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Fragestellung: Veränderungen in der Struktur und Zusammensetzung der Bandscheibenmatrix kennzeichnen die Bandscheibendegeneration. Hauptveränderungen in der Mikroumgebung von Bandscheibenzellen sind eine reduzierte Nährstoffversorgung, ein erniedrigter pH-Wert sowie eine veränderte Sauerstoffversorgung. Wir untersuchten die Hypothese, dass Veränderungen dieser Umgebungsfaktoren direkten Einfluss auf die Genexpression matrixbildender und -umbauender Proteine haben und die Reaktion der Bandscheibenzellen auf mechanische Belastung verändern.

Methodik: Anulus- und Nukleuszellen wurden getrennt aus Bandscheibengewebe isoliert und in verschiedenen Versuchsreihen jeweils unter Variation der Glucosekonzentration, des pH-Wertes oder des Sauerstoffpartialdrucks kultiviert. Nach einer Inkubationszeit von 24 Stunden wurden die Zellen jeweils der für die Geweberegion typischen mechanischen Belastung (zyklische Dehnung/Anuluszellen; hydrostatischer Druck/Nukleuszellen) ausgesetzt. Nach Ende der mechanischen Belastung wurden die Viabilität (Trypanblau-Färbung) und die Genexpression der Bandscheibenzellen (real-time RT-PCR) untersucht und statistisch ausgewertet (Wilcoxon-Test, Signifikanzlevel p<0,05).

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Eine Glucosereduktion auf 0,5 mM führte zu einer signifikanten Expressionserniedrigung der Matrixgene Aggrecan (–52%, p=0,004), Kollagen-I (–61%, p=0,008) und Kollagen-II (–78%, p=0,004). Bei reduzierter Glucoseversorgung war die Sox9-Expression unverändert, zyklischer hydrostatischer Druck führte jedoch zu einer Expressionserhöhung (+41%). Dynamische Belastung reduzierte die MMP3-Expression bei 0,5 mM Glucose um ca. 20%. Die Variation der Sauerstoffversorgung beeinflusste die Reaktion der Bandscheibenzellen auf mechanische Belastung: die cfos-Expression von Anuluszellen wurde durch zyklische Dehnung bei 21% O2 signifikant erhöht (+3-fach). Die Sauerstoffreduktion auf 6% bzw. 1% verringerte die cfos-Erhöhung. Eine pH-Erniedrigung auf Werte, wie sie in der degenerierten Bandscheibe (pH 6,5 / pH 6,8) auftreten können, führte zu einer signifikanten Herabregulation (p=0,03) der Aggrecan-, Kollagen-I- und Kollagen-II-Expression im Vergleich zum physiologischen pH-Wert (pH 7,1). Nach Applikation von hydrostatischem Druck kam es bei niedrigem pH-Wert (pH 6,5) zu einer signifikant höheren Genexpression von Aggrecan (p=0,005) und Kollagen-I (p=0,01) im Vergleich zu pH 7,1. Degenerationsbedingte Veränderungen in der Mikroumgebung der Bandscheibenzellen können den Abbau der Bandscheibenmatrix beeinflussen indem die Expression der entsprechenden Zielgene für den Auf- oder Abbau der Matrix erniedrigt bzw. erhöht wird. Dynamische Belastung könnte diesem Matrixabbau entgegenwirken, indem diese Effekte verringert oder sogar umgekehrt werden. Die Studie deutet daraufhin, dass der Matrixabbau bei der Bandscheibendegeneration durch Wechselwirkungen zwischen mechanischen Einflüssen und der Mikroumgebung in der Bandscheibe reguliert wird.

Diese Arbeit wurde von der DFG unterstützt (NE 549/3-1).