Masson’s  Trichrome  and  immunohistochemistry  for  PDGF‐A  and  VEGF.  Chondral specimens  were  stained  with  HE,  Alcian  blue  with  PAS  only.  Alcian  blue  with  PAS  is  a combination used to evaluate the distribution of the various mucins, glycogen and other PAS‐positive tissue elements. PAS stain demonstrates certain polysaccharides, specifically glycogen and  mucoproteins  as  reddish  structures. Whole  sections  were  studied  microscopically  and scored  by  a  histopathologist  who  was  blinded  with  respect  to  treatment  group.  SM  was examined generally, despite their location in the areas of chondral defects. 

Immunohistochemical assessment 

For  immunohistochemical  analysis,  we  used  primary  goat  polyclonal  anti‐PDGF‐AA antibody  (R&D  Systems  Inc., Minneapolis, MN  55413,  USA;  catalog  #  AF1560)  and  primary rabbit polyclonal anti‐VEGF antibody (Spring bioscience, 6920 Koll Center Parkway, Pleasanton, CA 94566 USA; catalog # M3281). Staining procedure used an immunoperoxidase technique as previously  described  (Bancroft  and  Gamble,  2002).  Paraffin  sections  were  deparaffinized, rehydrated  then  treated  in  3% H2O2  for  5 min  and washed with  phosphate  buffer  solution (PBS) for 15 minutes. The sections were blocked with 1.5% normal goat serum in PBS, and were then  incubated  for  45 min  at  room  temperature with  the  primary  antibody.  Sections were subsequently  incubated with  a  second‐stage  biotinylated  antibodies  (Biotinylated  goat  anti‐rabbit IgG, Spring Bioscience, catalog # DGR‐125) at room temperature. After rinsing in PBS, the reaction products were visualized by immersing the section into diaminobenzidine. Finally, the sections  were  counterstained  with  hematoxylin,  dehydrated,  and  covered.  For  negative controls,  incubation was carried out by a non‐specific IgG antibody at the same concentration as the primary antibody (Taylor, 1993).

Interpretation of staining 

Tissue sections were examined using an optical microscope at 4x and 10x magnification for  the  initial  screening. Measurements were  performed  at  10x magnification.  Images were 

Page 8 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

digitized  in a 512 × 512‐pixel matrix, using a color video camera  (digital camera CH‐9435 DFC 290). Digitized pictures were visualized on a high‐resolution color display. The true color image analysis software package using an image analysis system (Leica Imaging System, Switzerland & Germany)  was  run  for  manipulation,  quantification  of  the  images  and  data  collected. Computerized imaging analysis systems have been introduced in order to minimize subjectivity in evaluation the percentage of area occupied by the brownish immunohistochemical staining.   

A positive  reaction  to  the  studied proteins was distinct  as  a brownish  staining  in  the cytoplasm as referenced in the Catalog. Microanatomic‐distribution of the staining and staining intensity were  evaluated  as  previously  described  (Jackson  et  al.,  2011), weak  (light  yellow); moderate  (yellow–brown); and strong  (brown). Strong  intensity was defined as  the strongest intensity relative to weaker staining intensity within the examined sections. 

Histologic analysis and OARSI (osteoarthritis research society international) scoring  

Most of the microscopic scoring systems described for rat OA restrict evaluation of OA to  cartilage  changes,  while  a  few  include  OA‐associated  changes  in  bone  and  synovial membrane.  In  some  of  the  recently  published  rat OA  studies,  the OARSI  score was  used  to grade  the degenerative  status of  the  repaired  tissue  (Appleton et al., 2007; Yorimitsu et al., 2008). It multiplies the cartilage damage score by a factor to reflect the extent of the involved tibial  plateau.  OARSI  was  assessed  by  evaluating  the  following  nine  points  as modified  by Gerwin et al. (2010).  

1. Cartilage matrix loss width 

The width  of  the  area  of  collagen matrix  loss was measured  along  the  surface  (0% depth), as well as at the level of the mid‐zone (50% depth) and tidemark (100% depth) (Fig. 1A).  

2. Cartilage degeneration score 

This  score  is  an  evaluation  of  overall  cartilage  pathology  and  includes  the  important pathology  parameters  of  collagen  matrix  fibrillation/loss  and  chondrocyte  death/loss  with chondrocyte  loss being  the primary determinant of  the  score. For  the cartilage degeneration score, the MTP was divided into three zones. The % area of each zone that contains a cartilage exhibiting loss of chondrocytes (50% or greater loss of normal cellularity) or loss of matrix was estimated and a score was assigned to that zone based on that percentage. A 3‐zone‐sum for cartilage degeneration was also estimated by totaling the values obtained  for each zone. The maximum 3‐zone sum for the medial tibia was 15 (Fig. 1B).  

3. Zonal depth ratio of lesions 

Page 9 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

 

This  is a measurement of  the depth of cartilage degeneration  (e.g.,  including areas of chondrocyte and proteoglycan loss, which may have good retention of collagenous matrix and no  fibrillation)  that was  taken  at  the midpoint  in  each  of  the  three  zones  across  the  tibial surface. The lesion depth ratio was calculated by dividing the micrometer depth of the area of degeneration by the thickness of the cartilage (both  in micrometers), from projected cartilage surface to tidemark (Fig. 1B). 

 4, 5. Total and significant cartilage degeneration width 

The  total width of  the area of articular cartilage affected by any  type of degenerative change  (matrix  fibrillation/loss, PG  loss with or without chondrocyte death) was measured  in micrometers.  Significant  cartilage degeneration width  is  a measurement of  the width of  the tibial cartilage  in which 50% or greater of the thickness (from surface to tidemark)  is seriously compromised (Fig. 1C). 

6. Osteophyte score 

The  largest  osteophyte  in  each  section was measured  (from  the  deepest  point  of  its base at  the  chondro‐osseous  junction  to  the  surface of  the overlying  cartilage at  its  thickest point) (Fig. 1D). This categorizes osteophyte measurements on a scale of 0‐4, where 0=marginal zone  proliferative  changes  (≤200  µm),  1=small  (200‐299  µm),  2=moderate  (300–399  µm), 3=large (400–499 µm), and 4=very large (≥500 µm). 

