The role of the blood supply to growth cartilage in physeal osteochondrosis and septic arthritis/osteomyelitis in foals and pigs

Abstract

Long bone growth takes place by enchondral ossification of growth cartilage, a temporary tissue only present at the articular-epiphyseal cartilage complex (AECC) and the physis in skeletally immature animals and humans. In contrast to articular cartilage, growth cartilage has a blood supply that runs in cartilage canals and consists of an afferent arteriole, a capillary network and one or more efferent venules. Vascular failure of cartilage canals at the point of incorporation into bone may result in focal ischemic chondronecrosis, causing a delay of enchondral ossification. A delay of enchondral ossification is the definition of osteochondrosis, which is a clinical problem in many species including horses and pigs. The presence of cartilage canals relative to age and anatomical location is therefore widely researched in these two species, and there is considerable inter-species similarities. There may be several underlying causes for vascular failure of cartilage canals. For example, in experimental studies in chickens and pigs bacterial binding to growth cartilage extracellular matrix through endothelial discontinuities in cartilage canals was demonstrated. Endothelial discontinuities are present during active cartilage canal ingrowth and regression. Bacterial binding within cartilage canals may result in local infection occluding the cartilage canal, leading to vascular failure. Septic arthritis and osteomyelitis are common clinical entities in foals, the majority of which are of haematogenous origin. Recently, a higher prevalence of osteochondral lesions in horses that survived infection as foals was reported. The aim of this thesis was to investigate the involvement of cartilage canals in the pathogenesis and treatment of septic arthritis/osteomyelitis in foals, and to describe the blood supply with relevance to physeal osteochondrosis. Bones from foals euthanized due to septic arthritis/osteomyelitis were examined by histology to determine the presence and consequences of bacterial infection in cartilage canals. Bones from healthy pigs and foals were evaluated by histology, computed tomography (CT) and micro-computed tomography (micro-CT) to describe the vascular supply to the physis and potential consequences of vascular failure. Finally, three clinically relevant treatment techniques for local administration of antibiotics were tested in a post mortem porcine model, investigating distribution of dye (used as a histological marker of antibiotics) into cartilage canals, with emphasis on the physis. . In foals with septic arthritis/osteomyelitis, bacteria were observed in the distal tips of necrotic cartilage canals in both the AECC and the physis. Areas of focal ischemic chondronecrosis centred on one or more necrotic cartilage canals were observed, sometimes with evidence of focally delayed enchondral ossification, i.e. osteochondrosis. In clinically healthy pigs, physeal lesions observed on CT scans were histologically confirmed to be osteochondrosis. Areas of hypertrophic, retained cartilage were centred on necrotic cartilage canals and eosinophilic streaks in an identical manner to that of necrotic cartilage described for osteochondrosis in the AECC. This observation provides evidence that physeal osteochondrosis may be a consequence of vascular failure. The configuration and extent of AECC and physeal growth cartilage blood supply in healthy foals changed with age and involved ingrowth and regression of cartilage canals. Both of these processes entail endothelial discontinuities, potentially providing access to extracellular matrix for bacteria. Subchondral blood supply was also dynamic which may entail endothelial discontinuities, providing similar access to extracellular matrix as in cartilage canals. Of the three investigated treatment techniques, intravenous regional perfusion resulted in significantly wider distribution of dye to cartilage canals and other tissues when compared to intraosseous perfusion and intraarticular injection in pigs. The exception was the joint cavity where only dye injected into the joint was present. In conclusion and based on the above findings, the blood supply to growth cartilage is essential in the pathogenesis of both physeal osteochondrosis and osteomyelitis. Physeal osteochondrosis may occur due to vascular failure, and physeal osteomyelitis may occur when circulating bacteria gain access to extracellular matrix by endothelial discontinuities in the cartilage canal vessels. These two clinically different diseases are also linked, as osteomyelitis may lead to osteochondrosis as a long term complication by causing septic vascular failure.

