gms | German Medical Science

Fragestellung: Veränderungen der zellulären räumlichen Organisation im Gelenkknorpel sind ein Hinweis auf früheste degenerative Knorpelveränderungen. Der Übergang von Single zu Double Strings geschieht dabei zu einem Zeitpunkt, an welchem die Knorpeloberfläche makroskopisch meist noch intakt ist. In rasterkraftmikroskopischen Messungen sind diese Musteränderungen begleitet von ebenfalls Veränderungen der biomechanischen Gewebeelastizität. Die Rasterkraftmikroskopie besitzt höchste räumliche Auflösung bis in den Nanometerbereich. Diese Technik ist jedoch prinzipiell nur für ex-vivo Messungen geeignet. Durch neueste Entwicklungen im Bereich des Glasfaser-basierten Fiber Bragg Grating (FBG) können mittlerweile Geräte gebaut werden, welche aufgrund der einfachen Handhabbarkeit prinzipiell für eine in-vivo Messung denkbar sind. Somit könnte diese Technik potentiell verwendet werden, eben früheste Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels in einer Arthroskopie zu detektieren und zu beschreiben. Ziel der aktuellen Studie war es, die Übereinstimmung solcher FBG Messungen mit den als Goldstandard betrachteten rasterkraftmikroskopischen Messungen im Rahmen der Früherkennung von Knorpelschäden zu evaluieren.

Methodik: 30 Knorpelproben von 6 Patienten wurden basierend auf der lokal vorherrschenden Chondrozytenorganisation selektiert. Bei jeder Probe erfolgten biomechanische Steifigkeitsmessungen sowohl mittels Rasterkraftmikroskopie als auch mittels FBG. Die jeweilige Eindrintiefe lag dabei bei 1–3 µm bei der Rasterkraftmikroskopie und 100–200 µm beim FBG.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: In beiden Techniken zeigte sich eine kontinuierliche Abnahme der Knorpelsteifigkeit mit zunehmend pathologischer räumlicher Chondrozytenorganisation und insofern mit zunehmender degenerativer Gewebeschädigung. Die Korrelation zwischen der Veränderung der räumlichen Organisation und der Knorpelsteifigkeit erhoben mittels Rasterkraftmikroskopie lag mit r=-0,340 (p=0,033) nahe derer mit der FBG erhobenen Steifigkeit (r=-0,316, p=0,045). Die direkte Korrelation beider Techniken war dabei moderat mit einem r=0,462, p=0,01. Während die die einzelnen Kollagenfibrillen messende Rasterkraftmikroskopie über das gesamte Spektrum der degenativ bedingten räumlichen Zellveränderungen eine kontinuierliche Abnahme der Steifigkeitswerte zeigte, lag bei der auf etwas größerer räumlicher Skala messenden FBG die höchste Diskriminierungsfähigkeit interessanterweise zwischen den ersten beiden Chondrozytenmustern mit im Median mehr als einer Halbierung der Steifigkeit.

FBG scheint ein hohes Potential zu besitzen gerade früheste und makroskopisch noch nicht sichtbare degenerative Knorpelschäden zu erkennen. In weiteren Arbeiten werden wir nun die Praktikabilität für die klinische in-vivo Anwendung verbessern.