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A n n a l s o f t h e R h e u m a t i c D i s e a s e s 1 9 9 1 ; 5 0 : 1 2 0 - 1 2 3

HYPOTHESIS

R o l e o f c y t o l o g i c a l a n a l y s i s o f s y n o v i a l f l u i d i nd i a g n o s i s a n d r e s e a r c hA J F r e e m o n t

T h e h y p o t h e s i s I w i s h t o e x a m i n e i s :B e c a u s e t h e c e l l s i n s y n o v i a l f l u i d o fd i s e a s e d j o i n t s r e p r e s e n t a t i s s u e i n f i l t r a t et h a t b o t h r e f l e c t s a n d c o n t r i b u t e s t o t h ei n t e r n a l m i c r o e n v i r o n m e n t o f t h e j o i n t ,c h a n g e s i n t h e t y p e a n d n u m b e r o f s y n o v i a lf l u i d c e l l s c a n b e u s e d t o d i s t i n g u i s hb e t w e e n j o i n t d i s e a s e s a n d i n v e s t i g a t e t h e i rp a t h o g e n e s i s .S y n o v i a l j o i n t s a r e g e n e r a l l y c o n s i d e r e d t oc o n s i s t o f a n u m b e r o f d i s c r e t e e l e m e n t s( c a p s u l e , c a r t i l a g i n o u s a r t i c u l a r s u r f a c e s ,s y n o v i a l f l u i d , a n d s y n o v i u m ' ) ; a n d s y n o v i a lf l u i d i s r e g a r d e d a s a b o d y f l u i d l y i n g w i t h i n at i s s u e s p a c e b o u n d e d b y s y n o v i u m . B e c a u s e t h i sa r r a n g e m e n t i s r e m i n i s c e n t o f t h e m a j o r b o d yc a v i t i e s , s y n o v i u m a n d s y n o v i a l f l u i d a r e o f t e nd i s c u s s e d i n s i m i l a r t e r m s t o t h o s e u s e d f o r t h el i n i n g a n d c o n t e n t s o f o t h e r b o d y c a v i t i e s . B ya n a l o g y s y n o v i a l f l u i d a n d t h e c h a n g e s t h a t i t

u n d e r g o e s i n d i s e a s e a r e o f t e n l i k e n e d t o t h o s es e e n i n o t h e r b o d y f l u i d s ; f o r i n s t a n c e , b y t h eu s e o f t h e t e r m j o i n t e f f u s i o n . T h i s a l m o s ts u b c o n s c i o u s v i e w o f t h e s y n o v i a l j o i n t h a si m p o r t a n t i m p l i c a t i o n s f o r t h e w a y i n w h i c hj o i n t s a n d j o i n t d i s e a s e s a r e p e r c e i v e d a n d , i np a r t i c u l a r , ho w c h a n g e s i n t h e a m o u n t a n dc o m p o s i t i o n o f s y n o v i a l f l u i d a r e e v a l u a t e d .T h e s y n o v i a l j o i n t i s s o c o m m o n l y r e g a r d e da s c o n t a i n i n g a b o d y c a v i t y t h a t i t i s p e r h a p ss u r p r i s i n g t o d i s c o v e r t h a t i f i t s a n a t o m y i ss t u d i e d i n d e t a i l i t s s t r u c t u r e i s n o t i n a n y w a yc o m p a r a b l e w i t h t h a t o f t h e m a j o r b o d y c a v i t i e s .T h e f u n d a m e n t a l b i o l o g i c a l d i f f e r e n c e b e t w e e nt h e ' j o i n t s p a c e ' a n d t h e b o d y c a v i t i e s l i e s i n t h en a t u r e o f t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e e l e m e n t sl i n i n g t h e ' j o i n t s p a c e ' ( s y n o v i u m a n d c a r t i l a g e )a n d t h e s y n o v i a l f l u i d .I t i s a c c e p t e d t h a t c a r t i l a g e c o n s i s t s o f c e l l s i na s o l i d m a t r i x w i t h n o d i s c r e t e s u r f a c e c e l ll a y e r . 2 D i r e c t e x c h a n g e o f w a t e r , s o l u t e s , a n dc e r t a i n m a c r o m o l e c u l e s o c c u r s b e t w e e n t h es y n o v i a l f l u i d a n d c a r t i l a g e m a t r i x . 3 I t i s a l s ow e l l r e c o g n i s e d t h a t a t t h e u l t r a s t r u c t u r a l l e v e lt h e i n t e r f a c e b e t w e e n c a r t i l a g e a n d s y n o v i a lf l u i d i s i l l d e f i n e d . 4 T h u s a t b o t h t h e p h y s i c a la n d c h e m i c a l l e v e l t h e r e i s n o d i s c r e t e b o u n d a r yb e t w e e n c a r t i l a g e a n d s y n o v i a l f l u i d , t h e r eb e i n g a s m a l l b u t i m p o r t a n t a r e a o f t h e j o i n t i nw h i c h c o m p o n e n t s o f b o t h a r e m i x e d .A l t h o u g h t h e s u r f a c e s y n o v i o c y t e l a y e r o f t e na p p e a r s a s a d i s c r e t e b o u n d a r y z o n e b e t w e e n t h el i q u i d s y n o v i a l f l u i d a n d t h e more s o l i ds y n o v i u m , e l e c t r o n m i c r o s c o p y s h o w s t h a t