Vekst av rørknokler skjer ved enchondral forbeining i vekstbrusk, et midlertidig vev kun tilstede i epifysen og fysen hos unge, voksende dyr og mennesker. I motsetning til leddbrusk har vekstbrusk en blodforsyning i form av karkanaler, som består av en arterie, et kapillærnøste og en eller flere vener. Svikt av karkanaler når de inkorporeres i underliggende beinvev kan føre til at omkringliggende brusk dør, som igjen kan forårsake fokale forsinkelser i forbeiningen. Dette er definisjonen av osteochondrose, som er en vanlig utviklingssykdom hos blant annet gris og hest, og som ofte karakteriseres av løse beinbiter i ledd (osteochondrosis dissecans, OCD). Distribusjon av karkanaler i forhold til alder og anatomi er derfor godt kartlagt hos disse artene, og viser mange likhetstrekk. Det kan finnes flere årsaker til at karkanalene svikter. For eksempel har eksperimentelle studier av kylling og gris vist bakteriell binding til ekstracellulær matriks via åpninger i endotelet (det innerste cellelaget i blodkar) i karkanaler. Slike åpninger i endotelet forekommer ved aktiv innvekst eller tilbakedannelse av karkanaler. Bakteriell binding i en karkanal vil kunne resultere i en lokal infeksjon, der karkanalen tilstoppes slik at blodforsyningen svikter. Infeksjoner i ledd og beinvev er vanlige kliniske problemstillinger hos føll, og skyldes i de fleste tilfeller blodbårne bakterier. Det ble nylig rapportert høyere forekomst av løse beinbiter i ledd hos hester som overlevde infeksjon som føll. Målet med denne avhandlingen var å undersøke karkanalenes rolle i utvikling og behandling ved leddinfeksjoner og osteomyelitt hos føll, samt å beskrive blodtilførsel til fysen og å undersøke om osteochondrose i fysen kan forårsakes av vaskulær svikt. Knokler fra føll avlivet på grunn av leddinfeksjon og osteomyelitt ble undersøkt histologisk for å kartlegge forekomst og konsekvenser av bakteriell infeksjon i karkanaler. Knokler fra klinisk friske griser og føll ble undersøkt med histologi, datatomografi (CT) og mikro-datatomografi (mikro-CT) for å beskrive blodtilførselen til fysen og eventuelle konsekvenser av en fyseal vaskulær svikt. Deretter ble tre klinisk relevante teknikker for lokalbehandling med antibiotika testet i en post mortem grisemodell for å undersøke distribusjon av fargestoff (brukt som markør for antibiotika) til karkanaler, med hovedfokus på karkanaler i fysen. Hos føll med leddinfeksjon og osteomyelitt, ble bakterier observert i enden av sviktede karkanaler, lengst ut i brusken, både i epifyseal og fyseal vekstbrusk. Områder med nekrotisk brusk sentrert rundt en eller flere nekrotiske kanaler ble observert, noen ganger med forsinket forbeining, forenlig med osteochondrose. Lesjoner i fysen observert på CT ble histologisk bekreftet å være osteochondrose hos gris. Områder med forsinket forbeining bestående av hypertrofiske bruskceller var sentrert rundt døde karkanaler og eosinofile streker på samme måte som i død brusk ved tilfeller av osteochondrose i epifysen. Dette bekrefter at osteochondrose i fysen kan skyldes vaskulær svikt på samme måte som i epifysen. Undersøkelse av knokler fra friske føll viste at blodtilførselen til vekstbrusk både i epifysen og fysen er dynamisk både i antall karkanaler som er tilstede til enhver tid, og, for fysen, hvor disse har sitt opphav. Disse dynamiske prosessene innebærer et potensiale for eventuelle blodbårne bakterier til å binde seg til ekstracellulær matriks i vekstbrusken, siden innvekst og tilbakedannelse av karkanaler medfører åpninger i endotelet. De samme prosessene kan være tilstede i underliggende beinvev, fordi blodtilførselen også her er dynamisk. Av de tre undersøkte teknikkene for lokalbehandling med antibiotika, gav intravenøs regional perfusjon vesentlig høyere distribusjon av fargestoff til karkanaler og annet vev sammenlignet med intraosseøs regional perfusjon og leddinjeksjon. Derimot var det kun leddinjeksjon som resulterte i fargestoff i leddhulen. Basert på ovennevnte funn konkluderes det med at blodtilførselen til vekstbrusk spiller en sentral rolle i utviklingen av både fyseal osteochondrose og lokal infeksjon (osteomyelitt). Fyseal osteochondrose kan oppstå ved svikt av fyseale karkanaler, og osteomyelitt kan oppstå ved direkte kontakt mellom blodbårne bakterier og ekstracellulær matriks via åpninger i endotelet, som er tilstede ved innvekst og tilbakedannelse av blodkar i karkanaler. Disse to sykdommene forbindes ved at osteochondrose også kan forekomme som en langtids-komplikasjon av osteomyelitt på grunn av vaskulær svikt med påfølgende ischemisk chondronekrose.