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Knorpeldegeneration bei Arthrose: nicht nur ein Phänomen der extrazellulären Matrix, sondern auch der zellulären Mikroumgebung
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Veröffentlicht: | 22. Oktober 2019 |
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Fragestellung: Chondrozyten in der superfiziellen Zone von Gelenkknorpel ordnen sich degenerationsabhängig in definierten räumlichen Mustern an: Im physiologischen Zustand liegen die Zellen vor allem in Form von Strings vor. Mit beginnender Arthrose finden sich vermehrt Double Strings, bei weiterem Fortschreiten der Degeneration dann zunächst kleine und schließlich große Zellcluster. Die Änderungen in der räumlichen Chondrozytenanordnung werden begleitet von Veränderungen der lokalen mikrobiomechanischen Eigenschaften des Knorpels. Im Zuge der Knorpeldegeneration können außerdem Veränderungen der zellulären Mikroumgebung - der perizellulären Matrix (PZM) - beobachtet werden.
Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Veränderungen der wichtigsten Komponenten der PZM Perlecan, Kollagen Typ VI und III sowie Biglykan als eine Funktion der räumlichen Chondrozytenorganisation.
Methodik: Knorpelproben aus der Hauptbelastungszone von humanen Femurkondylen wurden in kleine Zylinder geschnitten und gemäß ihres lokal vorliegenden räumlichen Zellmusters sortiert. Es folgten eine qualitative Untersuchung der genannten Proteine mittels Immunfluoreszenzmikroskopie (n=3), sowie eine Messung des lokalen Proteingehaltes in gepoolten Proben mittels ELISA (n=81).
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Für alle untersuchten Proteine zeigte sich ein klarer Unterschied in räumlicher Verteilung und Gehalt in Abhängigkeit der räumlichen Chondrozytenorganisation. Lediglich bei Kollagen Typ III konnten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden (p=0,502). Perlecan, Kollagen Typ VI und Biglykan zeigten eine signifkante Reduktion im Zuge der Veränderung von Strings zu großen Clustern (p<0,001). Bei Perlecan zeigte sich das ursprünglich perizellulär gut definierte Fluoreszenzsignal später diffus und unspezifisch lokalisiert. Ähnliches wurde bei Kollagen Typ VI beobachtet, was in großen Clustern nur noch als verschwommenes diffuses Signal vorlag. Interessanterweise änderte Biglykan seine Lokalisation von vornehmend perizellulär in gesundem Knorpel zu zytoplasmatisch in fortgeschrittener Degeneration.
Mit Ausnahme von Kollagen Typ III ändern sich Lokalisation und Proteingehalt von drei wesentlichen Hauptbestandteilen der PZM in signifikanter Weise im Laufe der Degeneration in Zusammenhang mit Änderungen der räumlichen zellulären Organisation. Dieser Verlust an koordinierter Expression und Integration der Proteine in die Matrix zieht wohl nicht nur mikrobiomechanische Veränderungen der PZM nach sich, sondern vermutlich auch Veränderungen in der Übersetzung von mechanischen Stimuli zu einer geordneten intrazellulären Signalgebung. Wir können zeigen, daß Knorpeldegeneration bei Arthrose nicht nur ein Phänomen der extrazellulären Matrix ist, sondern ebenfalls in der perizellulären Mikroumgebung entsprechende Veränderungen stattfinden.