s y n o v i o c y t e s a r e s t r u c t u r a l l y d i s s i m i l a r t o t h em e s o t h e l i a l c e l l s o f p e r i c a r d i u m , p e r i t o n e u m , o rp l e u r a , a n d m o r p h o l o g i c a l 4 a n d e p i t o p e e x p r e s -s i o n s t u d i e s ' h a v e s h o w n t h a t i n l i n e a g e a n df u n c t i o n s y n o v i o c y t e s a n d m e s o t h e l i a l c e l l s a r eq u i t e d i s t i n c t . A l t h o u g h t h e s y n o v i o c y t e s t h a ta g g r e g a t e o n t h e s y n o v i a l s i d e o f t h e i n t e r f a c eb e t w e e n ' s o l i d ' s y n o v i u m a n d ' l i q u i d ' s y n o v i a lf l u i d a r e s u r r o u n d e d b y b a s e m e n t m e m b r a n e -l i k e m a t e r i a l , t h i s i s n o t a t r u e b a s a l l a m i n a a s i tl a c k s t h e o r d e r e d t r i l a m i n a r a r r a n g e m e n tt y p i c a l o f t h i s s t r u c t u r e . 6 7 I n d e e d , s y n o v i o c y t e sa r e n o t n a t u r a l l i n i n g c e l l s b u t a r e r a t h e r am i x t u r e o f b o n e m a r r o w d e r i v e d c e l l s o f t h em o n o c y t e - m a c r o p h a g e l i n e a g e a n d l o c a l l yd e r i v e d s e c r e t o r y c e l l s . 8 B e c a u s e i n n o r m a lj o i n t s b o t h t h e c e l l l a y e r a n d t h e b a s e m e n tm e m b r a n e - l i k e m a t e r i a l a r e i n c o m p l e t e , 9 i np l a c e s s y n o v i a l f l u i d i s i n d i r e c t c o n t i n u i t y w i t ht h e e x t r a c e l l u l a r f l u i d o f t h e s y n o v i u m . 1 0 T h u st h e r e i s n o t t h e c e l l l a y e r a n d c o m p l e x b a s a ll a m i n a c h a r a c t e r i s t i c o f t h e l i n i n g o f o t h e r b o d yc a v i t i e s t h a t d i r e c t l y c o n t r o l s t h e e x c h a n g e o ff l u i d , i o n s , a n d m a c r o m o l e c u l e s b e t w e e n c o n -v e n t i o n a l l i n i n g t i s s u e s a n d t h e a d j a c e n t t i s s u es p a c e . A s a r e s u l t t h e s y n o v i a l i n t i m a i s ar e l a t i v e l y i n e f f e c t u a l b a r r i e r t o t h e p a s s a g e o ff l u i d , m a c r o m o l e c u l e s , a n d c e l l s . 8T h e m o r p h o l o g i c a l r e l a t i o n b e t w e e n t h ea p p a r e n t l y d i s c r e t e e l e m e n t s w i t h i n t h e j o i n t i s ,a s i s i n d i c a t e d a b o v e , q u i t e u n l i k e t h e s t r u c t u r eo f a n y c o n v e n t i o n a l b o d y c a v i t y . A s m i g h t b ep r e d i c t e d t h e s y n t h e s i s o f s y n o v i a l f l u i d i s a l s ov e r y d i f f e r e n t f r o m t h e p r o d u c t i o n o f b o d yc a v i t y f l u i d s . U n l i k e p l e u r a l o r p e r i c a r d i a l f l u i d ,w h i c h i s a h i g h l y s e l e c t e d r e s i d u u m o f p r e -d o m i n a n t l y l o w m o l e c u l a r w e i g h t c o m p o n e n t so f t i s s u e f l u i d , s y n o v i a l f l u i d c o n s i s t s o f am i x t u r e o f a f i l t r a t e o f p l a s m a a n d m a c r o -m o l e c u l e s p r o d u c e d b y c e l l s w i t h i n a d j a c e n tt i s s u e . " T h e d i f f e r e n c e c a n b e f u l l y e x p l a i n e db y t h e l a c k i n t h e j o i n t o f a n y f o r m o f t h ec e l l / b a s e m e n t m e m b r a n e ' f i l t e r ' m e c h a n i s ms e e n a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n f l u i d a n d t i s s u e i nt h e b o d y c a v i t i e s . When c o m p a r i s o n i s m a d ew i t h o t h e r b o d y c o n s t i t u e n t s i t i s f o u n d t h a t i ng e n e r a l t e r m s t h e r e i s n o e s s e n t i a l d i f f e r e n c eb e t w e e n t h e f o r m a t i o n o f s y n o v i a l f l u i d a n d a ne x t r a c e l l u l a r t i s s u e m a t r i x . I n v i e w o f t h e w a y i nw h i c h i t f o r m s a n d i t s p h y s i c a l a n d c h e m i c a lr e l a t i o n s h i p s w i t h s u r r o u n d i n g e l e m e n t s i t i sp r o b a b l y b e t t e r , t h e r e f o r e , t o r e g a r d s y n o v i a lf l u i d , n o t a s a c a r e f u l l y c o n t r o l l e d t r a n s u d a t ei n t o a b o d y c a v i t y , b u t a s a p e c u l i a r l y l i q u i dc o n n e c t i v e t i s s u e .

D e p a r t m e n t s o f I n t e r n a lM e d i c i n e a n dP a t h o l o g i c a l S c i e n c e s ,U n i v e r s i t y o f M a n c h e s t e rA J F r e e m o n tC o r r e s p o n d e n c e t o :D e p a r t m e n t o fR h e u m a t o l o g y ,T h e M e d i c a l S c h o o l ,U n i v e r s i t y o f M a n c h e s t e r ,O x f o r d R o a d ,M a n c h e s t e r M13 9 P T .

1 2 0

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R o l e o f c y t o l o g i c a l a n a l y s i s o f y n o v i a l f l u i d i n d i a g n o s i s a n d r e s e a r c hT h e a b s e n c e o f d i s t i n c t b o u n d a r y z o n e s , t h er e l a t i v e l y f r e e f l o w o f w a t e r , s o l u t e s , a n d

