Infrapatellar Fat Pad Features In Osteoartrhitis: A Histopathological And Molecular Study

Background and aims: Knee osteoarthritis (KOA) is a common cause of disability and pain in adults. Obesity is increasingly recognized as the primary modifiable risk factor for the onset and progression of KOA. The mechanisms that link the two conditions are still not fully clarified but recent data suggest an important role mediated by the infrapatellar fat pad (IFP). Accordingly, we aimed to determine the histomorphological characteristics of IFP in individuals affected by KOA and compare them to those obtained from lean healthy individuals using a histological scoring system. Moreover, we determined the expression of certain adipocytokines in IFP of KOA subjects. Materials and Methods: We enrolled 28 subjects (BMI 35.5±5 kg/m2) undergoing total knee replacement for OA. The controls were represented by IFP and adjacent synovial membrane specimens sampled from bodies or bodies part of 8 healthy subjects without history of osteoarthritis involved in the Body Donation Program ‘Donation to Science’ held by the University of Padova. The microscopic anatomy of IFP was analyzed through histological and morphometrical methods. The histology of the synovial membrane adjacent to the IFP was also analyzed. We determined mRNA expression using Quantitative real time PCR for adipokines (leptin, adiponectin, Peroxisome proliferator-activated receptor gamm, fatty acid binding protein4) and cytokines (Interleukin 6 [IL-6], Tumor necrosis factor alfa[TNF-α], Monocyte chemoattractant protein-1[MCP-1], Vascular endothelial growth factor [VEGF]) in the IFP specimens of KOA subjects. Results: All the evaluated IFPs showed microscopical characteristics similar to white adipose tissue. IFPs were organized in adipose lobuli separated by fibrous septa. No differences were detected in the mean diameter of the adipose lobuli of the IFP in KOA patients and controls. Mononuclear infiltration was present in 22 KOA patients while it was not observed in any of the IFP used as control (p = 0.001). The average number of vessels and the thickness of interlobular septa were significantly higher in KOA patients compared to controls (p < 0.0001 and p = 0.004 respectively). BMI correlated positively with the thickness of the interlobular septa in IFP (p= 0.02, r= 0.42). Concerning synovial membrane, the presence of lymphocytic infiltration and hyperplasia was statistically higher in KOA compared to controls (p <0.001 and p = 0.001 respectively) and it was more vascularized and fibrotic compared to controls (p <0.001 and p = 0.002 respectively). Furthermore, in IFP samples it was noticed an expression of genes typical of inflammed adipose tissue such as IL-6, TNF-α, MCP-1 and VEGF. Moreover, we observed a positive correlation between the number of blood vessels of KOA synovial membrane and mRNA expression of VEGF in IFP (p=0.04). Conclusion: Our study describes for the first time the histopathological characteristics of IFP in a large cohort of patients with KOA. IFP showed pathologic structural changes in the lobule dimension, interlobular septa, vascularization and inflammatory infiltrate. These changes were associated with synovial inflammation. Moreover, we added evidence about the existence of a probable crosstalk between cytokines produced by IFP and the synovial membrane.

Introduzione e scopo dello studio: L’osteoartrosi del ginocchio (KOA) è la maggiore causa di disabilità e dolore nella popolazione anziana. L'obesità è considerata il fattore di rischio modificabile più comune per l'insorgenza e la progressione della KOA. Sebbene i meccanismi che collegano le due patologie sono poco chiari, dati recenti suggeriscono un ruolo significativo mediato dal tessuto adiposo infrapatellare (IFP). Lo scopo di questo lavoro è quello di descrivere le caratteristiche istomorofologiche dell’ IFP in soggetti affetti da KOA e confrontarle con quelle ottenute da soggetti sani, utilizzando un sistema di ‘score’ istologico. Inoltre, abbiamo valutato l'espressione dei varie adipocitochine nell’ IFP di soggetti con KOA. Materiali e Metodi: Sono stati arruolati 28 soggetti (BMI 35,5 ± 5 kg / m2) sottoposti a sostituzione totale del ginocchio per KOA. Sono stati utilizzati come controlli, campioni di IFP con membrana sinoviale adiacente prelevati da 8 donatori del programma “Donarsi alla Scienza” dell’Istituto di Anatomia Umana presso l'Università di Padova. L'aspetto microscopico dell’ IFP è stato analizzato con metodi istologici e morfometrici. E’ stato anche effettuato l'esame istologico della membrana sinoviale adiacente all’IFP. Abbiamo determinato l'espressione di mRNA utilizzando real time PCR quantitativa per le seguenti adipochine (leptina, adiponectina, Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, Fatty acids binding protein 4) e citochine (interleuchina 6 [IL-6], fattore di necrosi tumorale alfa [TNF-α], Monocyte chemoattractant protein-1 [MCP-1], vascular endothelial growth factor [VEGF]) nei campioni dell’IFP dei soggetti affetti da KOA. Risultati:I campioni di IFP hanno evidenziato caratteristiche microscopiche simili al tessuto adiposo bianco. L’IFP è organizzato in lobuli adiposi separati da setti fibrosi. Non sono state rilevate differenze nel diametro medio del lobulo adiposo dell’IFP sia nei soggetti affetti da KOA che nei controlli. L’ infiltrazione Mononucleare è presente in 22 soggetti con KOA, mentre non è stata osservata in nessun IFP dei controlli (p = 0.001). Il numero medio dei vasi e lo spessore dei setti interlobulari sono significativamente più alti nei soggetti con KOA rispetto ai controlli (p <0.0001 e p = 0,004 rispettivamente). Il BMI correlava positivamente con lo spessore dei setti interlobulari nell’ IFP (p = 0.02, r = 0.42). Inoltre, l’infiltrazione linfocitaria e l’iperplasia sinoviale erano più accentuate nel KOA rispetto ai controlli (p <0.001 e p = 0.001 rispettivamente). La membrana sinoviale era anche più vascolarizzata e fibrotica rispetto ai controlli (p <0.001 e p = 0.002 rispettivamente).Per quanto riguarda l’analisi molecolari, l’ IFP mostrava un espressione dei geni tipiche del tessuto adiposo infiammato come IL-6, TNF-α, MCP-1 e VEGF. Inoltre, abbiamo osservato una correlazione positiva tra l’angiogenesi sinoviale e l’ espressione genica del VEGF nell’ IFP (p = 0.04). Conclusione: Il nostro studio è il primo che descrive le caratteristiche istopatologiche dell’ IFP in soggetti prevalentemente sovrappeso/obesi affetti da KOA. L’IFP aveva un fenotipo patologico caratterizzato dall’alterazione a livello della dimensione del lobulo, dello spessore dei setti interlobulari, del grado di vascolarizzazione ed dell’infiltrato infiammatorio. Queste alterazioni strutturali sono state associate ad un’infiammazione a livello della membrana sinoviale adiacente. Inoltre, abbiamo aggiunto un’altra prova dell'esistenza di una probabile crosstalk tra citochine prodotte dall’ IFP e la membrana sinoviale.