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Fragestellung: Unser langfristiges Ziel ist die Entwicklung und Validierung eines biomechanisch induzierten In-vitro-Modells des arthrotisch veränderten Gelenkknorpels für pharmakologische Untersuchungen. Kürzlich konnten wir ein mechanisches Belastungsprotokoll identifizieren, das in der Lage ist, in vitro arthrose-ähnliche Alterationen im Knorpelmetabolismus zu induzieren. Das Visualisieren subtiler Veränderungen in der extrazellulären Matrixkomposition wie z.B. die vermehrte Expression des Cartilage Oligomeric Matrix Proteins (COMP) kann helfen, das Auftreten erster arthrotischer Veränderungen zu erkennen. Das Ziel der hier vorliegenden Studie war es daher, histopathologische und immunhistochemische Veränderungen der Explantate nach mechanischer Induktion arthrotischer Veränderungen in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen.

Methodik: Bovine Gelenkknorpelexplantate wurden 1 bis 9 Tage lang intermittierend mechanisch belastet (alternierend: 0.5 MPa, 0.1 Hz, 10 s; keine Belastung 100 s; sinusoidale Wellenform der Kraft) wobei unbelastete Explantate derselben Kondyle als Kontrolle dienten. Zum Vergleich dienten (a) ganze Kniegelenke von Mäusen, die spontan eine Osteoarthrose entwickelten (STR1N-Mäuse) sowie (b) humaner Knieknorpel, der im Rahmen von Knie-TEP-Implantationen bzw. einer Autopsie gewonnen wurde. Die mit Safranin-O/Fast Green angefärbten histologischen Schnitte wurden mit dem Mankin-Score hinsichtlich ihrer arthrotischen Veränderungen bewertet. Zusätzlich wurden immunhistochemisch die in Paraffin eingebetteten Schnitte aller Proben auf die Expression von COMP untersucht. Jedes biomechanische Experiment wurde fünf mal wiederholt (N=6).

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Hinsichtlich der Lokalisation von COMP bestanden deutliche Unterschiede zwischen den arthrotisch veränderten humanen bzw. murinen Knorpel und den gesunden Kontrollproben. Eine erhöhte COMP-Expression ging zudem einher mit einer verstärkten arthrotischen Morphologie, die u.a. durch die verminderte Anfärbbarkeit der Proteoglykane mit Safranin-O bei fortschreitender Arthrose erkennbar war. Eine vergleichbare COMP-Expression bzw. Safranin-O-Anfärbung wurde auch in den mechanisch belasteten bovinen Knorpelexplantaten beobachtet.

Unsere experimentelle Studie zeigt, daß ein mechanisches Belastungsprotokoll identifiziert wurde, dass in vitro arthrose-ähnliche Alterationen im COMP-Metabolismus von bovinen Knorpelexplantaten induziert. In früheren Untersuchungen fanden wir bei dieser mechanischen Belastung auch einen arthrotisch veränderten Proteoglykan- und Fibronektinstoffwechsel. Die gleichzeitig auftretende erhöhte Expression von COMP sowie die histologisch erkennbaren arthrotischen Veränderungen sind ein weiterer Beleg für die rein mechanisch induzierbaren pathologischen Veränderungen des neuen bovinen In-vitro-Modells eines arthrose-ähnlich veränderten Gelenkknorpels.