m a c r o m o l e c u l e s b e t w e e n t h e c o m p o n e n t p a r t so f t h e j o i n t , a n d t h e f u n c t i o n a l i n t e r d e p e n d e n c eo f c a r t i l a g e , s y n o v i u m , a n d s y n o v i a l f l u i d meant h a t t h e v a r i o u s e l e m e n t s o f t h e j o i n t b e h a v e a s ac o n t i n u u m ; e f f e c t i v e l y a s a s i n g l e t i s s u e . I t i st r u e t h a t f o r a s i n g l e t i s s u e t h e j o i n t s h o w s a nu n u s u a l d e g r e e o f h e t e r o g e n e i t y , r a n g i n g f r o mc e l l u l a r , o f t e n f a t t y , s y n o v i u m t h r o u g h p a u c i -c e l l u l a r c a r t i l a g e w i t h a v i s c o e l a s t i c m a t r i x t o av i r t u a l l y a c e l l u l a r l i q u i d m e d i u m t h a t r e p r e s e n t sa c o n n e c t i v e t i s s u e s t r o m a o f a d i s t i n c t i v e a n du n u s u a l l y ' r u n n y ' k i n d ; b u t t h i s d e g r e e o fh e t e r o g e n e i t y i s b y n o m e a n s u n i q u e t o t h es y n o v i a l j o i n t . N o r m a l t i s s u e s , s u c h a s t h ei n t e r v e r t e b r a l d i s c , ' 2 a r e j u s t a s v a r i a b l e i n t h ec o n s i s t e n c y , p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o ft h e i r c o m p o n e n t p a r t s , a n d l e s i o n s s u c h a sg a n g l i a " 3 a n d a d v e n t i t i a l b u r s a e ' 4 r e p r e s e n tp a t h o l o g i c a l e n t i t i e s i n w h i c h a s i m i l a r d e g r e e o fp h y s i c a l h e t e r o g e n e i t y o c c u r s w i t h i n a s i n g l et i s s u e .I t w o u l d b e n a i v e t o b e l i e v e t h a t t h e h e t e r o -g e n e i t y o f t h e v a r i o u s e l e m e n t s o f t h e j o i n t w a sl i m i t e d t o t h e i r p h y s i c a l p r o p e r t i e s . T h e o b v i o u sv a r i a t i o n i n c o n s i s t e n c y , c e l l u l a r i t y , a n d v a s -c u l a r i t y a r e a l l p o i n t e r s t o w a r d s e q u a l l y f u n d a -m e n t a l b i o c h e m i c a l d i f f e r e n c e s . T h e c h e m i c a l ,p h y s i c a l , a n d s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f e a c he l e m e n t o f t h e j o i n t a r e p r e s u m a b l y i m p o r t a n tt o t h e i r n o r m a l f u n c t i o n ' " a n d , i n a d d i t i o n , t h e yw i l l a f f e c t t h e w a y i n w h i c h e a c h c o m p o n e n tr e s p o n d s t o a b n o r m a l c h e m i c a l a n d p h y s i c a ls t i m u l i . S 1 6 T h i s i s t h e s i n g l e m o s t i m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o n w h e n a s s e s s i n g t h e s i g n i f i c a n c e o fj o i n t c h a n g e s i n d i s e a s e .N o r m a l s y n o v i a l f l u i d , l i k e c a r t i l a g e , i s a v a s -c u l a r a n d c o n t a i n s v e r y f e w c e l l s . ' 7 T h e t w oi n n a t e c e l l t y p e s w i t h i n n o r m a l s y n o v i a l f l u i da r e i d e n t i c a l t o t h e t w o t y p e s o f s y n o v i o c y t e st h a t c o n g r e g a t e a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h es y n o v i u m a n d t h e f l u i d . ' 8 O n e g r o u p o f t h e s ec e l l s i s p h a g o c y t i c , ' 9 t h e o t h e r g r o u p i s s y n t h e -t i c , t h e p r o d u c t s b e i n g i m p o r t a n t c h e m i c a lc o n s t i t u e n t s o f t h e f l u i d . 8 I t s e e m s p r o b a b l e t h a tw h e n p r e s e n t , b o t h i n t h e s y n o v i o c y t e l a y e r a n dw i t h i n t h e f l u i d , t h e s e c e l l s h e l p t o m a i n t a i n t h ec h e m i c a l a n d s t r u c t u r a l i n t e g r i t y o f t h e s y n o v i a lf l u i d t i s s u e . L i k e n e a r l y a l l t i s s u e s n o r m a ls y n o v i a l f l u i d a l s o c o n t a i n s m i g r a t o r y c e l l s o ft h e i m m u n e s y s t e m - n o t a b l y , l y m p h o c y t e s a n dm a c r o p h a g e s . 2 0I n d i s e a s e t h e n u m b e r o f c e l l s c h a n g e s a s d o e st h e n a t u r e o f t h e m a t r i x . 2 0 I n v a r i a b l y t h e t o t a ln u m b e r o f c e l l s w i t h i n t h e f l u i d c o m p o n e n t o ft h e j o i n t i n c r e a s e s a b o v e n o r m a l , t h o u g h i ns o m e s o c a l l e d ' n o n - i n f l a m m a t o r y ' d i s o r d e r s t h ec o n c e n t r a t i o n o f c e l l s may n o t c h a n g e s i g n i f i -c a n t l y b e c a u s e t h e v o l u m e o f s y n o v i a l f l u i di n c r e a s e s p r o p o r t i o n a l l y - t h a t i s t h e t i s s u eb e c o m e s o e d e m a t o u s . I n a l l j o i n t d i s e a s e s t h e r ei s a n i n e v i t a b l e i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o fs y n o v i o c y t e - l i k e c e l l s i n t h e s y n o v i a l f l u i d , ap r o c e s s t h a t p a r a l l e l s t h e i n c r e a s e i n c e l ln u m b e r s i n t h e s y n o v i o c y t e l a y e r . 2 ' I n t h e n o n -i n f l a m m a t o r y a r t h r o p a t h i e s s u c h a s o s t e o a r t h r i t i st h e i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f s y n o v i o c y t e - l i k ec e l l s r e p r e s e n t s t h e p r e d o m i n a n t c h a n g e i n c e l ln u m b e r s . I n i n f l a m m a t o r y a r t h r i t i d e s t h e