7. Calcified cartilage and subchondral bone damage score 

This  parameter was  used  to  quantify  effects  of  agents  on OA‐associated  changes  in subchondral bone and calcified cartilage (Fig. 1D). Damage to the calcified cartilage  layer and subchondral  bone was  scored  using  a  numerical  scale  of  0‐5, where  0=  no  changes  and  5= increased basophilia at  the  tidemark,  increased  fragmentation at  the  tidemark and/or of  the calcified cartilage,  increased area of marrow mesenchymal changes, and collapse of articular cartilage into the epiphysis. 

8. Synovial reaction 

Inflammation of SM (if present) was scored using a numerical scale of 0‐4, where 0= no changes  (1‐2  layers  of  synovial  lining),  4=  increased  number  of  lining  cell  layers  (>4  layers) and/or proliferation of subsynovial tissue and infiltration of inflammatory cells. 

9. Medial capsule width 

Page 10 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

10 

 

Micrometer measurements of the medial capsule width were obtained for each joint, as an assessment of soft tissue fibroplasia. 

Statistical data analysis  

Statistical analysis was done using the SPSS V. 13.0 software (SPSS, Chicago, USA). The mean±standard error (SE) for each parameter or measurement is defined in order to get a total joint  score. Statistical analysis was performed using One‐way ANOVA with Dunnett’s  test  for analysis of the measured parameters. Scored parameters were analyzed using Kruskale Wallis and Man‐Whitney tests. P‐value<0.05 was considered statistically significant. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

11 

 

RESULTS 

Survival rate of animals 

No death occurred in the rats of the control group, whereas 3 rats in the OA group had died; one arrested on  the  table  from an overdose of anesthesia, and  the remaining  two died within two days after operation. In the PRP‐treated group, 2 instances of deaths were reported by  the end of  the  first week after surgery. Rats of  the OA/PRP groups which had died  in  the days following the operative day showed temperature elevations before death. 

Assessment of OARSI score 

OARSI score is found to be significantly lower in control animals (230.4±37.8) compared to  OA  (2433.8±254;  p<0.001)  and  PRP‐treated  (759.7±45.8;  p<0.001)  animals.  After  PRP‐treatment, the OARSI score is decreased significantly compared to OA specimens (p<0.001) and the  control  specimens  (p<0.001).  Representative  statistical  data  among  the  individual histopathological scores used to assess OARSI score in the knee sections are indicated in Table (1). 

Histological analysis 

Light  microscopic  examination  of  the  SM  from  the  control  group  reveals  a  regular structure of the SM in the form of 2 rows of flat synoviocytes with spindle shaped nuclei resting on subintimal adipose and loose areolar connective tissue. Subintimal layer contains fibroblasts, and apparently normal blood vessels. Few thin collagen fibers as well as weak PAS reactions are seen in intimal and subintimal layers and around the blood vessel (Figs. 2A, B & 3A, B).  

Arthritis  induction  produces  thick  SM  which  is  constituted  of  multiple  layers  of synoviocytes  and with wide  intercellular  spaces.  Subintima  is  formed  by  thick  fibrous  tissue separated by adipocytes and mononuclear  infiltrates. Subintimal blood vessels are numerous, congested with  perivascular  areas  of  fibrosis. Macrophages  in  intima  and  subintima  can  be seen. Thick collagen fiber in the intima and subintimal layers and around the blood vessel and strong PAS reaction are present (Figs. 2C, D & 3C, D). 

 After PRP injection, SM shows a thin intima, compared to osteoarthritis sections, with a single  layer of synoviocytes resting on subintimal  layer  formed mainly of  loose areolar tissue. Subintimal adipose  connective  tissue and  regular blood vessels  can be viewed.  Less  collagen fibers  in the  intimal and subintimal  layers and around blood vessels with moderately positive PAS reaction when compared to osteoarthritis group are observed (Figs. 2E, F & 3E, F).  

Page 12 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

12 

 

Thus, the histological results validated the sampling method of tissues and correspond to  the  grading data of  the OARSI  score  and  to  the discrimination of  the  synovial membrane specimens from control, OA and PRP‐treated groups.  

Immunohistochemical analysis 

Localization of PDGF‐A 

PDGF‐A is expressed throughout all layers of the SM of control specimens; mild staining is detected in the synovial lining layer, in the stroma cells as well as in the vascular endothelium (Figs. 4A, B). In conditions of tissue localization, similar results for PDGF‐A are obtained with SM of  OA  and  PRP‐treated  specimen;  however,  the  density  of  staining  differs.  In  SM  of  OA, moderate  staining  is  observed  in  the  fibroblasts,  cellular  infiltrates  and  in  the  vascular endothelium (Figs. 4C, D). After injection of PRP, specimens reveal strong PDGF‐A expression in the synoviocytes, stroma cells and in the vascular endothelium (Figs. 4E, F).  Localization of VEGF 

Mild positive immunoreactivity can be seen in the synovial lining and sublining cells and in  the vascular endothelial cells  (Figs. 5A, B).  In OA cases, mild staining  is  found  in  the  lining cells while strong staining  is observed  in  the perivascular and vascular endothelial cells  (Figs. 5C, D).  In  SM  of  PRP‐treated  cases, moderate  staining  is  observed  in  the  intimal  lining  and subintimal cells while strong staining  is observed around the blood vessels and  in the vascular endothelial cells (Figs. 5E, F).  

Statistical  analysis demonstrates  significantly higher  immunostained  area percentages for PDGF‐A  in SM from the knees of the PRP‐treated group (mean±SE, 20.6±2.4) compared to OA  (11.06±1.3;  p=0.  007)  and  control  groups  (4.1±0.78;  p<0.001).  Likewise,  there  is  a significantly higher immunostained area percentage for VEGF in SM from the knees of the PRP‐treated group (22.5±1.6) than in OA (14.9±1; p=0. 002) and control ones (6.5±0.7; p<0.001) (Fig. 6). 

ELISA analysis 

PDGF‐A  and  VEGF  serum  levels  are  measured  by  ELISA  assay  and  confirm  the immunohistochemical findings. We observe a significant increase in serum levels of PDGF‐A and VEGF  after  intraarticular  PRP  injection  (154.2±5.3,  232.1±3.1  pg/mg)  compared  to  OA (128.9±1.3,  185.9±3.07  pg/mg;  p<0.001)  and  control  (113±1.4,  89.6±1.6  pg/gm;  p<0.001) groups (Table 2). 

