Text

Zielsetzung und Fragestellung: Zur Untersuchung biologischer und pathologischer Prozesse im Knorpelgewebe ist es wünschenswert, vorhandene Tiermodelle durch adäquate ex vivo Modelle zu ersetzen, die es außerdem ermöglichen, humanes Material zu verwenden.

Ziel des Projektes war daher die Entwicklung und Etablierung einer dynamischen Belastungsapparatur, die eine mechanische Stimulation mehrerer Knorpelproben unter sterilen Bedingungen ermöglicht. Durch eine Kraft- als auch eine Weg-gesteuerte Belastung sollten dabei sowohl neben physiologischen auch traumatische Bedingungen abgebildet werden können.

Material und Methoden: Eine neu konstruierte Stimulationskammer wurde mit einer dynamischen Materialprüfmaschine (ElektroForce 5500, TA Instruments) gekoppelt, um sinusförmige Belastungen (Weg-oder Kraftgeregelt) aufzubringen. Individuell einstellbare Stempel erlaubten die mechanische Stimulation von bis zu acht Knorpelproben gleichzeitig. Die wirkenden Kräfte wurden an jeder Probe mittels uniaxialen Miniaturkraftmessdosen aufgezeichnet. Die jeweiligen Daten der Belastung wurden je Probe erfasst und statistisch ausgewertet (Mittelwert, Min/Max-Belastung über 10.000 Messpunkte hinweg). Sie dienten zur Normalisierung der biologischen Auswertung im Verhältnis zur aufgetragenen biomechanischen Kraft je Stanze.

Zur Etablierung der Belastungsapparatur wurden porzine Knorpelstanzen mit 8 mm Durchmesser medialer Kondylen aus frischen Kniegelenken von Schlachttieren steril entnommen und unter Standardbedingungen kultiviert. Nach 24h wurden die Stanzen über einen Zeitraum von 14 Tagen täglich bei einer Frequenz von 0.1 Hz bzw. 1Hz für 120 min belastet. Der Effekt der physiologischen bzw. traumatischen Stimulation auf den Knorpel wurde anhand von Live/Dead-Färbungen, sowie Safranin O- bzw. Alzian Blau-Färbungen beurteilt (Abbildung 1 [Abb. 1]).

Ergebnisse: Die Konstruktion der Belastungsapparatur erlaubte eine definierte Belastung der Stanzen unter sterilen Bedingungen für mindestens 14 Tage. Die Belastung je Probe konnten je nach Vorgabe bei Kraft-gesteuerter Belastung von 1 N bis zu 10 N und bei Weg-gesteuerter Kontrolle von 1 N bis zu 3 N betragen. Auswertungen der Live/Dead-Färbungen zeigten einen Zusammenhang von physiologischer zur traumatischen Belastung in den artikulären Stanzen. Mit zunehmendem Grad der Belastung konnte eine Zunahme im Verhältnis von toten zu lebenden Zellen festgestellt werden. Ebenso führten traumatisierende Bedingungen zu einem Proteoglykan-Verlust in den Stanzen. Beides wurde jeweils mit Kontrollstanzen verglichen, die ohne biomechanische Belastungen kultiviert wurden.

Diskussion und Schlussfolgerung: Im Vergleich zu bereits etablierten Knorpel-Trauma-Modellen bietet dieses neue System mehrere Vorteile. So können unterschiedliche Proben eines Spenders unter verschiedenen Bedingungen belastet werden, so dass interindividuelle Differenzen ausgeglichen werden können. Ebenso ist im Gegensatz zum Tiermodell eine Anwendung unterschiedlicher Therapeutika an einem Spender unter jeweils definierten Bedingungen möglich.