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Fragestellung: Da Bandscheiben nicht durchblutet sind, werden die Zellen des Nukleus pulposus (NP) ausschließlich durch Diffusion mit Nährstoffen versorgt. In degenerierten Bandscheiben ist die Diffusionsgeschwindigkeit vermindert. Dadurch kommt es auch zu einer Unterversorgung der NP-Zellen mit Glucose. Dies führt zu Veränderungen im Zellmetabolismus und zu einer niedrigeren Zellviabilität. Ziel der vorliegenden Studie war die Überprüfung der Hypothese, dass die Reaktion der NP-Zellen auf mechanische Reize von der Glucosekonzentration abhängt.

Methodik: Bovine NP-Zellen (n=6) wurden in Alginatbeads ausgesät (40000 Zellen/Bead), 24 Stunden in Standardmedium vorkultiviert und danach weitere 24 Stunden in Medien mit unterschiedlichen Glucosekonzentrationen (0 mM/ 0,5 mM/ 5 mM) kultiviert. Am dritten Tag wurden die Alginatbeads durch zyklischen hydrostatischen Druck (2,5 MPa, 30 min, 0,1 Hz) stimuliert, mechanisch unstimulierte Alginatbeads dienten als Kontrolle. Unmittelbar nach Stimulationsende wurde die Genexpression von Aggrecan, Kollagen-I und Kollagen-II mittels quantitativer real-time RT-PCR analysiert und auf GAPDH normalisiert. Das Verhältnis von stimulierten zu unstimulierten Proben wurde statistisch ausgewertet (Signifikanzlevel: p0,05, Wilcoxon-Test).

Ergebnisse: Eine Glucosereduktion führte zu einer Herabregulation aller drei Matrixgene: um 50% (0mM) bzw. 58% (0,5mM) bei Kollagen-I und zu einer signifikanten Abnahme (p=0,031) bei Aggrecan (-45%/-50%) and Kollagen-II (-57%/-69%), alle Werte bezogen auf 5 mM Glucose (entspricht der normalen Glucoseversorgung in der gesunden Bandscheibe).

Mechanische Belastung verringerte die Herabregulation aller Matrixgene. Es kam zu einer geringeren Abnahme bei Aggrecan (-25%/-17%, bezogen auf 5 mM Glucose), die lediglich bei 0mM Glucose signifikant war (Stimulation versus Kontrolle: p=0,031). Die Expression von Kollagen-I und Kollagen-II war nicht signifikant unterschiedlich zu den Kontrollen und wies bei allen Glucosekonzentrationen ähnliche Werte (Stimulation versus Kontrolle) auf.

Schlussfolgerungen: Die Unterversorgung der NP-Zellen mit Glucose führte zu einer Herabregulation der Genexpression von extrazellulären Matrixmolekülen. Die Applikation von hydrostatischem Druck konnte diese Herabregulation jedoch verringern. Mechanische Reize könnten somit einen positiven Effekt auf die Matrixgenexpression unter veränderten Ernährungsbedingungen haben. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Wechselwirkung von Nährstoffversorgung und mechanischen Reizen eine wichtige Rolle bei der Prävention bzw. der Verlangsamung der Bandscheibendegeneration spielt.

Danksagung: Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (NE 549/3-1).