i n c r e a s e may b e d r a m a t i c w i t h t h e t o t a l c e l ln u m b e r i n c r e a s i n g u p t o o n e t h o u s a n d f o l d a n d am a r k e d c h a n g e o c c u r r i n g i n t h e p r o p o r t i o n s o ft h e v a r i o u s c e l l t y p e s 2 2 w i t h a n o v e r w h e l m i n gi n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f b l o o d d e r i v e d l e u c o -c y t e s .I f a s s u g g e s t e d a b o v e t h e s y n o v i a l f l u i d i s as p e c i a l i s e d c o n n e c t i v e t i s s u e t h e n i n i n f l a m -m a t o r y a r t h r o p a t h i e s t h e c e l l s w i t h i n i t r e -p r e s e n t a n i n f l a m m a t o r y c e l l i n f i l t r a t e . T h en u m b e r , t y p e , a n d a c t i v i t y o f t h e s e c e l l s w o u l dt h e n b e s u b j e c t t o t h e s a m e i n f l u e n c e s a s i n a n yo t h e r i n f l a m m a t o r y i n f i l t r a t e . T h e s e r e p r e s e n t ac o m p l e x s e r i e s o f c h e m i c a l i n t e r a c t i o n s b e t w e e nt h e l o c a l t i s s u e m a t r i x , n a t i v e c e l l s , i n f l a m -m a t o r y c e l l s , b l o o d p r o d u c t s , a n d f a c t o r sp r o d u c e d i n a d j a c e n t t i s s u e s . A s i n o t h e r t i s s u e st h e n a t u r e o f t h e c e l l u l a r r e s p o n s e w i l l v a r y w i t ht h e i n i t i a t i n g e v e n t a n d c e r t a i n k e y p r o p e r t i e s o ft h e t i s s u e s u c h a s c e l l u l a r i t y , v a s c u l a r i t y , a n dt h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e i n t e r c e l l u l a rm a t r i x . T h e l o c a l ( a n d g e n e r a l i s e d ) e f f e c t s o f t h ei n f l a m m a t i o n w o u l d a l s o b e s u b j e c t t o t h e s a m ei n f l u e n c e s a s t h o s e o p e r a t i n g i n o t h e r t i s s u e sa n d a s s u c h a r e a n i n e v i t a b l e c o n s e q u e n c e o f t h ec e l l - c e l l a n d c e l l - m a t r i x i n t e r a c t i o n s i n d u c e d b yt h e c h e m i c a l m e d i a t o r s o f t h e i n f l a m m a t o r yr e s p o n s e . I n e v i t a b l y t h e s c o p e o f t h e s e r e a c t i o n sw i l l a l s o b e d e p e n d e n t u p o n t h e c e l l u l a r a n de x t r a c e l l u l a r c o m p o s i t i o n o f t h e t i s s u e . I n o t h e rw o r d s t h e p a t t e r n o f t h e c e l l u l a r i n f i l t r a t e i n t h es y n o v i a l f l u i d a n d t h e s u b s e q u e n t c h a n g e s i n t h ef l u i d a n d a d j a c e n t t i s s u e s a r e a d i r e c t c o n s e -q u e n c e o f t h e n a t u r e o f t h e i n f l a m m a t o r ys t i m u l u s a n d t h e w a y i n w h i c h t h e b o d yr e s p o n d s t o t h a t s t i m u l u s w i t h i n t h e l i m i t a t i o n si m p o s e d b y t h e l o c a l e n v i r o n m e n t .T h e i m p o r t a n t p a r t p l a y e d b y t h e t i s s u e i nm o d i f y i n g t h e c e l l u l a r i n f l a m m a t o r y r e s p o n s e t oa s t i m u l u s i s n o w h e r e i l l u s t r a t e d b e t t e r t h a n i ns y n o v i a l j o i n t s . W e r e t h e j o i n t a u n i f o r m s t r u c -t u r e o n e m i g h t e x p e c t t h e c e l l u l a r r e s p o n s e t ot h e i n f l a m m a t o r y s t i m u l u s t o b e t h e s a m et h r o u g h o u t . D u r i n g t i m e s o f i n t r a - a r t i c u l a ri n f l a m m a t i o n , h o w e v e r , t h e d i s t r i b u t i o n o fi n f l a m m a t o r y c e l l s w i t h i n t h e v a r i o u s e l e m e n t so f t h e j o i n t i s v e r y d i f f e r e n t . U s u a l l y t h ec a r t i l a g e d o e s n o t c o n t a i n a n i n f l a m m a t o r y c e l li n f i l t r a t e o f a n y s o r t , t h e s y n o v i u m c o n t a i n s am i x e d i n f i l t r a t e i n w h i c h l y m p h o c y t e s a n d , t o al e s s e r e x t e n t , p l a s m a c e l l s p r e d o m i n a t e , a n d t h ef l u i d c o n t a i n s a m i x e d i n f l a m m a t o r y c e l l i n f i l -t r a t e i n w h i c h t h e p r e d o m i n a n t c e l l i s t h e p o l y -m o r p h . 2 3 A s i t s e e m s u n l i k e l y t h a t t h e r e w o u l db e m o r e t h a n o n e t r i g g e r o f i n f l a m m a t i o n i n a n yo n e j o i n t t h e d i v e r s i t y o f t h e i n f l a m m a t o r y c e l li n f i l t r a t e s i n d i f f e r e n t p a r t s o f t h e j o i n t m u s t b et h e r e s u l t o f a m o d i f i c a t i o n o f t h e r e s p o n s e b yt h e l o c a l c o m p o s i t i o n o f t h e t i s s u e .I f t h e i n f l a m m a t o r y r e a c t i o n w i t h i n t h e j o i n tw a s d e p e n d e n t u p o n b o t h t h e n a t u r e o f t h et i s s u e a n d t h e t y p e o f s t i m u l u s o n e w o u l dp r e d i c t t h a t n o t o n l y w o u l d t h e c e l l u l a r i n f i l t r a t ev a r y i n d i f f e r e n t p a r t s o f a j o i n t i n r e s p o n s e t oo n e t y p e o f s t i m u l u s b u t a l s o i n t h e s a m e p a r t o ft h e j o i n t w i t h d i f f e r e n t s t i m u l i . S u r p r i s i n g l y ,t h e r e f o r e , i t i s w i d e l y r e p o r te d t h a t t h e p r o p o r -t i o n s o f t h e d i f f e r e n t i n f l a m m a t o r y c e l l s ( p o l y -m o r p h s , l y m p h o c y t e s , a n d m o n o n u c l e a r c e l l s )i n s y n o v i a l f l u i d a r e s i m i l a r i n t h e v a r i o u s

