gms | German Medical Science

Fragestellung: Im gesunden Gelenkknorpel werden die Chondrozyten von einer kokonartigen Struktur umschlossen, der Perizellulären Matrix (PZM). Diese ist reich an Kollagen VI und Perlecan und scheint die Zelle mechanisch zu schützen und eingehende Signale zu modulieren. Mit Arthrosebeginn werden zahlreiche Prozesse in Gang gesetzt, welche das Gewebe zunehmend zerstören. In diesem Prozess kommt es zu einer Änderung der räumlichen Anordnung der Chondrozyten von Single Strings, über Double Strings, hin zu kleinen und dann großen Zellclustern. Diese Veränderungen gehen einher mit einer Degradation von PZM und Extrazellulärer Matrix. Zahlreiche Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) wurden als dabei involviert beschrieben. In der hier präsentierten Studie untersuchten wird systematisch das Vorkommen, die Lokalisation und die Aktivität der bei Arthrose beschriebenen MMPs, basierend auf der lokalen Chondrozytenanordnung als Marker für die lokale Gewebedegeneration.

Methodik: Knorpelproben von 125 Arthrosepatienten wurden entsprechend der lokalen Chondrozytenmuster sortiert und gepoolt. Es folgte ein Screening auf das Vorkommen zahlreicher MMPs (-1,-2,-3,-7,-8,-9,-10,-12,-13) mittels multiplexed bead-based Immunoassay. In immunhistochemischer Mikroskopie wurde die extra- und perizelluläre Lokalisation dieser MMPs evaluiert. Für jedes Zellmuster wurde die Menge der identifizierten MMPs quantifiziert und ihr Zustand (pro- vs. aktive Form) geprüft mittels Western Blots und Zymographie. Zur Darstellung der tatsächlichen Aktivität der gewählten MMPs in der Zerstörung der PZM wurden Enzymassays durchgeführt. Weiterhin wurden gesunde Knorpelproben exponiert mit rekombinanten aktivierten MMPs um mittels Immunhistochemie den Effekt der MMPs auf die Destruktion der PZM zu visualisieren. Die direkte Protein-Protein Interaktion wurde schließlich validiert mittels proximity-ligation Assay.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Erhöhte Werte wurden für MMP-1, -2, und -3 gefunden. Die erste relevante Zunahme erfolgte für MMP-2 bereits am Übergang von Single zu Double Strings. Bei MMP-3 wurde eine kontinuierliche Zunahme mit steigender lokaler Degeneration gesehen, während der MMP-Aktivator MMP-1 langsam abfiel. Die MMPs waren vornehmlich intrazellulär und im Bereich der PZM lokalisiert. Wir konnten zeigen, daß sowohl MMP-2 und -3 in der Lage sind, die Integrität von Kollagen VI als den Hauptbestandteil der PZM zu zerstören.

Bereits in Double Strings ist MMP-2 klar erhöht. Dies ist ein Zeitpunkt, zu welchem der Knorpel makroskopisch noch intakt aussieht. Die zeigt, daß extensives Matrixremodeling bereits sehr früh in der zellularpathologischen Abfolge einsetzt. MMP-2 und -3 scheinen dabei direkt in die Zerstörung der PZM involviert zu sein. Bei der Entwicklung zielgerichteter frühinterventioneller therapeutischer Strategien ist insofern das bereits sehr früh auftretenden relevante Matrixremodeling durch die genannten MMPs zu berücksichtigen.