Untersuchungen zum Einfluss von verletzender Kompression, Interleukin-1 und Antioxidantien auf bovines Meniskusgewebe

Hufeland, Martin

Einleitung: Verletzungen der Kniegelenksmenisken können degenerative Veränderungen des Meniskusgewebes zur Folge haben und zum Entstehen einer sekundären Osteoarthrose beitragen. Im Gelenkknorpel führen sowohl eine mechanische Überlastung als auch der Einfluss proinflammatorischer Zytokine (u.a. Interleukin-1) zu einer Induktion von matrixdegradierenden Enzymen (Matrixmetalloproteinasen, Aggrekanasen), zum Abbau der für die Gewebefunktion essentiellen extrazellulären Matrix durch einen Verlust von Glykosaminoglykanen sowie zur vermehrten Synthese von Stickoxid (NO) als reaktive Sauerstoffspezies mit katabolen Eigenschaften. Daher wurde in dieser Arbeit ein, für den Gelenkknorpel bereits bewährtes, in vitro Modell zur verletzenden Kompression auf bovines Meniskusgewebe etabliert, um neue Erkenntnisse für die Ursachen der posttraumatischen Degeneration zu gewinnen sowie eine mögliche Beeinflussung aufzuzeigen. Methoden: Aus bovinen Menisken wurden einzelne Explantate (Durchmesser 3 mm, Höhe 1 mm) hergestellt und in einer computergesteuerten Druckkammer einer einmaligen Kompression (10 s mit 1 mm/s) unterzogen. Dabei betrug die Stärke der Kompression je nach Versuchsreihe zwischen 25% und 75% der Explantatdicke. Anschließend wurden die Explantate für eine Dauer von 3 Tagen bei 37 C° in Kulturmedium inkubiert und danach Untersuchungen am Überstand und den Gewebeproben durchgeführt. Ergebnisse: Die Zell-verletzende Wirkung der Kompression konnte histologisch durch einen massiven Zelluntergang (TUNEL Färbung), sowie eine deutlich erhöhte Konzentration der Laktatdehydrogenase im Kulturmedium (Cytotoxicity Detection Kit) nachgewiesen werden. Die Kompression der Explantate bewirkte zudem dosis-abhängig einen Verlust von Glykosaminoglykanen aus dem Gewebe (DMMB-Test) sowie eine Abnahme der NO Produktion (Griess-Reaktion). Die mRNA-Expression der Matrixmetalloproteinasen MMP-2 und -3 sowie der Aggrekanase ADAMTS-4 wurden durch die Kompression gehemmt (real time RT-PCR). Das Gewebe wurde in Parallelversuchen mit IL-1 (10 ng/ml) stimuliert, was zu einer starken Zunahme des GAG-Verlustes und der NO-Produktion führte. Eine Kombination von Kompression und IL-1 reduzierte diese IL-1-Wirkungen jedoch. IL-1 induzierte weiterhin eine verstärkte Expression von MMP 2, 3, -9, -13 sowie ADAMTS-4 und -5. Aggrekan und Kollagen Typ II als Substrate dieser Enzyme wurden durch IL 1, aber nicht durch die Kompression in ihrer Synthese gehemmt. Als Grundlage für eine mögliche therapeutische Beeinflussung wurde untersucht, ob die schädigenden Effekte der Kompression durch Zugabe von Antioxidantien (MnTMPyP = SOD-Mimetikum, N Acetyl-Cystein) beeinflusst werden können. Der Zusatz von SOD und NAC zu komprimierten Explantaten zeigte jedoch keine Resultate, die auf eine protektive Wirkung für die Meniskuszellen oder die extrazelluläre Matrix schließen lassen. NAC bewirkte im Gegenteil sogar eine signifikante Steigerung der NO-Synthese, die durch die Kompression noch verstärkt wurde. Es wurden weiterhin die Gegendruckdaten ausgewertet, die während der Kompression durch das komprimierte Meniskusgewebe aufgebaut wurden. Hier zeigte sich im Vergleich zu Arbeiten am bovinen Gelenkknorpel mit dem gleichen Kompressionsmodell (50%, 1mm/s) ein geringerer Maximaldruck, der für eine geringere Druckelastizität des Meniskusgewebes spricht. Diskussion: Die Abnahme der Expression von MMP-2 und -3 und vor allem die verminderte NO-Produktion in der vorliegenden Arbeit stehen im Gegensatz zu Studien mit verletzender Kompression am Gelenkknorpel, während die Resultate mit Zusatz von Interleukin-1 mit der Wirkung auf Gelenkknorpel vergleichbar sind. Dies zeigt, dass das Meniskusgewebe eine völlig andere Zellantwort auf mechanische Verletzung zeigt als der Gelenkknorpel und somit einer weiteren Erforschung bedarf. Da nicht alle Enzyme durch die Verletzung in ihrer Expression gehemmt wurden, kann dieser Effekt durch eine Abnahme der allgemeinen Biosynthese allein nicht erklärt werden, und wie der Zusatz von NAC zeigt, scheint das Meniskusgewebe nach der Kompression noch in der Lage zu sein, auf NO-induzierende Agentien mit einer verstärkten Synthese zu reagieren, was auch in weiterführenden Studien erforscht werden muss. Auch die Art des ermittelten Zelltods nach mechanischer Verletzung bleibt unklar und muss noch detaillierter untersucht werden. Schlussfolgerung: Somit konnte in der vorliegenden Arbeit ein Modell etabliert werden, das dosis-abhängig Einflüsse einer mechanischen Verletzung auf das Meniskusgewebe zeigt, die anders sind, als im Gelenkknorpel. Da diese Effekte aber durch den Zusatz von Antioxidantien nicht im Sinne einer Protektion moduliert werden konnten, hat dieses in vitro-Modell noch nicht den gewünschten Erfolg erbracht, Wege aufzuzeigen, mit denen eine mechanisch-induzierte Verletzung des Meniskus in ihrer Auswirkung therapeutisch behandelt werden kann. Daher sollte weiter nach Substanzen gesucht werden, die die mechanisch-induzierte Schädigung des Meniskusgewebes minimieren können.

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Hufeland, Martin: Untersuchungen zum Einfluss von verletzender Kompression, Interleukin-1 und Antioxidantien auf bovines Meniskusgewebe.

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