 

Page 13 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

13 

 

 

DISCUSSION 

To  date,  there  are  insufficient  studies  on  the  histological  evidence  to  sanction  the clinical usage of intra‐articular injection of PRP as a treatment modality in OA problems, and to our knowledge, no studies have dealt with the effects of  intra‐articular delivery of PRP on the histological  picture  of  SM  in  these  troubles.  In  this  study,  we  assessed  the  OA‐related histopathological and growth factor  immunoexpressive changes  in the synovium and cartilage of  rat  knee  and  the  possible,  improving  effects  of  PRP  particularly  on  the  synovial  changes which were hypothesized to be reflected positively on the chondral defect. 

The overall results showed that the intra‐articular injection of PRP has positive effects as shown by the return of the regular histological features,  lessening of the OARSI grading score, and enhancement of expression of PDGF‐A and VEGF in the synovial membrane. These effects are especially noteworthy since  they provide  the possibility of a new  therapeutic measure  to attenuate the progression and ease the symptoms of OA. 

Examination  of  the  histological  sections  illustrates  the  regular  structure of  SM  in  the control specimens while OA specimens show proliferative reactions  in the synovial  intima and subintima in the form of synovial cell hyperplasia, inflammatory cellular infiltrates, fibrosis and increased vascularity. These changes are indicative of synovitis, as the histological examination has previously been the gold standard for the diagnosis of synovitis (Wenham and Conaghan, 2010). Nearly similar results have been previously described; the scores for synovial cellularity, vascularity and inflammation were found to be markedly increased in the OA knees compared with  normal  ones  (Smith  et  al.,  1997).  The  proliferative  synovial  cells  and  infiltrated mononuclear cells may play a major part in the destruction of cartilage and bone in the joints. Interestingly, Blom and colleagues demonstrated that macrophage activation in the synovium is essential for cartilage damage via the production of matrix metalloproteinases, suggesting that inflammation within the synovium may be pivotal to cartilage damage (Blom et al., 2007).  

In addition, the synovitis that has been detected in OA knees is found to be not confined to areas of chondral defects as ensured by the examination sites. Similar general localization of synovitis have been lately reported by Wenham and Conaghan (2010), however; earlier studies demonstrated  an  association  between  the  chondral  defects  and  associated  synovitis  in  the medial  tibiofemoral  compartment  of  the  knee  (Ayral  et  al.,  2005;  Loeuille  et  al.,  2005). Whether the synovitis is limited to the areas of chondral defects or not, it has previously been well  established  that  synovial  inflammation  is  directly  implicated  in  the  initiation  and progression  of  OA  (Suri  et  al.,  1996).  Synovial  inflammation  is  an  important  source  of 

Page 14 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

14 

 

proinflammatory mediators produced by synovial cells induces a degradative cascade leading to joint damage (Lambert et al., 2012). 

After intra‐articular injection of PRP, there is noticeable improvement in the histological picture with  lessening of  the proliferative  response  in  the  intima and subintima compared  to OA specimens,  therefore, PRP could attenuate  the subsequent  inflammatory  response  in OA. Backing up this histological analysis  in SM, the statistical analysis of OARSI score reflecting the articular cartilage changes shows significantly lower scores after injection of PRP than those of OA  without  treatment.  The  possible  regenerative  effects  of  PRP  injection  and  its  role  in preserving the histological structure of SM in surgically‐induced knee OA, have been explained by the physiological role of platelets reported previously in wound healing (Nurden et al., 2008) and  by  the  evidence  that  platelets  discharge  bioactive  proteins  responsible  for  attracting macrophages, mesenchymal stem cells, osteoblasts, facilitating tissue regeneration, healing and promote  scavenging  of  necrotic  tissue  (Sampson  et  al.,  2008).  In  summary,  it  was demonstrated  that  PRP  increased  hyaluronic  acid  concentration,  stabilizing  angiogenesis  in patients  with  osteoarthritis  knees  (Anitua  et  al.,  2007;  Sampson  et  al.,  2008).  Besides,  intraarticular delivery of PRP allows  its presence  in a high concentration  in the  joint fluid and thus, PRP is allowed to pass through the affected cartilage and reach the SM by diffusion.  

Recent  animal  studies  have  assessed  the  PRP  effect  on  chondrogenesis  and  cartilage healing. In a rabbit model with osteochondral defects  in the femoropatellar groove, Sun et al. (2010)  demonstrated  a  higher  extent  of  cartilage  regeneration  and  increased  production  of glycosaminoglycans  in  the  extracelluar matrix  after  treatment with  autogenous  PRP  in  poly‐lacticglycolic acid. Additionally, Qi et al. (2009) established chondrogenesis with PRP when PRP was used with a scaffold.  

In  this study,  for  the  first time, we show the regulatory effect of  intraarticular PRP on the immunoexpressive manners of PDGF‐A and VEGF in SM of osteoarthritis rat knee. PDGF‐A is immunoexpressed  in  nearly  all  the  layers  of  SM  of  control, OA  and  PRH‐treated  specimens; namely  the  synovial  lining  layer,  the  stroma  cells  as  well  as  in  the  vascular  endothelium. Nevertheless,  the  statistical  data  reveal  differential  regulation  between  groups;  there  are substantial  increases  in  the  percentage  of  PDGF‐A  immunostained  area  in  the  PRP‐treated group  compared  to OA  and  is  lowest  in  the  control  group.  ELISA  analysis  is  consistent with immunoexpressive findings. 

The expression pattern of PDGF‐A  in  the  layers of  synovial membrane  is matched by many  previous reports (Sano et al., 1993; Pohlers et al., 2006). Numerous GFs were found to regulate  the growth and homeostasis of  such  tissues  throughout  life  (Goldring et al., 2006). PDGF‐A  and  VEGF  receptors  were  expressed  in  capillary  endothelial  cells  and  have  been 

Page 15 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

15 

 

demonstrated to induce angiogenic effects to varying degrees (Marx et al., 1994, Nicosia et al., 1994). 

The  present  results  indicating  the  upregulation  of  PDGF‐A  after  induction  of osteoarthrities  is matched  by  a  previous  studied  reporting  the  potential  role  of  PDGF‐A  in synovial hyperplasia and in augmenting the response of fibroblast like synoviocytes to selected inflammatory mediators (Chen et al., 2005; Pohlers et al., 2006). Early observations  in wound healing  revealed  that  PDGF‐A  is  released  by  platelets  and  by  activated  macrophages (Shimokado et al., 1985), yet the detailed functional roles of PDGF‐A and its importance in the pathogenesis of arthritic diseases remain speculative.

