Histopathologische Charakterisierung
des Entzündungs-induzierten Gelenkumbaus
bei Patienten mit Ankylosierender Spondylitis
vorgelegt von
Apothekerin
Janine Silvia Bleil
geb. in Zwickau
von der Fakultät III – Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
- Dr. rer. nat. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Jens Kurreck
Gutachter:
Prof. Dr. Roland Lauster
Gutachter:
PD Dr. med. Heiner Appel
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 20. Februar 2015
Eidesstattliche Versicherung
Ich erkläre an Eides Statt, dass die vorliegende Dissertation in allen Teilen von
mir selbstständig angefertigt wurde und die benutzten Hilfsmittel vollständig
angegeben worden sind. Weiterhin erkläre ich, dass ich nicht schon anderweitig
einmal
die
Promotionsabsicht
angemeldet
oder
ein
Promotions-eröffnungsverfahren beantragt habe.
Berlin,
Angefertigt wurde die Arbeit in der Zeit von Oktober 2010 bis September 2014
an der Charité – Universitätsmedizin Berlin, Campus Benjamin Franklin unter
Leitung von PD Dr. med. Uta Syrbe, PD Dr. med. Heiner Appel und Prof. Dr.
med. Joachim Sieper in der Medizinischen Klinik I für Gastroenterologie,
Infektiologie und Rheumatologie.
1. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Roland Lauster
2. Gutachter: PD Dr. med. Heiner Appel
Für Frida Kästner
und meine Eltern
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ... i
Vorveröffentlichungen der Dissertation ... iii
Zusammenfassung ... vi
Abstract ... viii
Abkürzungsverzeichnis ... x
1 Einleitung ... 1
1.1 Ankylosierende Spondylitis als Prototyp der Spondyloarthritiden ... 1
1.1.1 Definition ... 1
1.1.2 Epidemiologie ... 2
1.1.3 Klinik, Diagnostik, Klassifikationskriterien und Bildgebung ... 3
1.1.4 Therapieoptionen bei AS ... 6
1.1.5 Immunologische und molekulargenetische Aspekte der Pathogenese ... 7
1.1.6 Pathologie des Gelenkumbaus bei AS ... 11
1.1.7 Pathophysiologie des Gelenkumbaus bei AS ... 14
1.2 Osteoarthrose ... 22
1.2.1 Definition, Pathogenese und Risikofaktoren der OA ... 22
1.2.2 Klinik, Epidemiologie, Diagnostik und Therapie der OA ... 23
1.3 Tiermodelle der Ankylosierenden Spondylitis ... 24
1.4 Ziele dieser Arbeit und Fragestellung ... 29
2 Material und Methoden ... 30
2.1 Material ... 30
2.1.1 Technische Geräte ... 30
2.1.2 Software ... 31
2.1.3 Verbrauchsmaterialien ... 32
2.1.4 Gebrauchsmaterialien für die mehrmalige Anwendung ... 33
2.1.5 Chemikalien ... 34
2.1.6 Kommerzielle Komplettsysteme ... 36
2.1.7 Puffer, Färbe-, Fixier- und Entkalkerlösungen ... 36
2.1.8 Antikörper ... 38
2.2 Probenmaterial ... 43
2.2.1 Patientenproben ... 43
2.3 Histologische Methoden ... 46
2.3.1 Fixierung und Einsendung der Gewebeproben ... 46
2.3.2 Entkalkung und Paraffineinbettung der Gewebeproben ... 47
2.3.3 Schneiden der Gewebeblöcke ... 49
2.3.4 Entparaffinierung und Rehydrierung der Gewebeschnitte ... 50
2.3.5 Histologische Übersichts- und Spezialfärbungen ... 51
2.3.6 Immunhistochemie einschließlich immunhistologischer Färbungen ... 52
2.3.7 In-situ-Hybridisierung ... 57
2.3.8 Hellfeld- und Fluoreszenzmikroskopie ... 59
2.3.9 Histomorphometrische Vermessungen ... 60
2.3.10 Statistische Auswertung ... 62
3 Ergebnisse ... 64
3.1 Histomorphologische Charakterisierung der Facettengelenke bei AS ... 64
3.2 Histomorphometrische Untersuchung der Facettengelenke bei AS ... 67
3.2.1 Dicke des hyalinen Gelenkknorpels und der subchondralen Endplatte sowie Fläche der Knochentrabekel bei AS ... 67
