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Fragestellung: Das Fortschreiten der Arthrose im Gelenkknorpel ist von einer Änderung der räumlichen Chondrozytenverteilung gekennzeichnet. Physiologischerweise orientieren sich Chondrozyten entlang der Arkaden aus Kollagenfasern als Single Strings (SS). Im Laufe der Degeneration bilden sich zunächst Double Strings (DS), dann Small Clusters (SC) und schlussendlich Big Clusters (BC). In hochgradig arthrotischem Gelenkknorpel existiert ein weiteres, wenig verstandenes, Verteilungsmuster, in dem die Chondrozytenmorphologie abweicht und die räumliche Organisation diffus ist (Diffuse Pattern, DIF). Schlüsselprozesse und deren Biomarker bei Arthrose lassen sich in verschiedene Kategorien ordnen: Proliferation und Apoptose, Zelldifferenzierung, Inflammation und Angiogenese. Ziel dieser Studie war es, das Vorkommen von Biomarkern dieser Schlüsselprozesse im Kontext der sich ändernden zellulären Organisation im Gelenkknorpel zu charakterisieren.

Methodik: Kleine Scheiben von menschlichen Knorpelproben (n=166 Patienten) wurden entsprechend ihres prädominanten Zellmusters sortiert und gepoolt. Das Gewebe wurde homogenisiert und die Proteine isoliert. Es wurden quantitative oder semi-quantitative Analysen für 39 Biomarker mittels Multiplex Assay (31) oder ELISA (8) durchgeführt. Darüber hinaus wurden 12 Biomarker im Sinne einer qualitativen Analyse immunhistochemisch untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Hypertrophe Chondrozytendifferenzierung (Kollagen X, Osteopontin, Osteocalcin und IL-6) und Angiogenese (VEGF, FGF-1 und Angiopoietin 2) sind klar assoziiert mit Veränderungen in der räumlichen Verteilung von Chondrozyten. Beispielsweise zeigte die Messung von Osteocalcin, als klassischer Marker hypertropher Chondrozytendifferenzierung, einen eindeutigen Anstieg von SS (313,31 pg/ml) nach BC (2831,99 pg/ml) und drastischem Abfall bei DIF (348,25 pg/ml) (Abbildung 1A [Abb. 1]). Analog dazu präsentierten sich Messwerte des Angiogenesemarkers FGF1 von SS (712,74 pg/ml) nach BC (1080,83 pg/ml) kontinuierlich steigend mit deutlichem Abfall bei DIF (277,42 pg/ml) (Abbildung 1B [Abb. 1]). Erste Unterschiede lassen sich bereits am Übergang von Single Strings zu Double Strings beobachten. Deutliche Veränderungen im Biomarker-Profil sind zwischen BC und DIF erkennen.

Wir konnten zeigen, dass sich das Vorkommen von Biomarkern verschiedener Schlüsselprozesse im degenerativen Gelenkknorpel in Abhängigkeit des Chondrozytenmusters ändert. Unterschiede sind bereits zwischen SS und DS sichtbar. Die drastischen Unterschiede im Vorkommen von Biomarkern zwischen BC und DIF suggerieren einen unterschiedlichen Zelltyp in beiden Mustern.