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Fragestellung: Regenerative Gelenkknorpeltherapien können bisher nicht die originale Gewebeform und -Funktion wiederherstellen, und frühe degenerative Veränderungen in der Architektur des hyalinen Gelenkknorpels werden nicht ausreichend verstanden. Humane Chondrozyten an den Gelenkoberflächen bilden definierte Muster im Sinne einer spezifischen räumlichen Organisation. Typische Veränderungen dieser Organisation treten in der Arthrose-Frühphase der Arthrose auf und sind experimentell-diagnostisch ein Bild-basierter Biomarker dieser Phase. Das Ziel der Studie war es, die Chondrozyten-Organisation an der Gelenkoberfläche und in der Tiefe in 3D anhand eines hochauflösenden µ-CTs darzustellen und die Frage zu beantworten, ob Veränderungen der Chondrozyten-Organisation an der Gelenkoberfläche mit Veränderungen in tieferen Gewebeschichten einhergehen.

Methodik: Endoprothetisch gewonnene Femurkondylen wurden entlang der Hauptbelastungsachse auf eine Knorpel-Knochen-Probe von 3x3x20mm zugeschnitten, welche mit Propidium-Iodid gefärbt wurden. Die Gelenkoberfläche jeder Probe wurde sequenziell fluoreszenzmikroskopisch aufgenommen und als Mosaikbild rekonstruiert. 3 Proben wurden entkalkt, dehydriert und am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY mittels Synchrotron-µCT mit Absorptionskontrast sequentiell untersucht (Auflösung: 1,3µm, Strahlhöhe: 2mm). Die Aufnahmen wurden digital zusammengesetzt, mittels VG-Studio MAX sowie AVIZO lite segmentiert und mit den Fluoreszenzmosaiken derselben Proben verglichen.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Alle 3D-Rekonstruktionen bildeten den makroskopischen Degenerationszustand und auch den einzelnen Chondrozyten im Gewebe ab. Einzelne Stadien der räumlichen Chondrozyten-Organisation waren anhand beider Verfahren (Fluoreszenzmikroskopie, Synchrotron-µ-CTs) erkennbar. Während die Fluoreszenzmosaike nur die Gelenkoberfläche abbildeten, beinhalteten die µCt-3D-Rekonstruktionen die gesamte Gewebetiefe. In Bereichen von oberflächlich intaktem Knorpel lag auch in der Tiefe eine physiologische Zellorganisation vor. In Bereichen makroskopischer Schädigungen fanden sich charakteristische Veränderungen der Chondrozyten-Organisation sowohl an der Oberfläche als auch in der Tiefe. Je größer der radiäre Abstand zur makroskopisch intakten Knorpeloberfläche war, desto mehr war die Chondrozyten-Organisation an der geschädigten Oberfläche und in der Tiefe degenerativ verändert.

Diese Pilotstudie zeigte, dass die Organisation als experimentell-diagnostischer Bild-basierter Biomarker der Arthrose-Frühphase nicht nur fluoreszenzmikroskopisch, sondern prinzipiell auch mit einem hochauflösenden Synchrotron-µCT visualisiert werden kann. Frühe degenerative Veränderungen in der Chondrozyten-Organisation an der Gelenkoberfläche sind mit ähnlichen Veränderungen der Organisation in der Tiefe assoziiert. Beide Punkte eröffnen neue experimentelle Möglichkeiten und werden in der Entwicklung neuer therapeutischer und diagnostischer Ansätze für die regenerative Knorpeltherapie hilfreich sein.