3.2.2 Quantifizierung der subchondralen Knochenmarkveränderungen und der Invasion der subchondralen Endplatte durch Pannusgewebe ... 69
3.3 Untersuchungen zum Mechanismus der Knochenneubildung bei AS ... 71
3.3.1 Marker der Knorpelhypertrophie bei AS ... 71
3.3.2 Marker und Regulatoren des WNT-Signalweges bei AS ... 73
3.3.3 Lokalisation von Osteoblasten in Facettengelenken von AS-Patienten ... 75
3.4 Untersuchung der Mechanismen des Knochen- und Knorpelabbaus bei AS ... 77
3.4.1 Lokalisation der Osteoklasten in Facettengelenken von AS-Patienten ... 77
3.4.2 Analyse von Proteoglykangehalt und Apoptoserate innerhalb des hyalinen Gelenkknorpels bei AS ... 79
3.4.3 Analyse von Markern des Knorpelmetabolismus bei AS ... 81
3.4.4 Analyse von Markern des Knochenmetabolismus bei AS ... 82
3.4.5 Analyse der Expression von Entzündungsmediatoren im Knorpel und Knochen bei AS ... 83
3.5 Mechanismen der Entzündung bei AS ... 88
3.5.1 Analyse von Entzündungszellen und –mediatoren im subchondralen Knochenmark ... 88 3.5.2 Analyse von Entzündungszellen und –mediatoren im fibrösen Pannusgewebe . 97
3.6 Evaluierung von Mausmodellen hinsichtlich der Knochenneubildung ... 101
3.6.1 Evaluierung von Mausmodellen hinsichtlich der Knochenneubildung im Bereich der SI-Gelenke und der Wirbelsäule ... 101
3.6.2 Histomorphologie der SKG- und PGISp- Mausmodelle ... 101
3.6.3 Evaluierung eines peripheren Arthritis-Modells hinsichtlich Knochen-neubildung ... 103
3.6.4 Charakterisierung der DTH-A Mäuse ... 104
3.6.5 Variabilitäten der Untersuchungsmethoden ... 106
4 Diskussion ... 108
4.1 Facettengelenke sind repräsentativ für AS-spezifischen Gelenkumbau ... 108
4.2 Gruppierung und Stadieneinteilung der Facettengelenke von AS- Patienten sind anhand histopathologischer Charakteristika möglich ... 109
4.3 Umbau der knorpeligen und knöchernen Bestandteile der Facettengelenke bei AS 111 4.3.1 Der Gelenkumbau bei AS ist gekennzeichnet durch die sequentielle Abnahme der Knorpeldicke und der subchondralen Endplatte ... 111
4.3.2 Der Knorpel in Facettengelenken von Patienten mit AS hat einen katabolen Phänotyp ... 112
4.3.3 Regulation der Knorpelhomöostase durch Entzündungsmediatoren ... 114
4.3.4 Kataboler Phänotyp der Osteozyten in der subchondralen Endplatte der Facettengelenke von AS-Patienten ... 118
4.3.5 Resorption der subchondralen Endplatte erfolgt durch fibröses, vom Knochenmark ausgehendes Pannusgewebe bei AS ... 120
4.3.6 Knorpel-Mineralisation in Facettengelenken von AS-Patienten erfolgt durch Osteoblasten ... 122
4.3.7 Kein Hinweis auf Aktivierung der enchondralen Ossifikation im Rahmen des Umbaus der Facettengelenke bei AS ... 123
4.4 Entzündung und Gelenkumbau bei AS ... 124
4.4.1 Immunhistologische Charakteristika der Entzündung bei AS ... 124
4.4.2 Modell des Entzündungs-induzierten Umbaus der Facettengelenke von AS-Patienten ... 132
4.4.3 Vergleich der Histologie humaner Facettengelenke mit dem HLA– B27/Humanen β2-Mikroglobulin–Transgenen Rattenmodell ... 135 4.4.4 Relevanz des SKG- und PGISp-Modells für die Knochenneubildung bei AS . 136
4.4.5 Das DTH-A-Mausmodell als Modell zur Untersuchung der
Entzündungs-getriebenen Knochenneubildung ... 137
5 Literaturverzeichnis ... 139
6 Anhang ... 155
6.1 Punktesystem (Score) für die Charakterisierung der DTH-A-Mäuse ... 155
6.2 Abbildungsverzeichnis ... 157
6.3 Tabellenverzeichnis ... 160
Vorwort
Ich danke Herrn Prof. Dr. Sieper für die Ermöglichung dieser Doktorarbeit seitens der Charité, das mir entgegengebrachte Vertrauen sowie für seine Unterstützung und Motivation während der Anfertigung der Arbeit.