The substantial increase in PDGF‐A expression after injection of PRP could be explained by the findings that platelets contain an abundant amount of GFs that are crucial in soft tissue healing and bone mineralization (Anitua et al., 2006) and gives an evidence of the role of PDGF‐A  in cartilage repair. Recently, Amable et al.,  (2013) stated  that high concentrations of PDGF and other GFs are  secreted  from platelet  α‐granules after activation and  that GFs are highly retained  inside clots and would be slowly released  in vivo. The slow release of  the GFs could guard against formation of pannus tissue during OA or after PRP injection. 

The possible regenerative role of PDGF‐A is postulated either to its mitogenic activity to the mesoderm‐derived cells, such as fibroblasts and chondrocytes or to its specific activities in angiogenesis and chemotaxis for fibroblasts and collagen synthesis (Fortier et al., 2011; Civinini et al., 2013). Also, PDGF‐A could have a stimulatory effect on matrix synthesis in growth plate chondrocytes  (Schmidt et al., 2006). Thus,  the upregulation of PDGF‐A  in  the OA and  in  the PRP‐treated groups could suggest a multifunctional  role of  this GF  in  the process of cartilage destruction and healing. 

VEGF  immunoexpressive  analysis  reveals  positive  staining  in  the  synovial  lining  and sublining  cells  and  in  the  vascular  endothelial  cells  of  all  studied  specimens  and  in  the perivascular tissue of the OA group. Statistical data showed variability in the expression levels in the  studied  groups.  VEGF‐immunoexpressed  area  percentage  is  significantly  higher  in  PRP‐treated specimens compared  to  the control and OA ones. These data are consistent with the serum findings. 

VEGF has been extensively studied with regard to its function in angiogenesis; it acts on endothelial cells to stimulate their proliferation and migration (Neufeld et al., 1999) and found to be associated with synovial angiogenesis (Haywood et al., 2003). Uncontrolled angiogenesis is a decisive event of synovial  inflammation and these two  interdependent processes, that  is, angiogenesis and  inflammation, are now seen as an  important contributor of OA (Bonnet and 

Page 16 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

16 

 

Walsh,  2005).  This  is  coherent with  the  present  result which  reveals  upregulation  of  VEGF expression in OA synovium and is matched with the previous data of Enomoto et al. (2003) and Haywood  et  al.  (2003).  They  reported  a  possible  role  of  VEGF  in  hypervascularization  of inflamed tissue. Though they considered the VEGF as an early marker of arthritis and synovitis, the exact mechanism by which this  GF  affect the pathogenesis of OA is not distinctly seen.  

In the present work, PRP treatment causes significant increase in the expression of VEGF in PRP‐treated compared to OA specimens which could be attriputed to its stimulating effect on mitogenesis and regeneration of the endothelial cells in this tissue (Hoeben et al., 2004; Leitner et al., 2006). Nevertheless, dissimilar to our results, other investigators have shown no change in VEGF gene expression in a porcine model of immunologic arthritis (Lippross et al., 2011). 

An asymmetry of  these  regulatory GFs, which may  result  from disease, or  injury, may hinder  tissue maintenance  and  repair,  resulting  in  deleterious  changes  in  gene  expression, altered extracellular matrix,  tissue degeneration  and  consequently an accelerated erosion of the articular surface, leading to end‐stage arthritis (Alves et al., 2010).  

More significantly, our study  related  the synovial GF expression with  the synovial and chondral histopathological changes in the path of the OA and suggested that PDGF‐A and VEGF may play an important part in joint destruction and repair. Although functional collaboration of different GFs  exists  in  articular  inflammation,  specific GFs may  be  responsible  for  a  specific aspect of the disease process. PRP treatment could modulate the expression of a specific GF at an appropriate stage and thus could effectively regulate the disease process.  

CONCLUSION 

The histological and biochemical results of our study are encouraging and suggest that intraarticular  injected  platelet  rich  plasma  may  be  successfully  used  for  the  handling  of surgically‐induced  osteoarthritis  in  the  rat  knee.  PRP may  act  at  different  levels;  reducing inflammatory events  in synovium and modulating PDGF‐A and VEGF serum levels and synovial tissue  immunoexpression.  These  effects  could  reflect  positively  on  the  associated  chondral defect. 

RECOMMENDATION 

Large animal model and  longer duration postoperative follow up should be performed in  order  to  confirm  the  findings  from  this  study  and  provide  evidence  for  further  clinical investigation.  

ACKNOWLEDGMENTS 

Page 17 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

17 

 

This  study  was  supported  by  grant  No.  929⁄1433  from  the  Deanship  of  Taibah University,  Almadinah  Almonawarah,  Kingdom  of  Saudi  Arabia.  The  authors  thank  Mr. Mohammed Farook Ahmed, a technologist in Almadinah Maternity and children Hospital for his assistance during handling the samples. 

CONFLICT OF INTEREST 

The authors declare that there is no conflict of interest related to this study.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 18 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

18 

 

REFERENCES 

1.  Alves, H., Munoz‐Najar, U., De Wit, J., Renard, A.J., Hoeijmakers, J.H., Sedivy, J.M., Van Blitterswijk, C., De Boer, J., 2010. A link between the accumulation of DNA damage and loss of multipotency of human mesenchymal  stromal cell.  J. Cell Mol. Med. 14, 2729‐2738. 

2.  Amable,  P.R., Carias,  R.B., Teixeira,  M.V., da  Cruz  Pacheco,  I., Corrêa  do  Amaral, R.J., Granjeiro,  J.M., Borojevic,  R.,  2013.  Platelet‐rich  plasma  preparation  for regenerative medicine: optimization and quantification of cytokines and growth factors. Stem Cell Res. Ther.  7, 4(3):67.  

3.  Anitua, E., Andia, I., Ardanza, B., Nurden, P., Nurden, A.T., 2004. Autologous platelets as a source of proteins for healing and tissue regeneration. Thromb. Haemost. 91, 4‐15. 

4.  Anitua,  E.,  Sánchez, M., Nurden, A.T.,  Zalduendo, M.M.,  de  la  Fuente, M., Azofra,  J., Andía,  I.,  2007.  Platelet  released  growth  factors  enhance  the  secretion  of  hyaluronic acid  and  induce  hepatocyte  growth  factor  production  by  synovial  fibroblasts  from arthritic patients. Rheumatol. 46, 1769‐72. 

