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Fragestellung: Das langfristige Ziel unserer Untersuchungen ist die Entwicklung und Validierung eines biomechanisch induzierten In-vitro-Modells des arthrotisch veränderten Gelenkknorpels für pharmakologische Untersuchungen. Kürzlich konnten wir ein mechanisches Belastungsprotokoll identifizieren, das in der Lage ist, in vitro arthrose-ähnliche Alterationen in Knorpelexplantaten zu induzieren. Das Ziel der hier vorliegenden Studie war es,

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den Proteoglykanstoffwechsel der Explantate nach mechanischer Induktion arthrotischer Veränderungen in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen, und

2.

zu prüfen, inwiefern Arzneistoffe mit potentiell anti-arthrotischer Wirksamkeit in der Lage sind, auch in diesem neuen In-vitro-Modell die Degradation von Proteoglykanen (PGs) zu hemmen.

Methoden: Bovine Knorpelexplantate wurden 1 bis 9 Tage lang intermittierend mechanisch belastet. In einem weiteren Experiment wurden die Explantate mit dem selben Protokoll (alternierend: 0.5 MPa, 0.1 Hz, 10 s; keine Belastung 100 s) für 6 Tage intermittierend belastet und gleichzeitig entweder mit dem Lösungsmittel des Arzneistoffes oder mit 10-5 M des Matrix-Metalloproteinase (MMP)-Inhibitors A976157 bzw. mit 10-5 M Glykosaminoglykan-Polysulfat (GAGPS) behandelt. Die unbelasteten Kontrollen erhielten entweder die Arzneistoffe oder das entsprechende Lösungsmittel. Während der letzten 18 Stunden der Experimente wurden die Explantate in Gegenwart von 10 µCi/ml [35S]-S04 kultiviert. Der Gesamtgehalt an PGs wurde photometrisch ermittelt, während der DNA-Gehalt fluorometrisch sowie die Vitalität der Knorpelexplantate fluoreszensmikroskopisch bestimmt wurde. Jedes Experiment wurde fünf mal wiederholt (N=6).

Ergebnisse: Intermittierende mechanische Belastung der Knorpelexplantate erhöhte zeitabhängig und signifikant die Inkorporation des radioaktiven Präcursors in die PGs und induzierte eine vermehrte Freisetzung von endogenen PGs in die Nährmedien. Der Gesamtgehalt an PGs und DNA blieb, verglichen mit den unbelasteten Explantaten, konstant. Intermittierende mechanische Belastung beschädigte die Tangentialzone der Explantate. Der MMP-Inhibitor sowie GAGPS reduzierten signifikant die Freisetzung der PGs aus den Explantaten in die Nährmedien. Beide Arzneistoffe waren weder zytotoxisch noch entfalteten sie eine Wirkung auf die Biosynthese der PGs.

Schlussfolgerung: Unsere experimentelle Studie zeigt, dass ein mechanisches Belastungsprotokoll identifiziert wurde, dass in vitro arthrose-ähnliche Alterationen im PGs-Metabolismus von Knorpelexplantaten induziert. Die vermehrte Freisetzung von PGs aus den Explantaten in die Nährmedien scheint durch MMPs vermittelt zu sein, da nach Zusatz des MMP-Inhibitors A976157 bzw. GAGPS die Freisetzung der PGs reduziert war. Das neue biomechanische In-vitro-Modell eines arthrotischen Gelenkknorpels scheint für pharmakologische Studien geeignet zu sein.