Prof. Dr. Lauster danke ich für die Ermöglichung dieser Arbeit seitens der TU Berlin, ohne den ein erfolgreicher Abschluss nicht möglich gewesen wäre.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Heiner Appel und Frau Dr. Uta Syrbe, die mir bei der Planung, Durchführung und Auswertung der vorliegenden Arbeit fachkundige, erfahrene und überaus wertvolle Unterstützung zukommen ließen. Sie waren mir immer freundliche, uneingeschränkte und geduldige Ansprechpartner und bereicherten mein Forschungsprojekt durch ihre Ideen, Anregungen und konstruktive Kritik und wurden mir nicht zuletzt auch durch private Gespräche zu wertvollen und freundschaftlichen Wegbegleitern.
Für die unermüdliche und professionelle Einführung in sämtliche histologische Arbeiten danke ich Herrn René Philipp Maier ganz herzlich. Mit großem Engagement hat er jederzeit tatkräftig geholfen spezielle Probleme der Immunhistochemie zu lösen.
Herrn Dr. Uwe Schlichting danke ich für die ausgezeichnete und akribische Hilfe bei der anatomisch-histologischen Auswertung des untersuchten Materials.
Der AG Erben/Kühl, im Besonderen Simone Spieckermann, sei herzlich gedankt für die hilfreiche Unterstützung bei der Entkalkung, Einbettung und dem Schneiden der tierischen Gewebeproben. Frau Ulrike Erben danke ich für die konstruktive Kritik und liebe Unterstützung vor allem in der Endphase meiner Doktorandenzeit. Ebenso danke ich den Mitgliedern der AG Schneider, im Besonderen Diana Bösel, Katina Schinnerling und Anika Geelhaar-Karsch.
Auch möchte ich allen Kollegen der AG Sieper danken, die mir immer unterstützend zur Seite standen und die Arbeitsatmosphäre angenehm gestalteten. Dabei sollen René Maier, Peihua Wu, Rebecca Noster, Kristina Conrad und Christopher Sichau unbedingt genannt sein.
Allen meinen Freunden, vor allem Juliane Lorber, Marc Schmidt, Stefanie Schwab und Tim Wolf danke ich für die Ausdauer, Ruhe und Geduld, mit der sie mir stets zur Seite standen und mich immer wieder aufgemuntert haben.
Ein besonders großer Dank gilt meiner kompletten Familie, für die Liebe, Fürsorge und unendliche Wärme, das grenzenlose Verständnis und die außergewöhnliche Unterstützung bei all meinen Vorhaben während der letzten 22 Jahre der Aus- und Weiterbildung. Hervorheben möchte ich dabei die wichtigsten Menschen in meinem Leben – meine Eltern.
Vorveröffentlichungen der Dissertation
Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden in folgenden Beiträgen vorab veröffentlicht:
Publikationen:
H. Appel, R. Maier, J. Bleil, A. Hempfing, C. Loddenkemper, U. Schlichting, U. Syrbe, J. Sieper, „In situ analysis of interleukin-23- and interleukin-12-positive cells in the spine of patients with ankylosing spondylitis.“ Arthritis Rheum, 2013. 65(6): p. 1522-9.
J. Bleil, R. Maier, A. Hempfing, U. Schlichting, H. Appel, J. Sieper, U. Syrbe, „Histomorphologic and histomorphometric characteristics of zygapophyseal joint remodeling in ankylosing spondylitis.“ Arthritis Rheumatol, 2014. 66(7): p. 1745-54.
Eingereichte Manuskripte:
J. Bleil, R. Maier, J. Sieper, U. Syrbe, H. Appel, „In situ Analysis of Interleukin-6 Expression at Different Sites of Zygapophyseal Joints from Patients with Ankylosing Spondylitis in Comparison to Controls.” Scand J Rheum, 2014, in überarbeiteter Form vorgelegt
J. Bleil, J. Sieper, R. Maier, U. Schlichting, A. Hempfing, U. Syrbe, H. Appel, “The cartilage in zygapophyseal joints of AS patients shows signs of cartilage degeneration rather than chondrocyte hypertrophy.” Arthritis Res Ther 2014, in Revision
Vorträge:
European Congress of the European League against Rheumatism (EULAR) 2013 in Madrid J. Bleil, H. Appel, R. Maier, J. Sieper, U. Syrbe, „High Expression of Prostaglandin E2 in
Zygapophyseal Joints of Patients with Ankylosing Spondylitis.”
