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Fragestellung: Gelenkverletzungen mit Knorpeltraumatisierung stellen einen starken Risikofaktor für die Entwicklung einer posttraumatischen Arthrose dar. Vor allem im sportmedizinischen Bereich wird häufig eine lokale Kühlung angewandt, zu deren zellbiologischen Effekten bisher keine aussagekräftigen Untersuchungen existieren. Anhand eines humanen ex-vivo Knorpeltrauma-Modells sollte daher geprüft werden, welche Einflüsse die Hypothermie auf Trauma-induzierte Prozesse im Gelenkknorpel hat.

Methodik: Aus makroskopisch intaktem Knorpelgewebe von Knie-Endoprothese-Implantationen wurden mit Einverständnis der Patienten (n=7) Knorpelstanzen präpariert und mit Hilfe eines "Drop Towers" stumpf traumatisiert (0,59 J). Traumatisiertes (T) und untraumatisiertes (K) Knorpelgewebe wurde anschließend unter verschiedenen Temperaturbedingungen über insgesamt 7 Tage kultiviert: (a) kontinuierlich bei 37°C; (b) initial 2 Stunden (h) bei 27°C und anschließend 37°C; (c) 16h bei 27°C und anschließend 37°C, (d) kontinuierlich bei 27°C. Als Outcome-Parameter wurden die Zellvitalität (Live/Dead Staining) und die Genexpression von degradativen Matrixmetalloproteasen (MMP-2, MMP-13) und anabolen Proteinen (Aggrecan, Kollagen II) mittels RQPCR analysiert. Die Freisetzung von MMP-2 und MMP-13 wurde zudem mittels Gelatine Zymographie bzw. eines ELISA quantifiziert. Die statistische Auswertung erfolgte mittels two-way ANOVA.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Das Live/Dead Staining zeigte einen positiven Effekt der Hypothermie auf das Überleben der Zellen. Nach kontinuierlicher Kühlung erhöhte sich die Zellvitalität im traumatisierten Gewebe signifikant ([vs. T37°C] T27°C:+10,6%, p=0,04).

Die Hypothermie reduzierte die Trauma-induzierte Genexpression von MMP-13 in Abhängigkeit der Kühlungsdauer signifikant ([vs. T37°C] T2h 27°C:-4-fach, p=0,03; T16h 27°C:-36,2-fach, p=0,005; T27°C:-8,9-fach, p=0,01). Diese Effekte konnten auf Proteinebene mittels ELISA bestätigt werden ([vs. T37°C] T2h 27°C:-1,6-fach, p=0,03; T16h 27°C:-5,2-fach, p<0,0001; T27°C:-15,2-fach, p<0,0001).

Obwohl die Trauma-induzierte Genexpression von MMP-2 nur tendenziell durch die Hypothermie reduziert wurde, konnten unter kontinuierlicher Inkubation bei 27°C in der Gelatine Zymographie signifikant geringere Mengen an aktivem MMP-2 festgestellt werden ([vs. T37°C] T27°C:-7,9-fach, p=0,009).

Während bei durchgehender Hypothermie die Genexpression von Aggrecan signifikant ([vs. T37°C] T27°C:-3,4-fach, p=0,02) und die von Kollagen II tendenziell supprimiert wurde, war bei kürzerer Kühlung (2 bzw. 16h) keine Suppression zu erkennen.

Nach stumpfem Knorpeltrauma hat eine therapeutische Hypothermie tendenziell günstigen Einfluss auf das Überleben der Chondrozyten und verringert den traumabedingten Anstieg der Genexpression und Sekretion von MMP-13 bereits nach kurzer Applikation (2h) signifikant. Eine langfristige Hypothermie könnte jedoch zu verminderter Matrixsynthese führen.