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Zielsetzung und Fragestellung: Chondrozyten im Gelenkknorpel befinden sich innerhalb der perizellulären Matrix (PZM) und bilden mit ihr zusammen das Chondron – die funktionelle Einheit des Gelenkknorpels. Die PZM fungiert sowohl als schützende Hülle als auch als dynamischer Transduktor biomechanischer und biochemischer Signale. Bei Osteoarthritis (OA) ist dieses empfindliche Gleichgewicht gestört, da Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) die PZM abbauen. In dieser Studie wurde untersucht, wie der Verlust der PZM-Integrität die biomechanischen Eigenschaften der Chondrone beeinflusst und zu einer dysfunktionalen Mechanotransduktion (Ca²⁺-Signaling) führt, wodurch die zugrunde liegenden molekularen Dynamiken des Verlusts der Knorpelhomöostase bei OA beleuchtet werden.

Material und Methoden: Chondrone, die aus Gelenkknorpel menschlicher Femurkondylen enzymatisch isoliert wurden, wurden mit aktivierten MMP-2, -3 oder -7 behandelt, und anschließend der Abbau der PZM durch immunhistochemische Färbung von Kollagen Typ VI und Perlecan sowie Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) bewertet. Die biomechanischen Eigenschaften der Chondrone (ihr Elastizitätsmodul (E)) wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen. Der intrazelluläre Ca²⁺-Einstrom als Reaktion auf mechanische Belastung (500 nN) wurde mit dem Kalziumindikator Fluo-4-AM aufgezeichnet und quantifiziert. Darüber hinaus wurde die Beziehung zwischen PZM-Degradation und der Beteiligung der mechanosensitiven Ionenkanäle Piezo1/2 und TRPV4 untersucht, indem diese Kanäle mit den Inhibitoren GsMTx-4 und GSK205 gehemmt und die Auswirkungen auf das Ca²⁺-Signaling und die Genexpression analysiert wurden.

Ergebnisse: Alle drei MMPs führten zu einem deutlichen Abbau der PZM-Komponenten Perlecan und Kollagen VI, was durch eine Verringerung der Fluoreszenzintensität in der immunhistochemischen Färbung sowie reduzierten Proteingehalt im ELISA belegt wurde (p<0.001). Messungen des Elastizitätsmoduls (E) zeigten eine signifikante Verringerung bei allen MMP-Behandlungen, wobei MMP-2 und MMP-7 die deutlichsten Veränderungen verursachten (p<0,001). Diese biomechanischen Veränderungen spiegelten sich in signifikanten Veränderungen des Ca²⁺-Einstroms wider (p<0,05), wobei MMP-2 und MMP-7 die ausgeprägtesten Effekte hervorriefen. In strukturell intakten Chondronen spielten TRPV4-Ionkanäle eine bedeutende Rolle, während PIEZO-Kanäle in der Mechanotransduktion sowohl bei gesunden als auch bei mit MMP behandelten Chondronen beteiligt waren. Während des MMP-vermittelten Fortschreitens der Arthrose verschoben sich die Mechanotransduktionsdynamiken deutlich hin zu einer zunehmenden Aktivität der PIEZO-Kanäle.

Diskussion und Schlussfolgerung: Die PZM-Degradation durch MMP-2, -3 und -7 verändert die Chondron-Biomechanik tiefgreifend und verändert ihre Reaktion auf mechanische Belastung. Diese Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle der PZM für den mechanischen Schutz und die Übertragung mechanischer Signale mit direkten Auswirkungen auf den Progress der Arthrose. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Beteiligung der mechanosensitiven Ionenkanäle PIEZO1 und 2 sowie TRPV4 am Mechanosignaling im Gelenkknorpel maßgeblich von der strukturellen Integrität der PZM abhängt.