5.  Anitua, E., Sanchez, M., Nurden, A.T., Nurden, P., Orive, G., Andia, I., 2006. New insights into and novel applications for platelet‐rich fibrin therapies. Trends Biotechnol. 24, 227‐234.  

6.  Appleton,  C.T.,  McErlain,  D.D.,  Pitelka,  V.,  Schwartz,  N.,  Bernier,  S.M.,  Henry,  J.L., Holdsworth,  D.W.,  Beier,  F.,  2007.  Forced  mobilization  accelerates  pathogenesis: characterization  of  a  pre‐clinical  surgical model  of  osteoarthritis.  Arthritis  Res.  Ther. 9(1), R13. 

7.  Ayral, X., Pickering, E.H., Woodworth, T.G., Mackillop, N., Dougados, M., 2005. Synovitis: a  potential  predictive  factor  of  structural  progression  of  medial  tibiofemoral  knee osteoarthritis‐results  of  a  1  year  longitudinal  arthroscopic  study  in  422  patients. Osteoarthritis Cartilage. 13, 361‐367. 

8.  Bancroft, J.D., Gamble, M., 2002. Theory and Practice of Histological Technique. 5th ed. Churchill Livingstone. 

9.  Bendele, A.M., 2001. Animal models of osteoarthritis. J. Musculoskel. Neuron. Interact. 1(4), 363‐376. 

10. Blom,  A.B.,  van  Lent,  P.L.,  Libregts,  S.,  Holthuysen,  A.E.,  van  der  Kraan,  P.M.,  van Rooijen,  N.,  van  den  Berg,  W.B.,  2007.  Crucial  role  of  macrophages  in  matrix metalloproteinase‐mediated  cartilage  destruction  during  experimental  osteoarthritis: involvement of matrix metalloproteinase 3. Arthritis Rheum. 56, 147‐157. 

11. Boschetti, F., Peretti, G.M., 2008. Tensile and compressive properties of healthy and osteoarthritic human articular cartilage. Biorheology. 45(3‐4), 337‐44. 

Page 19 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

19 

 

12. Bonnet,  C.S.,  Walsh,  D.A.,  2005.  Osteoarthritis,  angiogenesis  and  inflammation. Rheumatology. (Oxford) 44, 7‐16. 

13. Bougault.  C., Cueru,  L., Bariller,  J., Malbouyres,  M., Paumier,  A., Aszodi,  A., Berthier, Y., Mallein‐Gerin,  F., Trunfio‐Sfarghiu,  A.M.,    2013.  Alteration  of cartilage mechanical properties  in  absence  of  β1  integrins  revealed  by  rheometry  and  FRAP  analyses.  J. Biomech.  46(10), 1633‐40.  

14. Buckwalter, J.A., Brown, T.D., 2004. Joint  injury, repair, and remodeling: Roles  in post‐traumatic osteoarthritis. Clin. Orthop. Relat. Res. 423, 7‐16. 

15. Burstein, D., Gray, M.L., 2006.  Is MRI  fulfilling  its promise  for molecular 2.  imaging of cartilage in arthritis? Osteoarthritis Cartilage. 14(11), 1087‐1090. 

16. Chen, J., Han, Y., Lin, C., Zhen, Y., Song, X., Teng, S., Chen, C., Chen, Y., Zhang Y, Hui R (2005)  PDGF‐A‐D  contributes  to  neointimal  hyperplasia  in  rat model  of  vessel  injury. Biochem Biophys. Res. Commun. 329, 976‐83. 

17. Cicuttini, F.M., Wluka, A.E., Stuckey, S.L., 2001. Tibial and  femoral cartilage changes  in knee osteoarthritis. Ann. Rheum. Dis. 60(10), 977‐80. 

18. Civinini, R., Nistri, L., Martini, C., Redl, B., Ristori, G., Innocenti, M., 2013. Growth factors in the treatment of early osteoarthritis. Clin Cases Miner Bone Metab 10(1),26‐9. 

19. Enomoto,  H.,  Inoki,  I.,  Komiya,  K.,  Shiomi,  T.,  Ikeda,  E.,  Obata,  K.,  Matsumoto,  H., Toyama,  Y.,  Okada,  Y.,  2003.  Vascular  endothelial  growth  factor  isoforms  and  their receptors are expressed in human osteoarthritic cartilage. Am. J. Pathol. 162, 171‐181. 

20. Flannery, C.R.,  Zollner, R., Corcoran, C.,  Jones, A.R., Root, A., Rivera‐Bermúdez, M.A., Blanchet,  T.,  Gleghorn,  JP.,  Bonassar,  L.J.,  Bendele,  A.M., Morris,  E.A.,  Glasson,  S.S., 2009.  Prevention  of  cartilage  degeneration  in  a  rat  model  of  osteoarthritis  by intraarticular treatment with recombinant lubricin. Arthritis Rheum. 60(3), 840‐847.  

21. Fortier,  L.A.,  Barker,  J.U.,  Strauss,  E.J., McCarrel,  T.M.,  Cole,  B.J.,  2011.  The  Role  of Growth Factors in Cartilage Repair. Clin. Orthop. Relat. Res.  469(10), 2706‐2715. 

22. Gerwin, N., Bendele, A.M., Glasson,  S., Carlson, C.S., 2010.  The OARSI histopathology initiative‐recommendations  for  histological  assessments  of  osteoarthritis  in  the  rat. Osteoarthritis Cartilage. 18(3), S24‐34. 

23. Goldring, M.B.,  Tsuchimochi,  K.,  Ijiri,  K.,  2006.  The  control  of  chondrogenesis.  J.  Cell Biochem. 97(1), 33‐44. 

24. Hayami,  T.,  2008.  Osteoarthritis  of  the  knee  joint  as  a  cause  of  musculoskeletal ambulation disability symptom complex (MADS). Clin. Calcium. 18, 1574‐1580. 

25. Haywood, L., McWilliams, D.F., Pearson, C.I., Gill, S.E., Ganesan, A., Wilson, D., Walsh, D.A., 2003. Inflammation and angiogenesis  in osteoarthritis. Arthritis Rheum. 48, 2173‐2177. 

