gms | German Medical Science

Fragestellung: Im humanen hyalinen Knorpelgewebe umgibt die perizelluläre Matrix (PCM) die Chondrozyten (CH). Sie reguliert die Interaktionen biomechanischer und biochemischer Signale zwischen den CHs und der extrazellulären Matrix und ist für die Funktion des Knorpelgewebes ein essentieller Bestandteil. Die PCM ist zudem mit der räumlichen Organisation der superfiziellen CH assoziiert. Über die humane fetale Entwicklung der PCM und der räumlichen Organisation der CHs ist bisher wenig bekannt.

Methodik: Zur Charakterisierung der einzelnen Entwicklungsstadien wurden kondyläre Regionen aus humanen fetalen Kniegelenken (Schwangerschaftswoche (SSW) 7, 10, 22, 33, 40) sowie makroskopisch intakte Bereiche adulter Knorpelgewebe (humane Donoren; nach Gelenkersatz) verwendet. Zur Untersuchung der räumlichen Organisation innerhalb der Gelenkoberfläche wurden die CH-Nuklei markiert, ihre Koordinaten im 3D-Raum bestimmt und mittels mathematischer Punktmuster-Analysen [1] charakterisiert. Die Entwicklung der PCM wurde durch Kollagen VI fluoreszenzmikroskopisch visualisiert (LSM 510) sowie quantitativ mit Hilfe der Multiphotonenmikroskopie/ Second Harmonic Generation (SHG) (LSM 710) analysiert [2].

Ergebnisse: In der superfiziellen Zone des adulten Knorpels waren einzelne bzw. Gruppen von CH von einer definierten, gemeinsamen PCM umgeben, die die räumliche Anordnung der Zellen in Form von Strings definierte. Die PCM der adulten Proben war durch eine starke Kollagen VI Färbung sowie durch eine hohe Kollagen-Signalintensität (156,7±12.4) charakterisiert. Im Gegensatz dazu zeigten die fetalen Proben in frühen Stadien (SSW 7-10) eine diffuse räumliche Anordnung, keine Kollagen VI gefärbte PCM sowie eine signifikant geringere Kollagen-/ SHG Signalintensität (4,7±0,8; p<0,001). Im weiteren Verlauf der fetalen Entwicklung (SSW 22, 33, 40) veränderte sich die räumliche Organisation kontinuierlich. Die anfangs hohe Zelldichte verringerte sich signifikant (p<0,001)und der Abstand zur jeweils nächstgelegenen Nachbarzelle vergrößerte sich (p<0,001). Clusteranalysen zeigten eine stetige Zunahme der Ordnung durch die Formierung von Gruppen und Subgruppen, bis eine räumliche Ordnung erreicht wurde, die der adulten Organisation ähnlich ist.

Schlussfolgerung: Die PZM und eine definierte CH-Organisation sind essentielle Charakteristika des adulten humanen Knorpelgewebes. Diese beiden Charakteristika sind jedoch kein Bestandteil des humanen Knorpelgewebes in der frühen Phase der fetalen Entwicklung. Erst mit fortschreitender Entwicklung tritt eine zunehmende Ordnung in der CH-Organisation auf. Die Mechanismen, die hinter der Ausbildung von Ordnung und PCM stehen, sind von großer Relevanz für das Verstehen der humanen Chondrogenese und insbesondere für die Entwicklung von therapeutischen Strategien bei degenerativen Erkrankungen wie z. B. der Arthrose.