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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2019)

22. - 25.10.2019, Berlin

Änderungen in Steifheit und Zusammensetzung der perizellulären Matrix im Gelenkknorpel bei Arthrose

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Marina Danalache - Orthopädische Universitätsklinik Tübingen, Zellbiologisches Forschungslabor, Tübingen, Germany
  • Robin Kleinert - Orthopädische Universitätsklinik Tübingen, Zellbiologisches Forschungslabor, Tübingen, Germany
  • Janine Schneider - Orthopädische Universitätsklinik Tübingen, Zellbiologisches Forschungslabor, Tübingen, Germany
  • Anna-Lisa Erler - Orthopädische Universitätsklinik Tübingen, Zellbiologisches Forschungslabor, Tübingen, Germany
  • Maik Schwitalle - Winghofer Medicum, Rottenburg am Neckar, Germany
  • Rosa Riester - Orthopädische Universitätsklinik Tübingen, Zellbiologisches Forschungslabor, Tübingen, Germany
  • Frank Traub - Orthopädische Universitätsklinik Tübingen, Tübingen, Germany
  • Ulf Krister Hofmann - Orthopädische Universitätsklinik Tübingen, Tübingen, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2019). Berlin, 22.-25.10.2019. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2019. DocAB57-47

doi: 10.3205/19dkou537, urn:nbn:de:0183-19dkou5376

Veröffentlicht: 22. Oktober 2019

© 2019 Danalache et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Die räumliche Anordnung der Chondrozyten ändert sich im Laufe der Degeneration des Knorpels stadienabhängig mit zunächst Strings, dann Double Strings, kleinen und schließlich großen Clustern. Diese räumlichen Muster wurden als bildbasierter Biomarker für die Ausprägung der Arthrose vorgeschlagen. Die perizelluläre Matrix (PZM) welche die Chondrozyten umgiebt, ist verantwortlich für die biomechanischen Eigenschaften des die Zellen umschließenden Gewebes und so möglicherweise auch für die Translation von biomechanischen in intrazelluläre biochemischen Signale. Diese PZM unterliegt ebenfalls degenerativen Veränderungen entlang der Änderungen der räumlichen Zellordnung.

Ziel der Studie war die Feststellung der funktionellen Bedeutung der räumlichen Chondrozytenanordnung im Gelenkknorpel.

Methodik: Femoraler Knorpel von Patienten welche einen Kniegelenkersatz erhielten wurde gemäß des lokal dominanten zellulären Musters sortiert. Die biomechanische Elastizität der PZM (Young's modulus) wurde mittels Atomic Force Mikroskopie (AFM) bestimmt (~500 Messungen pro zellulärem Muster). Von zwei Hauptbestandteilen der PZM (Kollagen Typ VI und Perlecan) erfolgte zudem die immunhistochemische Darstellung (8 Patienten) sowie die Bestimmung deren Proteingehalt mittels ELISA (58 Patienten).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: In den AFM-Messungen konnte eine signifikante Abnahme der Elastizität der PZM entlang der gesamten Skala der zellulären Muster erhoben werden: von Strings zu Double Strings p=0,030, von Double Strings zu kleinen Clustern p=0.015, und von kleinen zu großen Clustern p<0.001. Die Elastizität reduzierten sich um etwa 84% mit 38 kPa für Strings zu 6 kPa in großen Clustern. In der Immunfluoreszenzmikroskopie zeigte sich bei fortschreitender räumlicher zellulärer Veränderung die Kontur der PZM um die Chondrozyten zunehmend aufgeweicht. Insbesondere in kleinen und großen Clustern war das Signal für Kollagen Typ VI und Perlecan nicht mehr klar beschränkt auf die perizelluläre Umgebung, sondern zeigte eher eine diffuse Signalanreicherung zwischen benachbarten Zellen. In den ELISAs zeigte sich ein Rückgang des Proteingehaltes dieser Komponenten in Assoziation mit der räumlichen Veränderung der Chondrozyten. Der früheste Zeitpunkt mit signifikantem Rückang des Proteingehaltes war am Übergang von Strings zu kleinen Clustern für Kollagen Typ VI (p=0,016) und von Double Strings zu kleinen Clustern für Perlecan (p=0,008).

Diese Studie zeigt die funktionelle Bedeutung der räumlichen Chondrozytenorganisation als bildbasierter Biomarker für frühe Arthrose. Am Übergang von Strings zu Double Strings beginnt bereits eine Reduktion der Steifheit der PZM - ein Zustand, in welchem sich der Knorpel makroskopisch noch intakt präsentiert. Dies zieht einen Verlust an Kollagen Typ VI und Perlecan nach sich. Daher liegt es nahe, daß der Verlust dieser Proteine und die funktionelle Einschränkung der PZM eng verwobene Elemente in der Pathophysiologie der Arthrose darstellen.