European Congress of the European League against Rheumatism (EULAR) 2013 in Madrid J. Bleil, U. Syrbe, R. Maier, J. Sieper, H. Appel, „No Signs for Direct Bone Formation or Endochondral Ossification at the Entheses in Facet Joints from Ankylosing Spondylitis Patients.”
Poster:
European Congress of the European League against Rheumatism (EULAR) 2012 in Berlin J. Bleil, U. Syrbe, R. Maier, J. Sieper, H. Appel, „Immunohistological Analysis of Chondrocytes in Facet Joints from Ankylosing Spondylitis Patients.”
European Congress of the European League against Rheumatism (EULAR) 2013 in Madrid J. Bleil, H. Appel, R. Maier, J. Sieper, U. Syrbe, „Reduced Thickness and Invasion of the Subchondral Bone Plate by Fibrous Tissue are Hallmarks of Joint Remodeling in Ankylosing Spondylitis.”
European Congress of the European League against Rheumatism (EULAR) 2013 in Madrid J. Bleil, U. Syrbe, R. Maier, H. Appel, J. Sieper, „No Upregulation of IL-6 at Different Sites in Facet Joints of Patients with Ankylosing Spondylitis Compared to Controls.”
41. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Rheumatologie (DGRh) 2013 in Heidelberg/Mannheim
J. Bleil, H. Appel, R. Maier, A. Hempfing, J. Sieper, U. Syrbe, „Immunohistochemical Analysis of Cytokine Expression and Chondrocyte Hypertrophy within Cartilage of Facet Joints in Ankylosing Spondylitis.”
13. ACR/ARHP Annual Meeting 2013 in San Diego
J. Bleil, R. Maier, H. Appel, J. Sieper, U. Syrbe, „Analysis of Inflammatory Markers within Facet Joints of Patients with Ankylosing Spondylitis.”
European Congress of the European League against Rheumatism (EULAR) 2014 in Paris J. Bleil, H. Appel, R. Maier, J. Sieper, U. Syrbe, „High Expression of Cyclooxygenase-2, Prostaglandin E2 and Prostaglandin E2 Receptor EP4 in Zygapophyseal Joints of Patients with Ankylosing Spondylitis.”
42. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Rheumatologie (DGRh) 2014 in Düsseldorf J. Bleil, H. Appel, R. Maier, J. Sieper, U. Syrbe, „High Expression of Cyclooxygenase-2, Prostaglandin E2 and the E-type Prostanoid Receptors EP2 and EP4 in Zygapophyseal Joints of Patients with Ankylosing Spondylitis.”
13. ACR/ARHP Annual Meeting 2014 in Boston
J. Bleil, J. Sieper, R. Maier, U. Schlichting, A. Hempfing, H. Appel, U. Syrbe, „In situ Analysis of mechanisms of new Bone Formation in Zygapophyseal Joints from Patients with Ankylosing Spondylitis.”
Auszeichnungen:
EULAR Travel Bursary für den EULAR 2013 in Madrid, Spanien EULAR Travel Bursary für den EULAR 2014 in Paris, Frankreich
Zusammenfassung
Die Ankylosierende Spondylitis (AS) ist eine chronisch-entzündliche rheumatische Erkrankung ungeklärter Ätiologie, die zur Gruppe der Spondyloarthritiden gehört. Die AS ist primär durch eine Entzündung des Achsenskeletts und im weiteren Krankheitsverlauf durch eine Knochenneubildung, die zur Gelenkankylose und Syndesmophytenbildung führt, gekennzeichnet [1].
Die Zusammenhänge zwischen Entzündung und Knochenneubildung als auch die Mechanismen, die dabei zur Knochenneubildung und Gelenkankylose führen, sind wenig verstanden. Ziel dieser Arbeit war es daher, mittels immunhistologischer und histomorphometrischer Untersuchungen von Facettengelenken von AS-Patienten im Vergleich zu Autopsiekontrollen und OA-Patienten, die Sequenz des entzündungs-vermittelten Gelenkumbaus zu analysieren und beteiligte Mechanismen und Mediatoren zu identifizieren. Daneben sollte in Arthritis- und Spondylitis-Tiermodellen das Auftreten einer Knochenneubildung untersucht werden, mit dem Ziel, Modelle zu identifizieren, die für die Testung therapeutischer Ansätze zur Hemmung der Knochenneubildung geeignet sind.