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F r e e m o n t

c l i n i c a l l y d e f i n e d i n f l a m m a t o r y a r t h r o p a t h i e s ;a n o b s e r v a t i o n t h a t c o u l d b e c o n s t r u e d a se v i d e n c e o f a s i n g l e c a u s e f o r a l l t h e i n f l a m -m a t o r y a r t h r o p a t h i e s . S u p e r f i c i a l l y t h i s o b s e r -v a t i o n i s t r u e , b u t w h e n d e t a i l e d s t u d i e s o fs y n o v i a l f l u i d a r e u n d e r t a k e n a m i n o r i t y o ff l u i d s d i f f e r m a r k e d l y i n t h e i r c e l l c o n t e n t f r o mt h e m o s t c o m m o n l y e n c o u n t e r e d p a t t e r n a n de v e n i n t h e m a j o r i t y s u b t l e d i f f e r e n c e s i n t h ec e l l u l a r c o m p o s i t i o n o f t h e s y n o v i a l f l u i d a r eu s u a l . T h i s a p p a r e n t l y u n p r e d i c t a b l e b e h a v i o u ro f s y n o v i a l f l u i d c e l l s h a s c o n f o u n d e d p a s ta t t e m p t s t o u s e c y t o l o g y d i a g n o s t i c a l l y . P e r h a p sp e r v e r s e l y , h o w e v e r , i t i s t h e v e r y d i v e r s i t y o fc e l l u l a r i n f i l t r a t e s i n t o s y n o v i a l f l u i d t h a t h a st u r n e d o u t t o b e i t s m o s t i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s -t i c . A l t h o u g h i t m i g h t b e e x p e c t e d t h a t t w os i m i l a r i n i t i a t o r s o f i n f l a m m a t i o n m i g h t i n d u c et w o s i m i l a r r e s p o n s e s , u n l e s s t h e s t i m u l i a r ei d e n t i c a l o u r u n d e r s ta n d i n g o f t h e c o m p l e xi n t e r a c t i o n s o c c u rr i n g w i th in i n f l a m e d t i s s u e sw o u l d d i c t a t e t h a t t h e c e l l u l a r r e s p o n s e s w o u l dn o t b e e x a c t l y t h e s a m e . T h e r e f o r e i f t h e r e a r ed i f f e r e n c e s , n o m a t t e r ho w s m a l l , i n t h e f a c t o r si n i t i a t i n g t h e v a r i o u s i n f l a m m a t o r y a r t h r o -p a t h i e s t h e r e w i l l b e d i f f e r e n c e s i n t h e i n f l a m -m a t o r y r e s p o n s e , t h o u g h i t may b e n e c e s s a r y t oe x a m i n e t h e i n f l a m m a t o r y r e s p o n s e v e r y c a r e -f u l l y t o d e t e c t t h e s u b t l e d i f f e r e n c e s p r e s e n t .T h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e i n f l a m m a t o r y c e l lp o p u l a t i o n i n t h e f l u i d a n d t h e s t i m u l u s c a n a l s ob e e x p r e s s e d t h e o t h e r w a y r o u n d . T h u s t h em o r e d i v e r g e n t t h e c e l l p o p u l a t i o n s i n s a m p l e so f s y n o v i a l f l u i d t h e m o r e f u n d a m e n t a l t h ed i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e i n f l a m m a t o r y s t i m u l i .I n f l a m m a t i o n , a s i t i s g e n e r a l l y p e r c e i v e d , i s at e r m t h a t d e s c r i b e s a g r o u p o f r e s p o n s e s b y a no r g a n i s m t o u n w e l c o m e a n d o f t e n p o t e n t i a l l yh a r m f u l s t i m u l i . A t t h e t i s s u e l e v e l t h e d i s t i n c -t i o n b e t w e e n t h e s e t y p e s o f r e s p o n s e a n d o t h e rc h a n g e s c o n s e q u e n t u p o n h a r m f u l s t i m u l i , s u c ha s t r a u m a , t h a t d o n o t s t i m u l a t e a c l a s s i c a li n f l a m m a t o r y r e a c t i o n c a n b e d i f f i c u l t t o d e f i n e .A l l t h e a v a i l a b l e e v i d e n c e w o u l d p o i n t t o w a r d st h e s e o t h e r r e s p o n s e s a l s o b e i n g c o m p l e x i n t e r -a c t i o n s b e t w e e n c e l l s a n d t h e i r e n v i r o n m e n t b u to n e s w hi c h d o n o t n e c e s s a r i l y i n v o l v e r e c r u i t -m e n t o f c l a s s i c a l i n f l a m m a t o r y c e l l s . S u c he v e n t s a r e s e e n i n t h e ' n o n - i n f l a m m a t o r y 'a r t h r o p a t h i e s . A l t h o u g h t h e c e l l - c e l l a n d c e l l -m a t r i x i n t e r a c t i o n s i n t h e s e r e s p o n s e s a r e muchl e s s w e l l s t u d i e d , t h e r e i s n o r e a s o n t o b e l i e v et h a t t h e s a m e b r o a d p r i n c i p l e s t h a t c o n t r o l t h er e l a t i o n b e t w e e n i n i t i a l i n s u l t , t i s s u e com-p o s i t i o n , a n d c e l l u l a r r e s p o n s e w i l l n o t a l s oa p p l y i n t h e s e d i s o r d e r s .I t t h e r e f o r e f o l l o w s t h a t i n b o t h i n f l a m m a t o r ya n d n o n - i n f l a m m a t o r y j o i n t d i s e a s e s t h e c e l l u l a rc o m p o s i t i o n o f s y n o v i a l f l u i d i s d i c t a t e d b y t h eb a l a n c e b e t w e e n t h e c o m p l e x i n t r a - a r t i c u l a rc e l l - c e l l a n d c e l l - m a t r i x i n t e r a c t i o n s . I t a l s of o l l o w s t h a t t h e p a t t e r n s o f c e l l s r e f l e c t t h o s ei n t e r a c t i o n s a n d c h a n g e a s t h e y d o .S y n o v i a l f l u i d c y t o a n a l y s i s i s t h e t e c h n i q u eb y w h i c h t h e p e c u l i a r p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h et i s s u e a r e e x p l o i t e d t o e x t r a c t c e l l s f r o m t h es y n o v i a l f l u i d b i o p s y s p e c i m e n . B y c a r e f u le x a m i n a t i o n i t i s no w p o s s i b l e t o i d e n t i f y m a n yc e l l t y p e s m o r p h o l o g i c a l l y i n s y n o v i a l f l u i d . 2 4M a n y o f t h e s e a r e p r e s e n t i n l o w c o n c e n t r a t i o n s ,