Page 20 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

20 

 

26. Hoeben, A., Landuyt, B., Highley, M.S., Wildiers, H., Van Oosterom, A.T., De Bruijn, E.A., 2004.  Vascular  endothelial  growth  factor  and  angiogenesis.  Pharmacological  Reviews 56(4), 549‐580. 

27. Jackson, I.L., Vujaskovic, Z., Down, J.D., 2011. A further comparison of pathologies after thoracic irradiation among differentmouse strains: finding the best preclinical model for evaluating therapies directed against radiation‐induced  lung damage. Radiat. Res. 175, 510‐518. 

28. Kobayashi, K., Amiel, M., Harwood, F.L., Healy, R.M., Sonoda, M., Moriya, H., Amiel, D., 2000.  The  long‐term  effects  of  hyaluronan  during  development  of  osteoarthritis following partial meniscectomy in a rabbit model. Osteoarthritis Cartilage. 8, 359‐65. 

29. Lambert, C., Mathy‐Hartert, M., Dubuc,  J., Montell, E., Vergés,  J., Munaut, C., Noël, A, Henrotin,  Y.  2012.  Characterization  of  synovial  angiogenesis  in  osteoarthritis  patients and its modulation by chondroitin sulfate. Arthritis Research & Therapy. 14 R58. 

30. Leitner, G.C., Gruber, R., Neumüller, J., Wagner, A., Kloimstein, P., Höcker, P., Körmöczi, G.F., Buchta, C., 2006. Platelet content and growth factor release in platelet rich plasma: A comparison of four different systems. Vox Sanguinis. 91, 135‐139  

31. Lippross, S., Moeller, B., Haas, H., Tohidnezhad, M., Steubesand, N., Wruck, C.J., Kurz, B., Seekamp, A., Pufe, T., Varoga, D., 2011.  Intraarticular  injection of platelet‐rich plasma reduces  inflammation  in a pig model of rheumatoid arthritis of the knee joint. Arthritis Rheum. 63(11), 3344‐3353.  

32. Loeuille, D., Chary‐Valckenaere,  I., Champigneulle,  J., Rat, A.C., Toussaint, F., Pinzano‐Watrin,  A., Goebel,  J.C., Mainard,  D.,  Blum,  A.,  Pourel,  J., Netter,  P., Gillet,  P.  2005. Macroscopic  and  microscopic  features  of  synovial  membrane  inflammation  in  the osteoarthritic  knee:  correlating  magnetic  resonance  imaging  findings  with  disease severity. Arthritis Rheum. 52, 3492‐3501. 

33. Marx, M.,  Perlmutter,  R.A., Mardi,  J.A.,  1994. Modulation  of  platelet‐derived  growth factor  receptor  expression  in  microvascular  endothelial  cells  during  in  vitro angiogenesis. J. Clin. Invest. 93, 131‐139. 

34. Messora, M.R., Nagata, M.H., Furlaneto, F.C., Dornelles, R.M., Bomfim, S.M., Deliberador, T.M., Garcia, V.G,. Bosco, A.F. 2011. A standardized research protocol for platelet- rich plasma (PRP) preparation in rats. RSBO. 8(3), 299-304 

35. Neufeld, G., Cohen, T., Gengrinovitch, S., Poltrak, Z., 1999. Vascular endothelial growth factor and its receptors. FASEB J. 13, 9‐22. 

36. Nicosia, R.F., Nicosia, S.V., Smith, M., 1994. Vascular endothelial growth factor, platelet‐derived growth  factor, and  insulin‐like growth  factor‐I promote rat aortic angiogenesis in vitro. Am. J. Pathol. 145, 1023‐1029.  

Page 21 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

21 

 

37. Nurden, A.T., Nurden, P., Sanchez, M., Andia,  I., Anitua, E., 2008. Platelets and wound healing. Front. Biosci. 13, 3532‐3548. 

38. Palmieri,  B.,  Rottigni,  V.,  Iannitti,  T.,  2013.  Preliminary  study  of  highly  cross‐linked hyaluronic  acid‐based  combination  therapy  for  management  of knee osteoarthritis‐related pain. Drug Des. Devel. Ther. 7, 7‐12.  

39. Pohlers,  D.,  Huber,  R.,  Ukena,  B.,  Kinne,  R.W.,  2006.  Expression  of  platelet‐derived growth factors C and D in the synovial membrane of patients with rheumatoid arthritis and osteoarthritis. Arthritis Rheum. 54(3), 788‐794. 

40. Qi, Y.Y., Chen, X., Jiang, Y.Z., Cai, H.X., Wang, L.L., Song, X.H., Zou, X.H., Ouyang, H.W., 2009. Local delivery of autologous platelet in collagen matrix simulated in situ articular cartilage repair. Cell Transplant 18(10), 1161‐1169. 

41. Qureshi, A.H., Chaoji, V., Maiguel, D., Faridi, M.H., Barth, C.J., Salem, S.M., Singhal, M., Stoub, D., Krastins, B., Ogihara, M., Zaki, M.J., Gupta, V., 2009. Proteomic and phospho‐ 28. proteomic profile of human platelets  in basal,  resting  state:  insights  into  integrin signaling. PLoS One. 4(10), 7627. 

42. Sampson, S., Gerhardt, M., Mandelbaum, B., 2008. Platelet rich plasma  injection grafts for musculoskeletal injuries: a review. Curr. Rev. Musculoskelet. Med. 1, 165‐174. 

43. Sano, H., Engleka, K., Mathern, P., Hla, T., Crofford,  L.J., Remmers, E.F.,  Jelsema, C.L., Goldmuntz,  E.,  Maciag,  T.,  Wilder,  R.L.,  1993.  Coexpression  of  phosphotyrosine‐containing proteins, platelet‐derived growth factor‐B, and fibroblast growth factor‐1  in situ in synovial tissues of patients with rheumatoid arthritis and Lewis rats with adjuvant or streptococcal cell wall arthritis. J. Clin. Invest. 91, 553‐65. 

44. Say, F., Gürler, D., Yener, K., Bülbül, M., Malkoc, M., 2013. Platelet‐rich plasma injection is more effective than hyaluronic acid in the treatment of knee osteoarthritis. Acta Chir. Orthop. Traumatol. Cech. 80(4), 278‐83. 

45. Schmidt, M.B.,  Chen,  E.H.,  Lynch,  S.E.,  2006.  A  review  of  the  effects  of  insulin‐like growth factor and platelet derived growth factor on in vivo cartilage healing and repair. Osteoarthritis Cartilage. 14(5), 403‐412. 