Als erstes wichtiges Ergebnis der systematischen Analyse der Facettengelenke von AS-Patienten konnten histomorphologische Stadien des Gelenkumbaus bei AS definiert werden. AS-Stadium 1: physiologische Gelenkmorphologie, AS-Stadium 2: Facettengelenke mit partieller oder kompletter Knorpelfusion, AS-Stadium 3: Facettengelenke mit knöcherner Fusion mit Erhalt vereinzelter Knorpelinseln, AS-Stadium 4: Facettengelenke mit totalem Verlust knorpeliger Gelenkbestandteile.
Zweitens zeigte die stadienabhängige histomorphometrische Analyse der Facettengelenke den progredienten Verlust des hyalinen Gelenkknorpels (Abnahme der Knorpeldicke) und der subchondralen Endplatte (Abnahme der Dicke der Endplatte) bei AS. Daneben fand sich, koinzident mit der Knorpelfusion, das Auftreten subchondraler Knochenmarkveränderungen, das heißt eine Transformation des subchondralen Knochenmarkes in ein fibröses Pannusgewebe. Die immunhistologische Charakterisierung des Knorpelphänotyps deckte eine ausgeprägte Knorpeldegeneration in den Facettengelenken von AS-Patienten auf. Diese war charakterisiert durch eine erhöhte Apoptoserate der Chondrozyten und eine Abnahme des Proteoglykangehaltes des hyalinen Gelenkknorpels bei gleichzeitig reduzierter IL-10-, β-Catenin-, Wif-1-, Sclerostin-, Sox9-, BMP-2- und BMP-7-Expression der Chondrozyten. Anhalt für einen MMP-13-vermittelten aktiven Degradationsprozess ergab sich nicht, sodass die gezeigten Veränderungen als passive Knorpeldegeneration bewertet werden.
Drittens wurde durch den direkten Nachweis Osteoklasten-vermittelter destruktiver, als auch Osteoblasten-vermittelter osteoproliferativer Eigenschaften des fibrösen Pannusgewebes die zentrale Rolle dieses Gewebes für den Umbauprozess der Facettengelenke bei AS pathophysiologisch untermauert. Durch den Nachweis Osteoblasten-vermittelter Knorpelossifikation konnte die Bedeutung der membranösen Ossifikation gezeigt werden, während sich kein Anhalt für die Beteiligung der enchondralen Ossifikation ergab (fehlende gesteigerte Expression der Hypertrophiemarker Runx2, MMP13 und COL10).
Viertens zeigte die Analyse entzündlicher Veränderungen (Zellkomposition, Zellaggregate, entzündliche Mediatoren) im subchondralen Knochenmark der Facettengelenke eine stadienabhängige Anreicherung CD3+ T-Zellen sowie eine erhöhte Expression von TNFα, IL-23 und PGE2 bei AS. Diese immunologischen Veränderungen scheinen somit Bestandteil der
Entzündungsreaktion zu sein und könnten Auslöser der Transformation des Knochenmarkes zu fibrösem Pannusgewebe bei AS sein.
Mit diesen Ergebnissen verbessert diese Arbeit entscheidend das mechanistische Verständnis des entzündungs-induzierten Gelenkumbaus bei AS. Aufgrund der Analysen wurde das fibröse Pannusgewebe, inklusive der Osteoblasten und Osteoklasten, als neues Target für die Hemmung des Gelenkumbaus bei AS identifiziert.
Als ein mögliches Modell zur Testung anti-osteoproliferativer Therapieansätze wurde das DTH-A-Mausmodell identifiziert. Dieses ist durch das Auftreten von entzündungsinduzierter membranöser und enchondraler Ossifikation gekennzeichnet, sodass eine Prüfung potenzieller neuer Wirkstoffe (wie zum Beispiel EP2- und EP4-Rezeptorantagonisten) auf beide Formen der Knochenneubildung möglich ist.
Abstract
Ankylosing spondylitis (AS) is a chronically inflammatory rheumatic disease with undetermined etiology, which belongs to the group of spondyloarthritides. AS is primarily characterized by the inflammation of the axial skeleton and in the course of the disease by new bone formation, which is leading to ankylosis and formation of syndesmophytes [1]. The correlation between inflammation and new bone formation as well as the mechanisms that lead to new bone formation and joint ankylosis are still poorly understood. Therefore, this study was constructed to discover an inflammatory mediated sequence of joint remodeling and the identification of involved mechanisms and mediators. In order to reach these goals facet joints of AS patients were immunohistochemically and histomorphometrical examined and compared with autopsy controls and patients with osteoarthritis. Furthermore, the occurrence of new bone formation was also investigated in animal models of arthritis and spondylitis to identify models, which are suitable for testing therapeutic strategies to inhibit this osteoproliferation.
