Abstract
The organic/inorganic relationships in calcifying cartilage have been studied in tibialfemoral epiphyses of 5-day-old rats and in costochondral junctions of 1-month-old guinea pigs. The main results are:
(a) Apatite crystallites in areas of early cartilage calcification are easily removed from araldite and glycol methacrylate (GMA) sections by 1-hour treatment with 2% formic acid. (b) The decalcified areas have a very low electron density and do not contain recognizable structures. Only after osmium fixation can an amorphous material be found in them. (c) Independently from the fixative and the embedding medium, staining decalcified areas with uranyl acetate and/or lead citrate reveals thin, elongated structures (crystallite ghosts) similar in shape to apatite crystallites. (d) These crystallite ghosts and a dense background are stained by phosphotungstic acid (PTA) in GMA sections, a method which reveals polysaccharides. (e) The dense background is no longer stained by PTA after hyaluronidase digestion and the stainability of the crystallite ghosts is reduced. After uranyl acetate/lead citrate staining there are no recognizable changes due to hyaluronidase. But, on the other hand, the fine structure of the crystallite ghosts is modified by papain digestion. (f) Clusters of fibrillar material are present in the areas of early calcification when EDTA decalcification is carried out before embedding the specimens.
These results confirm the organic nature of the crystallite ghosts and suggest that they are formed by thin, rod-like protein/like structures (digested by papain) surrounded, and probably sheathed, by acid polysaccharides (digested by hyaluronidase and stained by PTA in GMA sections).
Résumé
Les rapports entre composants organiques et inorganiques du cartilage ont été étudiés au niveau des épiphyses tibiales chez des rats de 5 jours et au niveau des jonctions costo-chondrales chez des cobayes d'un mois.
Voici les principaux résultats auxquels on est parvenu: (a) Dans les zones où la calcification s'amorce les cristallites d'apatite sont susceptibles d'être facilement éliminés des coupes en araldite et en glycol methacrylate (GMA) après traitement pendant une heure par une solution d'acide formique au 2%. (b) Les zones décalcifiées sont douées d'une faible densité aux électrons et vont exemptes d'une structure quelconque. Seulement la fixation à l'osmium peut révéler du matériel amorphe. (c) Indépendemment du fixateur et du moyen d'inclusion, les coupes décalcifiées, traitées par l'acétate d'uranyl et/ou par le citrate de plomb, montrent de fines structures allongées dont l'aspect est semblable à celui des cristallites. (d) Ces structures ainsi qu'un fond dense interposé prennent l'acide phosphotungstique (PTA) dans les coupes en GMA, une méthode celle-ci qui met en évidence les polysaccharides. (e) Le fond dense ne prend plus le PTA après traitement par la hyaluronidase et en même temps les structures semblables au cristallites apparaissent plus faibles. Après traitement par l'acétate d'uranyl et le citrate de plomb, l'attaque par la hyaluronidase ne produit aucune modification appréciable. Au contraire l'aspect des structures semblables aux cristallites apparait modifié par la digestion à la papaïne. (f) Quand la décalcification à l'EDTA précéde l'enrobage, des amas de matériel fibrillaire se mettent en évidence dans les zones où la calcification s'était amorcée.
L'ensemble de ces résultats permet d'établir la nature organique des structures semblables au cristallites et porte aussi à admettre que celles-ci soient formées par de fins filaments cylindriques (digérés par la papaïne) entourés, et probablement engainés par del polysaccharides (digérés par la hyaluronidase et prennant le PTA dans les coupes en GMA).
Zusammenfassung
Die Wechselbeziehungen zwischen den organischen und inorganischen Substanzen des verkalkenden Knorpels wurden in der tibialen und femuralen Epiphyse 5 Tage alter Ratten und in den Rippen 1 Monat alter Meerschweinchen untersucht.
Die Hauptergebnisse waren:
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a)
Die Hydroxyapatitkristalle der Frühverkalkungszonen können in Araldit- wie auch in Glycolmethylacrilatschnitten (GMA) mit einer lstündigen Behandlung durch 1% ige Ameisensäure leicht entfernt werden.
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b)
Die entkalkten Zonen haben eine sehr niedrige Elektronendichte und enthalten keine sichtbaren Festkörper. Nach Fixierung mit Osmiumsäure kann man darin ein formloses Material erkennen.
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c)
Eine Färbung der Schnitte mit Uranacetat und Bleicitrat, welche von den Fixier- und Einbettungsmitteln nicht beeinträchtigt wird, zeigt feine, längliche Körper (“Kristallgeister”) an, welche morphologisch den Kristallen von Hydroxyapatit gleichen.
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d)
Die Färbung der GMA-Schnitte mit Phosphowolframsäure (PWS), eine Methode welche Polysaccharide anzeigt, hob diese “Kristallgeister” besonders hervor und demonstrierte auch eine dichte dazwischenliegende Grundsubstanz.
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e)
Diese Substanz ist nach Behandlung mit Hyaluronidase nicht mehr färbbar mit PWS; die Färbbarkeit der “Kristallgeister” wird dabei jedoch nur verringert. Die Hyaluronidasebehandlung verändert die Uranacetat- und Bleicitratfärbung nicht. Die Feinstruktur der “Kristallgeister” wird durch Papainbehandlung sehr angegriffen.
-
f)
Falls die Schnitte vor dem Einbetten mit EDTA entkalkt werden, können Faserbündel in den Frühzonen der Verkalkung nachgewiesen werden.
Diese Ergebnisse bestätigen die organische Natur der “Kristallgeister”. Sie beweisen auch, daß dieselben aus feinen Proteinstäbchen bestehen (verdaulich in Papain) und von Polysacchariden umgeben und vielleicht auch überzogen sind (verdaulich in Hyaluronidase und anfärbbar mit PWS).
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This investigation was supported by a grant of the Italian Research Council.
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Bonucci, E. Further investigation on the organic/inorganic relationships in calcifying cartilage. Calc. Tis Res. 3, 38–54 (1969). https://doi.org/10.1007/BF02058644
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DOI: https://doi.org/10.1007/BF02058644