46. Shimokado, K.E., Raines, W., Madtes, D.K., Barrett, T.B., Benditt, E.P., Ross, R., 1985. A significant part of macrophagederived growth  factor  consists of at  least  two  forms of PDGF‐A. Cell. 43, 277‐286.  

47. Siebelt, M., van der Windt, A.E., Groen, H.C., Sandker, M., Waarsing, J.H., Müller, C., de Jong,  M.,  Jahr,  H.,  Weinans,  H.,  2014.    FK506  protects  against articular cartilage collagenous  extra‐cellular  matrix  degradation.  Osteoarthritis Cartilage.  pii: S1063‐4584(14)00042‐9.  

48. Smith, M.D., 2011. The normal synovium. The Open Rheumatology Journal. 5, 100‐106. 

Page 22 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

22 

 

49. Smith, M.D.,  Triantafillou,  S.,  Parker,  A.,  Youssef,  P.P.,  Coleman, M.,  1997.  Synovial membrane inflammation and cytokine production in patients with early osteoarthritis. J. Rheumatol. 24, 365‐371. 

50. Smith, M.D., Walker, J.G., 2011. The synovium. Rheumatology Editors Hochberg, Silman, Smolen, Weinblatt, Weisman, Eds. 5th ed., vol 1, pp. 51‐6. 

51. Sonnleitner, D., Huemer, P., Sullivan, D.Y., 2000. A  simplified  technique  for producing platelet‐rich plasma and platelet concentrate  for  intraoral bone grafting  techniques: a technical note. Int J Oral Maxillofac Implants. 15 (6), 879‐82. 

52. Sun, Y., Feng, Y., Zhang, C.Q., Chen, S.B., Cheng, X.G., 2010. The regenerative effect of platelet rich plasma on healing  in  large osteochondral defects.  Int. Orthop. 34(4), 589‐597. 

53. Suri, C.,  Jones, P.F., Patan, S., Bartunkova, S., Maisonpierre, P.C., Davis, S., Sato, T.N., Yancopoulos,  G.D.,  1996.)  Requisite  role  of  angiopoietin‐1,  a  ligand  for  the  TIE2 receptor, during embryonic angiogenesis. Cell. 87, 1171‐1180. 

54. Taylor, C.R., 1993. The total test approach to standardization of immunohistochemistry. Appl. Immunohistochem. 1, 232‐243. 

55. Uchida, K., Naruse, K., Satoh, M., Onuma, K., Ueno, M., Takano, S., Urabe, K., Takaso, M. 2013. Increase of circulating CD11b(+)Gr1(+) cells and recruitment into the synovium in osteoarthritic mice with hyperlipidemia. Exp. Anim. 62(3), 255‐65. 

56. Wenham, C.Y., Conaghan, P.G., 2010. The role of synovitis  in osteoarthritis. Ther. Adv. Musculoskelet. Dis. 2(6), 349‐359.  

57. Yorimitsu, M., Nishida, K.,  Shimizu, A., Doi, H., Miyazawa,  S., Komiyama,  T., Nasu,  Y., Yoshida,  A.,  Watanabe,  S.,  Ozaki,  T.,  2008.  Intra‐articular  injection  of  interleukin‐4 decreases  nitric  oxide  production  by  chondrocytes  and  ameliorates  subsequent destruction  of  cartilage  in  instability  induced  osteoarthritis  in  rat  knee  joints.  steoarthritis and Cartilage. 16(7), 764‐771. 

           

Page 23 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

23 

 

TABLE 

Table 1. Histopathological changes in the knee of the three studied groups.  

Histopathological changes (mean±SE) 

Control (n=15) 

Osteoarthritis (n=12) 

Platelet rich plasma‐treated 

(n=13) 

P value 

1. Cartilage matrix loss (in µm) (mean±SE) 

42.9±14.2  823.8±105.9  267.3±20.8  P1<0.001* P2<0.001* P3<0.001* P4=0.001* 

2. Cartilage degeneration score (mean rank) 

8.9  33.96  21.46  P1<0.001* P2<0.001* P3<0.001* P4<0.001* 

3. Zonal depth ratio of lesions (mean±SE) 

0.2±0.05  1.5±0.1  0.6±0.1  P1<0.001* P2<0.001* P3=0.013* P4<0.001* 

4. Total cartilage degeneration width (in µm) (mean±SE) 

71.3±22.5  776.3±102.8  161.8±12.8  P1<0.001* P2<0.001* P3=0.006* P4<0.001* 

5. Significant cartilage degeneration width (in µm) 

(mean±SE) 

24.2±6.9  547.3±81.4  134.3±13.3  P1<0.001* P2<0.001* P3<0.001* P4=0.001* 

6. Osteophyte score (mean rank)  11.6  21.96  29.42  P1<0.001* P2=0.004* P3<0.001* P4=0.041* 

7. Calcified cartilage and subchondral bone damage score 

(mean rank) 

11.6  17.67  33.38  P1<0.001* P2=0.025* P3<0.001* P4<0.001* 

8. Synovial reaction (mean rank)  9.5  32.38  22.23  P1<0.001* P2<0.001* P3<0.001* P4<0.003* 

9. Medial capsule width (in µm)  90.2±2.7  272±16.1  177±8.3  P1<0.001* 

Page 24 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

24 

 

(mean±SE)  P2<0.001* P3<0.001* P4<0.001* 

Total OARSI score (mean±SE)  230.4±37.8  2433.8±254  759.7±45.8  P1<0.001* P2<0.001* P3<0.001* P4<0.001* 

P1:  significance  in  differences  of  variables  between  the  3  studied  groups;  P2  between  the control  and  osteoarthritis  groups;  P3  between  the  control  and  PRP‐treated  groups;  P4: between the osteoarthritis and PRP‐treated groups. * Significant p<0.05. 

 

Table 2. Mean levels of PDGF‐A and VEGF in plasma of control, osteoarthritis and Platelet rich plasma‐treated cases.  