b u t i t i s t h e y t h a t s h o w t h e g r e a t e s t d i s e a s ev a r i a t i o n . A s t e c h n i q u e s f o r p r o b i n g c e l l sb e c o m e m o r e s o p h i s t i c a t e d , 2 5 s u c h a s i m m u n o -h i s t o c h e m i s t r y f o r i d e n t i f y i n g c e l l o r f u n c t i o ns p e c i f i c e p i t o p e s o n c e l l m e m b r a n e s a n d i n s i t uh y b r i d i s a t i o n f o r d e m o n s t r a t i n g mRNA t os p e c i f i c f u n c t i o n a l p r o t e i n s , t h e t r u e d i v e r s i t y o ft h e s y n o v i a l f l u i d c e l l s i s b e i n g u n c o v e re d . I t i se v e n p o s s i b l e t o d i s s e c t t h e c o m p l e x c e l l s u r f a c es a c c h a r i d e s t h a t r e p r e s e n t t h e i n f o r m a t i o n a lm o l e c u l e s p i v o t a l t o c e l l u l a r i n t e r a c t i o n s b y t h ec o m b i n e d u s e o f l e c t i n h i s t o c h e m i s t r y a n ds p e c i f i c s a c c h a r i d a s e s . T h u s t h e c y t o l o g i c a lp r e p a r a t i o n i s c h a n g i n g f r o m b e i n g s i m p l y am e d i u m f o r t h e m o r p h o l o g i c a l s t u d y o f s y n o v i a lf l u i d c e l l s ( a l t h o u g h r e c e n t s t u d i e s h a v es h o w n t h a t t h i s i s s t i l l a f e r t i l e a r e a o f i n v e s t i -g a t i o n 2 4 2 6 2 7 ) t o o n e i n w h i c h f u n d a m e n t a ld i s e a s e m e c h a n i s m s c a n b e e x p l o r e d . A s s u c h i to f f e r s a n a s y e t u n d e r e x p l o i t e d r e s o u r c e f o rs t u d y i n g t h e p r o c e s s e s o f j o i n t d i s e a s e .I n t h e o r y i t s ho u l d b e p o s s i b l e t o e x p l o i t t h er e l a t i o n b e t w e e n s y n o v i a l f l u i d c e l l u l a r r e a c t i o n sa n d t h e i n i t i a t i n g s t i m u l u s a s a d i a g n o s t i c t e s t .I n p r a c t i c e t h e t e c h n i q u e d o e s i n d e e d o f f e r t h ep o s s i b i l i t y o f i d e n t i f y i n g w i t h i n t h e s y n o v i a lf l u i d p a t t e r n s o f c e l l s t h a t a r e o f d i a g n o s t i c a n dp r o g n o s t i c v a l u e . 2 4 2 6 2 & 3 0 S y n o v i a l f l u i d c y t oa n a l y s i s i s p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i n c e r t a i nc l i n i c a l s e t t i n g s : ( a ) W h e r e t h e c l i n i c a l s y n -d r o m e i s i l l d e f i n e d , a s i n j u v e n i l e a r t h r i t i s a n dm o n o a r t h r o p a t h i e s a n d o l i g o a r t h r o p a t h i e s o fr e c e n t o n s e t , t h e u n d e r l y i n g p a t h o g e n i c m e c h -a n i s m s i n t h e j o i n t o f t e n m a n i f e s t t h e m s e l v e sb e f o r e t h e c l i n i c a l s y n d r o m e d e v e l o p s . I d e n t i -f i c a t i o n o f t h e u n d e r l y i n g d i s e a s e m e c h a n i s m sb y a n a l y s i s o f s y n o v i a l f l u i d may a l l o w s p e c i f i ct r e a t m e n t t o b e i n t r o d u c e d e a r l i e r i n t h e c o u r s eo f t h e d i s e a s e t h a n w o u l d o t h e r w i s e b e p o s s i b l e .( b ) B e c a u s e i t c a n b e u s e d t o d i s c r i m i n a t eb e t w e e n d i s e a s e s t h a t may b e c l i n i c a l l y s i m i l a rs y n o v i a l f l u i d c y t o a n a l y s i s i s a l s o i m p o r t a n t a s as c r e e n i n g t e s t , p a r t i c u l a r l y f o r n o n - s p e c i a l i s t ss u c h a s g e n e r a l m e d i c a l p r a c t i t i o n e r s , w ho c a nu s e t h e d a t a g e n e r a t e d t o d e c i d e u p o n r e f e r r a lp o l i c y . ( c ) A s t h e c e l l p o p u l a t i o n s r e f l e c t t h ed i s e a s e p r o c e s s e s , i n c e r t a i n c i r c u m s t a n c e ss y n o v i a l f l u i d c y t o a n a l y s i s c a n b e u s e d f o rt i t r a t i n g c o m p l e x o r p o t e n t i a l l y h a z a r d o u st r e a t m e n t t o r e s p o n s e . ( d ) F o r m o n i t o r i n gd i s e a s e a n d d i s e a s e m e c h a n i s m s s y n o v i a l f l u i dc y t o a n a l y s i s h a s t h e a d v a n t a g e o f g i v i n g h i g h l ys p e c i f i c i n f o r m a t i o n a b o u t t h e j o i n t u n d e ri n v e s t i g a t i o n i n a w a y t h a t s e r u m o r u r i n ea n a l y s i s c a n n o t .C y t o a n a l y s i s a l s o o f f e r s c o m p l e t e l y new w a y so f t h i n k i n g a b o u t d i s e a s e m e c h a n i s m s o p e r a t i n gw i t h i n i n d i v i d u a l j o i n t s a n d i n p a r t i c u l a r a l l o w sa r t h r o p a t h i e s t o b e r e c l a s s i f i e d b o t h w i t h i n a n do u t s i d e t h e b o u n d a r i e s o f c l i n i c a l o r c l i n i c o -p a t h o l o g i c a l s y n d r o m e s . F o r i n s t a n c e , i n t h i sl a b o r a t o r y i t h a s b e e n s h o w n t h a t w i t h i n t h ec l i n i c a l s y n d r o m e o f s e r o p o s i t i v e r h e u m a t o i dd i s e a s e p a t i e n t s c a n b e p l a c e d i n t o p r o g n o s t i cg r o u p s o n t h e b a s i s o f s y n o v i a l f l u i d c e l lp o p u l a t i o n s . 3 0 C o n v e r s e l y , s y n o v i a l f l u i d c y t o -a n a l y s i s s h o w s t h a t t h e c e l l p o p u l a t i o n s w i t h i nj o i n t s o f p a t i e n t s w i t h a n k y l o s i n g s p o n d y l i t i s ,p s o r i a t i c a r t h r i t i s , r e a c t i v e a r t h r i t i s , p o s t i n f e c t i v ea r t h r i t i s , a n d t h e a r t h r i t i s a s s o c i a t e d w i t h i n -

