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Fragestellung: Die Arthrose (osteoarthritis, OA) stellt mit über 500 Mio. Betroffenen die häufigste Gelenkerkrankung weltweit dar und ist durch eine progrediente Schädigung der Knorpel-Knochen-Einheit gekennzeichnet, was zu Schmerzen und einem Funktionsverlust des Gelenks führt. Bisher ist unzureichend definiert, in welchem Muster und qualitativem Spektrum der subchondrale Knochen beeinträchtig ist und welche Veränderungen den OA-Progress maßgeblich beeinflussen. Gegenstand dieses Forschungsvorhabens stellt die Untersuchung der subchondralen Knochenqualität sowie zellulärer Merkmale des Femurkopfes unter Nutzung hochauflösender Untersuchungstechniken dar. Durch den Vergleich der Ergebnisse mit knorpelgesunden Personen wird ein Kontinuum analysiert um OA-spezifische Pathomechanismen aufzuzeigen.

Methodik: Es wurden insgesamt 75 Femurköpfe entnommen, darunter 45 OA-Femurköpfe (Kellgren-Lawrence Grad II-IV, Männer:Frauen 1:1), die im Rahmen einer primären Hüft-Totalendoprothese entnommen wurden, und 30 Femurköpfe von Verstorbenen ohne makroskopische OA-Zeichen. Die Knorpel-Knochen-Einheit wurde mittels hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographie, unentkalkter Histomorphometrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nanoindentation analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der subchondrale Knochen zeigte regionale, bis in den trabekulären Knochen reichende Veränderungen der Mikrostruktur und des Knochenremodelings. Eine OA-Zunahme gemäß OARSI-Score ging mit höheren subchondralen und trabekulären Strukturparametern sowie einer gesteigerten Anzahl an Osteoblasten (N.Ob/B.Pm; Kontrolle: 3,8±4,5 vs. OA: 16,0±10,3 1/mm, p<0,0001) einher, was in einer heterogeneren Matrixmineralisation sowie verringerten mechanischen Kompetenz mit höherem OA-Grad resultierte. Konträr hierzu entwickelte sich der mineralisierte Knorpel, der eine höhere Mineralisation sowie Härte mit OA-Progress aufwies (Hardness, 0,69±0,09 vs. 0,75±0,10 GPa, p=0,016). Während wir im frühen bis mittleren Stadium der OA Hinweise auf ein defektes osteozytäres Remodeling im subchondralen Knochen detektierten, herrschte im Spätstadium ein ausgeprägtes osteozytäres Netzwerk mit verkürzten Canaliculi vor.

Durch diese multiskalige, hochauflösende Untersuchungen des subchondralen Knochens konnten wir ein spezifisches regionales und zeitliches OA-Muster aufzeigen. Das Fortschreiten der Arthrose wird durch eine divergente Entwicklung der nanomechanischen Grenzfläche zwischen höher mineralisiertem, härterem mineralisierten Knorpel und niedriger mineralisiertem, weicherem subchondralen Knochen beeinflusst. Somit zeigen sich komplexe subchondrale Veränderungen entlang des OA-Kontinuums. Auf Basis unserer Ergebnisse könnte insbesondere eine frühzeitige Beeinflussung des durch Osteozyten vermittelten subchondralen Remodelings ein vielversprechender therapeutischer Ansatz sein, um den OA-Krankheitsprogress zu verlangsamen.