¹Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Ruprecht-Karls-Universität, Heidelberg, Deutschland
²Orthopädisches Forschungszentrum, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kiel, Deutschland
³Institut für Biomaterialien, Department Werkstoffwissenschaften, Universität Erlangen, Erlangen, Deutschland
⁴Klinik für Orthopädie, Universität Regensburg, Asklepios Klinikum Bad Abbach, Bad Abbach, Deutschland
⁵Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Kiel, Deutschland

Text

Zielsetzung und Fragestellung: Chondrozyten tragen bei Osteoarthrose (OA) durch eine verstärkte Produktion pro-inflammatorischer Zytokine und Knorpel-destruierender Enzyme entscheidend zu einer lokalen katabolen Stoffwechsellage bei. Diese wird als zentral im Entstehen und dem Voranschreiten der Erkrankung gesehen. 45S5-Bioglas (BG) wird als bewährtes Knochenersatzmaterial ein inflammationsmodulatorisches Potential zugeschrieben. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss von BG-Mikropartikel auf Chondrozyten von Patienten mit fortgeschrittener Gonarthrose in vitro zu analysieren.

Material und Methoden: In diese experimentelle prospektive Studie wurden 10 Patienten (4 weiblich, 6 männlich; Alter: 66,8 ± 6 Jahre; BMI: 29,5 ± 3,4) mit fortgeschrittener Gonarthrose (Kellgren-Lawrence-Score: 3–4) eingeschlossen. Knorpelgewebe wurde bei der Implantation von Knietotalendoprothesen gewonnen und enzymatisch verdaut. Die isolierten Chondrozyten wurden als Monokultur unbehandelt und behandelt mit der höchsten nicht-toxischen BG-Konzentration von 0,125 mg/ml kultiviert. Die Genexpression der Chondrozyten wurde nach 1 Tag und nach 7 Tagen mittels RT-PCR und der Delta-Delta-Ct-Methode quantifiziert. Weiter erfolgte die Analyse der Zellviabilität in den Kulturen mittels Fluoresceindiacetat (FDA) Assays. Die Kulturüberstände wurden an Tag 1 und Tag 7 mittels ELISA auf die Konzentrationen von Matrix-Metalloproteinasen (MMP-1/-3/-13) und IL-6 untersucht. Hierbei wurden die Proteinkonzentrationen auf die FDA-Werte normiert und nach Testung auf Normalverteilung durch T-Tests und Wilcoxon-Tests analysiert.

Ergebnisse: In den BG-behandelten-Chondrozyten-Monokulturen waren im Vergleich zu den unbehandelten Chondrozyten-Monokulturen an Tag 1 und 7 die Genexpression von MMP-1, IL-6 und TLR-4 signifikant erhöht und von Aggrecan und Kollagen II signifikant reduziert. Zudem war an Tag 1 die Genexpression von Kollagen X, MMP-9/-13, IL-1β und TNF-α in der BG-behandelten-Kultur signifikant erhöht. In den Kulturüberständen wurden im Vergleich zur Chondrozyten Monokultur in der BG-behandelten-Kultur an Tag 1 und 7 signifikant höhere Proteinkonzentrationen von MMP-1/-13 sowie IL-6 und an Tag 1 eine signifikant höhere MMP-3-Konzentration bestimmt (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]).

Diskussion und Schlussfolgerung: Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass 45S5-Bioglas-Mikropartikel das inflammatorische Profil von Chondrozyten stärken und gleichzeitig deren anabole Funktion reduzieren können. Die gezeigte Wirkung auf Genexpressions- und Proteinebene deutet jedoch darauf hin, dass BG durch die Möglichkeit einer gezielten Modifikation/Inkorporation bei Osteoarthrose auch chondroprotektiv wirken könnte. Durch Inkorporation anti-inflammatorischer Substanzen in BG könnte dessen Einfluss auf Chondrozyten in Richtung eines anabolen und entzündungshemmenden Effekts bei OA gelenkt werden. Dies gilt es in Folgestudien zu untersuchen.