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8/2/2019 annrheumd00450-0052

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R o l e o f c y t o l o g i c a l a n a l y s i s o f s y n o v i a l f l u i d i n d i a g n o s i s a n d r e s e a r c hf l a m m at o r y b o w e l d i s e a s e a r e s o s i m i l a r a n dc h a r a c t e r i s t i c t h a t i t i s h i g h l y p r o b a b l e t h a t t h ed i s e a s e p r o c e s s e s w i t h i n t h e s e d i s o r d e r s a r ea l m o s t i d e n t i c a l . 2 8

I n s u m m a r y , t h e e s s e n c e o f t h i s h y p o t h e s i s i st h a t s y n o v i a l f l u i d i s a u n i q u e c o n n e c t i v e t i s s u e .I t i s i n d i r e c t f u n c t i o n a l c o n t a c t w i t h a r g u a b l ya l l t h e m o s t i m p o r t a n t s t r u c t u r e s w i t h i n t h ed i a r t h r o d i a l j o i n t . I n a l l t y p e s o f i n s u l t c h a n g e so c c u r i n t h e q u a n t i t y a n d t y p e o f c e l l s w i t h i n t h et i s s u e , w h i c h r e f l e c t t h e n a t u r e o f t h e i n s u l t .C l o s e r i n v e s t i g a t i o n o f t h e c e l l u l a r c h a n g e sw i t h i n s y n o v i a l f l u i d w i l l a l l o w a c l e a r e r u n d e r -s t a n d i n g o f t h e p a t h o g e n e t i c m e c h a n i s m so p e r a t i n g w i t h i n d i s e a s e d j o i n t s . R e c o g n i t i o n o fp a t t e r n s o f d i s t u r b a n c e w i t h i n t h e c e l l p o p u -l a t i o n s o f t h e j o i n t g i v e s i m p o r t a n t d i a g n o s t i ca n d p r o g n o s t i c i n f o r m a t i o n t h a t c a n b e o b t a i n e di n n o o t h e r w a y a n d w i l l l e a d t o a r e c l a s s i f i c a t i o no f a r t h r i t i s o n t h e b a s i s o f p a t h o g e n e t i c m e c h a n -i s m s r a t h e r t h a n p r e s e n t d a y c l i n i c a l c r i t e r i a .

1 D a v i e s D V , e d . G r a y ' s a n a t o m y d e s c r i p t i v e a n d a p p l i e d . 3 4 t he d . L o n d o n : L o n g m a n s , 1 9 6 7 ; 4 8 7 .2 H o l t P J L . J o i n t c a r t i l a g e : p h y s i o l o g y a n d c h a n g e s i na r t h r i t i s . I n : H o l t P J L , e d . C u w r e n t t o p i c s i n c o n n e c t i v et i s s u e d i s e a s e s . E d i n b u r g h : C h u r c h i l l L i v i n g s t o n e , 1 9 7 5 :2 4 - 4 7 .3 M a l e m u d C J , M o s k o w i t z R W. P h y s i o l o g y o f a r t i c u l a rc a r t i l a g e . C l i n R h e u m D i s 1 9 8 1 ; 7 : 2 9 - 5 5 .4 G h a d i a l l y F N . F i n e s t r u c t u r e o f s y n o v i a l j o i n t s . L o n d o n :B u t t e r w o r t h , 1 9 8 3 .5 H o g g N , P a l m e r D G , R e v e l l P A . M o n o n u c l e a r p h a g o c y t e so f n o r ma l a n d r h eu m a to i d s y n o v i a l m e m b r a n e i d e n t i f i e d b ym o n o c l o n a l a n t i b o d i e s . I m m u n o l o g y 1 9 8 5 ; 5 6 : 6 7 3 - 8 1 .6 L i n c k G , S t o c k e r S , G r i m a u d J A , P o r t e A . D i s t r i b u t i o n o fi n m u n o r e a c t i v e f i b r o n e c t i n a n d c o l l a g e n ( t y p e I , I I I , I V ) i nm o u s e j o i n t s . H i s t o c h e m i s t r y 1 9 8 3 ; 7 7 : 3 2 3 - 7 .7 S c o t t D L , S a l m o n M, M o r r i s C J . L a m i n i n a n d v a s c u l a rp r o l i f e r a t i o n i n r h e u m a t o i d a r t h r i t i s . A n n R h e u m D i s 1 9 8 4 ;4 3 : 5 5 1 - 6 .8 H e n d e r s o n B , E d w a r d s J C W. T h e s y n o v i a l l i n i n g i n h e a l t ha n d d i s e a s e . L o n d o n : C h a p m a n a n d H a l l , 1 9 8 7 .9 B a r l a n d P , N o v i k o f f A B , H a m e r m a n D . E l e c t r o n m i c r o -s c o p y o f t h e human s y n o v i a l m e m b r a n e . J C e l l B i o l 1 9 6 2 ;1 4 : 2 0 7 - 2 0 .