  Control (n=15) 

Osteoarthritis (n=12) 

Platelet rich plasma‐treated 

(n=13) 

P value 

PDGF‐A (pg/ml) (mean±SE)  113±1.4  128.9±1.3  154.2±5.3  P<0.001* 

VEGF (pg/ml) (mean±SE)  89.6±1.6  185.9±3.07  232.1±3.1  P<0.001* 

P: significance in differences of variables between the 3 studied groups; * Significant p<0.05. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 25 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

25 

 

FIGURE LEGENDS 

Figure  (1): Photomicrograph of medial tibial plateau from rat which had medial meniscal tear surgery.  A)  For  measuring  the  widths  of  collagen  matrix  loss*1*at  0%  (surface),  100% (tidemark) and 50% (midzone) depths. B) For evaluation of the cartilage degeneration score*2*, the original surface of the tissue must be estimated (red tracing), then the percentage area of each zone that contains cartilage exhibiting loss of chondrocytes (50% or greater loss of normal cellularity) or loss of matrix (yellow tracing) is estimated. The lesion depth ratio*3*is calculated by dividing the depth of the lesion (yellow line) by the thickness of the cartilage from projected articular  surface  to  tidemark  (black  vertical  line).  These  measurements  are  taken  at  the midpoint of each  zone. C) The  total  cartilage degeneration width*4*(black horizontal  line)  is taken at the projected cartilage surface from the outer edge of the tibial plateau, adjacent to the  osteophyte  to  the  point  at  which  the  cartilage  is  normal.  The  significant  cartilage degeneration width*5*(red horizontal line) represents the width of tibial cartilage in which 50% or  more  of  the  original  cartilage  thickness  is  seriously  compromised.  D)  The  largest osteophyte*6*in the section  is measured  from base to edge at the thickest point (green  line) and then given a score based on that measurement. Calcified cartilage and subchondral bone damage  score*7*.  There  is  increased  basophilia  at  the  tidemark  (red  arrow)  with marked multifocal  fragmentation of calcified cartilage of tidemark and marrow mesenchymal changes upto ¾ of the total area (A‐D, Alcian blue/PAS X40) (modified from Gerwin et al.,  2010). 

Figure (2): Photomicrographs of histological sections of synovial membrane from rat knee. (A, B)  Control  sections  show  thin  layer  of  synovial  intima  (arrows)  formed  of  two  rows  of  flat synoviocytes with  spindle  shaped  nuclei  resting on  subintimal  adipose  (A)  and  loose  areolar connective tissue (L). Subintima contains fibroblasts (arrow head), few collagen fibers (double arrows) and  regular blood vessels  (inset, V).  (C, D) Osteoarthritis sections show  thick  layer of intima  (I) with  synoviocytes  arranged  in multiple  layers  and  separated  by wide  intercellular spaces  (thin  arrow).  Subintima  is  formed  of  dense  fibrous  tissue  (arrow  head),(inset,  arrow head)  separated  by  adipocytes  (D)  and mononuclear  infiltrates  (double  arrows).  Subintimal blood  vessels  are  numerous,  congested  with  perivascular  areas  of  fibrosis  (V).  Note  the presence  of Macrophages  in  intima  and  subintima  (thick  arrow).  (E,  F)  PRP‐treated  sections show thin intima (arrows), compared to osteoarthritis sections, with single layer of synoviocytes resting  on  subintimal  layer  formed  mainly  of  loose  areolar  tissue  (L).  Subintimal  adipose connective tissue (double arrows) and regular blood vessels (V) can be seen. (A, C, E: HE X100, B, D, F, insets; HE X1000). 

Figure (3): Photomicrographs of histological sections of synovial membrane from rat knee. (A, B)  Control  sections  show  few  thin  collagen  fibers  (thin  arrows)  in  the  subintimal  layer  and 

Page 26 of 32

Accep

ted

Man

uscr

ipt

26 

 

around  blood  vessels. Weak  PAS  reactions  (thick  arrows)  are  seen  in  intimal  and  subintimal layers and around  the blood vessel.  (C, D) Osteoarthritis  sections  reveal  thick collagen  fibers (thin arrows) in the intimal and subintimal layers and around the blood vessel with strong PAS reaction (thick arrows). (E, F) PRP‐treated sections show less collagen fibers (thin arrows) in the intimal and subintimal  layers and around blood vessels with moderately positive PAS reaction (thick arrows) when compared to osteoarthritis group. (A, C, E: Masson’s Trichrom X100 & B, D, F: Alcian blue/PAS X100). 

Figure  (4): Photomicrographs of PDGF‐immunostained sections.  (A, B) Control sections  reveal mild  PDGF  expression  in  the  cytoplasm  of  synoviocytes  of  intima  (thin  arrow)  and  in  the subintimal  adipose  connective  tissue  (double  arrows). Moderate  staining  are  present  in  the cytoplasm  of  vascular  endothelium  (thick  arrows).  (C,  D)  Osteoarthritis  sections  reveal moderate PDGF expression in the cytoplasm of synoviocytes (thin arrow), subintimal adipocytes (double  arrows)  and  around  the  blood  vessels.  Note  the  strong  positive  staining  in  the cytoplasm of vascular endothelium (thick arrow). (E, F) PRP‐treated sections reveal strong PDGF expression  in the cytoplasm of synoviocytes (thin arrow), adipocytes (double arrows), vascular endothelium (thick arrows) and around the blood vessels. (A, C, E: anti‐PDGF X100 & B, D, F: anti‐PDGF X400). 

Figure  (5): Photomicrographs of VEGF‐immunostained  sections.  (A, B) Control  sections  reveal weak VEGF expression in the cytoplasm of synoviocytes (thin arrow) and subintimal adipocytes (double  arrows). Moderate  staining  is  seen  in  the  cytoplasm  of  vascular  endothelium  (thick arrows).  (C,  D)  Osteoarthritis  sections  reveal  mild  VEGF  expression  in  the  cytoplasm  of synoviocytes (thin arrow), subintimal connective tissue (double arrows), while strong reactions around  the  blood  vessels  (red  arrow)  and  in  the  cytoplasm  of  vascular  endothelium  (thick arrows)  can  be  seen.  (E,  F)  PRP‐treated  sections  reveal moderate  VEGF  expression  in  the cytoplasm of synoviocytes (thin arrow) and subintimal adipocytes (double arrows) while strong reactions are seen in the cytoplasm of vascular endothelium. (A, C, E: anti‐VEGF X100 & B, D, F: anti‐VEGF X400). 

Figure (6): Box and whisker plot (median,  interquartile range and range) of  immunoexpressed area% of PDGF and VEGF in the studied groups.