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Fragestellung: Bakterielle Gelenkinfektionen können trotz adäquater Behandlung zu einer Zerstörung der Knorpelintegrität und zur konsekutiven Arthrose führen. Ziel dieser Studie war die Entwicklung und in vivo-Validierung eines in vitro-Modells für die akute Gelenkinfektion unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkung auf die Biochemie des Knorpels.

Methodik: Es erfolgte die Ko-Kultivierung von humanen Synoviafibroblasten (SFB) im Monolayer zusammen mit Primärkultur-Chondrozyten (PKC) in Alginat-Beads. In einem Filtereinsatz wurden mononukleäre Zellen des peripheren Blutes dazugegeben und die gesamte Kultur mit einem single-shot LPS allein oder in Kombination mit PMA inflammatorisch stimuliert. Die Medienwechsel wurden sukzessive verdünnend über 10 Tage durchgeführt und die Überstände mittels ELISA analysiert. Parallel dazu erfolgte die zelltypen-spezifische RNA-Analyse mittels real time PCR und die histologische Aufarbeitung von SFBs und PKCs. Für die in vivo-Validierung wurden Gelenkergüsse von Patienten mit (n=7) und ohne Gelenkinfekt (n=5) vergleichend untersucht (MISSinG, DRKS 00003536). Hierbei handelte es sich um postoperative Infekte mit definiertem Zeitfenster bei gesunden Patienten (ASA 1-2).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die entzündlichen Kulturbedingungen führten zu einer sukzessiven Verminderung der SFB-Zellzahl, während die PKCs in vitro gleichbleibend metabolisch aktiv (MTT) blieben und Proteoglycane produzierten (Alzian-Blau). Erwartungsgemäß fanden sich in der Kultur und in vivo ab dem 3.Tag nach Stimulation massiv erhöhte Konzentrationen des Entzündungsmediators IL-1 β (50fach). Die RNA war bei SFBs und PKCs ab dem 7. Tag signifikant erhöht (40fach). Während die Konzentrationen des katabolen Knorpelmarkers bFGF in vivo und in vitro sukzessive anstiegen (23fach), war die RNA-Erhöhung nur mäßig ausgeprägt (4fach), wobei die Expression bei den PKCs um den Faktor 10 über der Expression der SFBs lag. Übereinstimmend mit den in vivo Daten ließen sich im Laufe der Kultur ansteigende Werte des knorpeltypischen Zytokins IGF-1 nachweisen (2,2fach). Auffällig war, dass die IGF-1-RNA zwar sowohl bei PKCs als auch SFBs vorhanden war, diese jedoch im Rahmen der inflammatorischen Reaktion nicht anstieg. Ein ähnliches Regulationsmuster fand sich im Falle von Aggrekan. Auch hier waren statistisch signifikante Konzentrationserhöhungen des Proteins sowohl in vivo (29fach) als auch in vitro (3fach) vorhanden, die RNA reagierte auf die Entzündung jedoch in keiner der untersuchten Zelltypen. Der anabole Knorpelmarker BMP-7 wies eine statistisch hoch signifikante Erhöhung der intraartikulären Konzentration auf. In vitro kam es erst am 10. Tag der Kultur und bei maximaler inflammatorischer Stimulation zu einer signifikanten Konzentrationserhöhung.

Das entwickelte in vitro-Modell erlaubt eine validierte Simulation der in vivo-Situation mit Spezifizierung der zeitlichen Abläufe. Zell- und zytokinspezifische Regulationstypen konnten hierbei erkannt werden.