1 0 S i m k i n P A . S y n o v i a l p h y s i o l o g y . I n : M c C a r t h y D J , e d .A r t h r i t i s a n d a l l i e d c o n d i t i o n s . P h i l a d e l p h i a : L e a a n dF e b i g e r , 1 9 7 9 : 1 6 7 - 7 8 .1 1 H a r r i s E D . B i ol o g y o f t h e j o i n t . I n : K e l l e y WN , H a r r i s E D ,R u d d y S , S l e d g e C B , e d s . T e x t b o o k o f r h e u m a t o l o g y .P h i l a d e l p h i a : S a u n d e r s , 1 9 8 1 : 2 5 5 - 7 6 .1 2 H a p p e y F . S t u d i e s o f t h e s t r u c t u r e o f t h e human i n t e r v e r t e -b r a l d i s c i n r e l a t i o n t o i t s f u n c t i o n a l a n d a g i n g p r o c e s s e s .I n : S o k o l o f f L , e d . T h e j o i n t s a n d s y n o v i a l f l u i d . V o l I I .L o n d o n : A c a d e m i c P r e s s , 1 9 8 0 : 9 5 - 1 3 7 .1 3 M c E v e d y B V . S i mp l e g a n g l i a . Brj S u r g 1 9 6 2 ; 4 9 : 5 8 5 - 9 4 .1 4 C a n o s o s J J . B u r s a e , t e n d o n s a n d l i g a m e n t s . C l i n R h e u m D i s1 9 8 1 ; 7 : 1 8 9 - 2 2 1 .1 5 M a i n i R N . Immune c o m p l e x e s a n d c o m p l e m e n t . I n : S c o t tJ T , e d . C o p e m a n ' s t e x t b o o k o f t h e r h e u m a t i c d i s e a s e s .E d i n b u r g h : C h u r c h i l l L i v i n g s t o n e , 1 9 8 6 : 3 7 6 - 4 1 0 .1 6 S i m o n S R . B i o m e c h a n i c s o f j o i n t s i n : K e l l e y W N , H a r r i sE D , R u d d y S , S l e d g e C B , e d s . T e x t b o o k o f r h e u m a t o l o g y .P h i l a d e l p h i a : S a u n d e r s , 1 9 8 1 : 2 9 4 - 3 1 6 .1 7 C u r r e y H L F , V e r n o n - R o b e r t s B . E x a m i n a t i o n o f s y n o v i a lf l u i d . C l i n R h e u m D i s 1 9 7 6 ; 2 : 1 4 9 - 7 7 .1 8 R o y S , G h a d i a l l y F N . P a t h o l o g y o f e x p e r i m e n t a l h a e -m a r t h r o s i s . A n n R h e u m D i s 1 9 6 6 ; 2 5 : 4 0 2 - 1 0 .1 9 E d w a r d s J C W, W i l l o u g h b y D A . D e m o n s t r a t i o n o f b o n em a r r o w d e r i v e d c e l l s i n s y n o v i a l l i n i n g u s i n g g i a n t l y s o -s o m a l g r a n u l e s a s g e n e t i c m a r k e r s . An n R h e u m D i s 1 9 8 2 ;4 1 : 2 8 2 - 6 .2 0 R o p e s M, B a u e r W. S y n o v n a l f l u i d c h a n g e s i n j o i n t d i s e a s e .C a m b r i d g e , M a s s : H a r v a r d U n i v e r s i t y P r e s s , 1 9 5 3 .2 1 S c h u m a c h e r H R , K i t r i d o u R C . S y n o v i t i s o f r e c e n t o n s e t : ac l i n i c o p a t h o l o g i c a l s t u d y d u r i n g t h e f i r s t m o n t h o f d i s e a s e .A r t h r i t i s R h e u m 1 9 7 2 ; 1 5 : 4 6 5 - 7 2 .2 2 W o l f A W, B e n s o n D R , S h i j i J , e t a l . C u r r e n t c o n c e p t s i ns y n o v i a l f l u i d a n a l y s i s . C l i n O r t h o p 1 9 7 8 ; 1 3 4 : 2 6 1 - 5 .2 3 Z v a i f l e r N J . T h e i m m u n o p a t h o l o g y o f j o i n t i n f l a m m a t i o n i nr h e u m a t o i d a r t h r i t i s . A d v a n I m m u n o l 1 9 7 3 ; 1 6 : 2 6 5 - 3 3 6 .2 4 F r e e m o n t A J , D e n t o n J , C h u c k A , H o l t P J L , D a v i e s M J .D i a g n o s t i c v a l u e o f s y n o v i a l f l u i d m i c r o s c o p y : a r e a s s e s s -m e n t a n d r a t i o n a l i s a t i o n . A n n R h e u m D i s 1 9 9 1 ; 5 0 : 1 0 1 - 7 .2 5 F r e e m o n t A J . T h e u s e o f t h e d i a g n o s t i c t i s s u e b i o p s y i nr h e u m a t o l o g y . ARC t o p i c a l r e v i e w . L o n d o n : A r t h r i t i s a n dR h e u m a t i s m C o u n c i l , 1 9 8 9 : No 1 3 .2 6 F r e e m o n t A J , D e n t o n J . S y n o v i a l f l u i d f i n d i n g s e a r l y i nt r a u m a t i c a r t h r i t i s . J R h e u m a t o l 1 9 8 8 ; 1 5 : 8 8 1 - 2 .2 7 F r e e m o n t A J , D e n t o n J . D i a g n o s t i c a p p l i c a t i o n s o f s y n o v i a lf l u i d c y t o a n a l y s i s . J P a t h o l 1 9 8 7 ; 1 5 1 : 2 9 A .2 8 F r e e m o n t A J , D e n t o n J . T h e d i s e a s e d i s t r i b u t i o n o f s y n o v i a lf l u i d m a s t c e l l s a n d c y t o p h a g o c y t i c m o n o n u c l e a r c e l l s i ni n f l a m m a t o r y a r t h r i t i s . Ann R h e u m D i s 1 9 8 5 ; 4 4 : 3 1 2 - 5 .2 9 F r e e m o n t A J . P a t h o l o g y o f a n k y l o s i n g s p o n d y l i t i s . I n :C a l a b r o D C , D i c k W C , e d s . N e w v c l i n i c a l a p p l i c a t i o n s -r h e u m a t o l o g y - a n k y l o s i n g s p o n d y l i t i s . L a n c a s t e r : M TPP r e s s , 1 9 8 8 : 1 - 2 2 .3 0 D a v i e s M J , D e n t o n J , F r e e m o n t A J , H o l t P J L .C o m p a r i s o n o f s e r i a l s y n o v i a l f l u i d c y t o l o g y i n r h e u m a t o i da r t h r i t i s : d e l i n e a t i o n o f s u b g r o u p s w i t h p r o g n o s t i c i m p l i -c a t i o n s . A n n R h e u m D i s 1 9 8 8 ; 4 7 : 5 5 9 - 6 2 .

1 2 3