Effekte der Hypothermie auf inflammatorische und degradative Prozesse nach Knorpeltrauma

Abstract

Effekte der Hypothermie auf inflammatorische und degradative Prozesse nach Knorpeltrauma

Hintergrund: Traumata sind ein Risikofaktor für die Entwicklung einer Arthrose. Nach einer Verletzung wird in der Sportmedizin häufig Kryotherapie eingesetzt. Jedoch ist bisher die Wirkung der Hypothermie auf den Metabolismus des Knorpels und der Synovialfibroblasten nicht untersucht.

Methode: Knorpelstanzen aus humanem Restgewebe nach Knietotalendoprothesen wurden in vitro mit Hilfe eines speziell konstruierten Drop-towers stumpf traumatisiert (mit 0,59 J) und unter verschiedenen Temperaturbedingungen (2 Stunden, 16 Stunden und kontinuierlich bei 27 °C und anschließend bei 37 °C) kultiviert. Die Auswertung erfolgte nach 24 Stunden und 7 Tagen. Des Weiteren wurden Synovialfibroblasten (SF) mit Medium von traumatisierten und nicht-traumatisierten Knorpelstanzen stimuliert und bei den gleichen Temperaturbedingungen kultiviert. Hierbei erfolgte die Auswertung nach 24 h und 4 Tagen. Die Auswirkung der Hypothermie wurde anhand der Zellvitalität der Knorpelstanzen und der Genexpression der Stanzen und der SF von anabolen und katabolen Enzymen mittels qPCR (Stanzen: MMP-2, MMP-13, COX2, Aggrecan und Kollagen Typ II; SF: COX2, MMP-3, MMP-13, ADAMTS-4, IL-6) untersucht. Auf Proteinebene wurde die Sekretion der Knorpelstanzen von MMP-2, MMP-13, Carboxypropeptid Typ II und dem Spaltprodukt von Kollagen Typ II und die Konzentration von PGE2, IL-6 und MMP-2 im Kulturüberstand der SF mittels Zymographie und ELISA bestimmt. Die SF wurden stichprobenartig mittels Durchflusszytometrie (FACS) charakterisiert.

Resultate: Hypothermie zeigte nach 7 d einen protektiven Effekt auf die Chondrozytenvitalität. Die Traumatisierung der Knorpelstanzen führte zu einer gesteigerten Genexpression und Sekretion von inflammatorischen und degradativen Enzymen. Jedoch supprimiert schon eine kurze und mittlere Hypothermiedauer von 2 h und 16 h die Expression und Sekretion von katabolen Mediatoren wie MMP-13. Außerdem konnte in der Zymographie eine deutlich reduzierte Menge an MMP-2 bei kontinuierlicher, hypothermer Inkubation über sieben Tage gezeigt werden. Die kurze und mittlere Hypothermiedauer führte zudem zu einer Steigerung der Expression und Sekretion von anabolen Proteinen wie Kollagen Typ II. Jedoch hemmte eine kontinuierliche Hypothermie über 7 d diese. Auch die Versuche mit Synovialfibroblasten konnten vergleichbare Ergebnisse zeigen. Die Genexpression von katabolen Enzymen wie MMP-3, MMP-13 und ADAMTS-4 wurde durch kontinuierliche Hypothermie signifikant supprimiert. Auch die Sekretion der SF von MMP-2 wurde hierdurch reduziert. Ein „Rebound-Effekt“ und damit verbunden eine gesteigerte Inflammationsreaktion durch Normalisierung der Temperatur konnte nicht beobachtet werden.

Schlussfolgerung: Durch kurze und mittelfristige Hypothermie nach einem Knorpeltraumata können anabole Prozesse der Chondrozyten gefördert werden und eine zellprotektive Wirkung erzeugt werden. Pathologische Abbauprozesse können durch die supprimierte Wirkung der Hypothermie auf die Expression und Sekretion von degradativen Metaboliten reduziert werden.