The first important conclusion of the systematic analysis of facet joints from patients with AS was the definition of histomorphological stages of the joint remodeling in AS. AS-stage 1: physiological joint morphology, AS-stage 2: facet joints with partially or completely fused cartilage, AS-stage 3: facet joints with bony fusion and a maintenance of isolated cartilage islands, AS-stage 4: facet joints with total loss of cartilaginous parts of the joint.
Second, the stage-dependent histomorphometric analysis of the facet joints revealed the progressive loss of hyaline articular cartilage (decrease in cartilage thickness) and the subchondral bone plate (reduction of the thickness of the bone plate) in AS. In addition, subchondral bone marrow changes, i.e. the transformation of the subchondral bone marrow into a fibrous granulation tissue, occurred coincidentally with the fusion of the articular cartilage. The immunohistological characterization of the phenotype revealed a degeneration of the cartilage of facet joints from patients with AS. This phenomenon is characterized by an increase in apoptosis of the chondrocytes as well as a decrease in the proteoglycan content of the hyaline articular cartilage along with a reduced expression of IL-10, β-catenin, wif-1, sclerostin, Sox9, BMP-2 und BMP-7 by chondrocytes. Because of the lack of evidence for an MMP-13-mediated active process of degradation, the shown changes are assessed to be a kind of passive degeneration of the cartilage.
Third, the importance of fibrous granulation tissue for the process of joint remodeling in facet joints from patients with AS could be proven for the first time through the direct detection of both, osteoclast-mediated destructive as well as osteoblast-mediated osteoproliferative properties of this tissue. Hence the proof of the osteoblast-mediated cartilage ossification the importance of the membranous ossification was verified, whereas no evidence for the involvement of the process of endochondral bone formation could be detected (lack of increased expression of the hypertrophy markers Runx2, MMP13 und COL10).
Fourth, the analysis of inflammatory changes displayed (cell composition, cell aggregates, inflammatory mediators) an stage-dependent enrichment of CD3+ T-cells as well as an increased expression of TNFα, IL-23 und PGE2 within the subchondral bone marrow in facet
joints from patients with AS. These immunological changes appear to be part of the inflammatory reaction and could be the trigger for the transformation of the subchondral bone marrow into the fibrous granulation tissue in AS.
As a consequence of the gained results, this study significantly improves the mechanistic understanding of the pathological process of joint remodeling in AS. Due to the analysis the fibrous granulation tissue, including the osteoblasts and osteoclasts, could be identified as the new target for the inhibition of the process of joint remodeling in AS.
The DTH-A mouse model was identified as a possible model for testing anti-osteoproliferative therapeutic approaches. This model is characterized by the occurrence of inflammatory induced endochondral and membranous ossification and therefore shows that the impact of potentially new substances (such as EP2 and EP4 receptor antagonists) can be examined on both forms of new bone formation.
Abkürzungsverzeichnis
AIA AP ARE AS ASAS BMP CAIA CD CED CIA COL DC-SIGN DKK-1 DTH EDTA EP ESSG EtOH EULAR Fc FFPE GPI HLA-B27 IFN IgG IL IQR LSAB mBSA MHC Adjuvans-induzierte Arthritis Alkalische Phosphatase AU-reiche Elemente Ankylosierende SpondylitisAssessment of SpondyloArthritis international Society
bone morphogenetic protein, knochenmorphogenetisches Protein Collagen antibody-induced arthritis, Kollagenantikörper-induzierte Arthritis
Cluster of differentiation
Chronisch-entzündliche Darmerkrankung
Collagen-induced arthritis, Kollagen-induzierte Arthritis Collagen, Kollagen
Dendritic Cell-Specific Intercellular adhesion molecule-3-Grabbing Non-integrin
Dickkopf-1
delayed-type hypersensitivity, verzögerter-Typ-Überempfindlichkeit Ethylendiamintetraacetat
E-type Prostanoid Receptor, E-Typ Prostanoidrezeptor European Spondyloarthropathy Study Group
Ethanol
European League Against Rheumatism
crystallisable fragment, kristallisierbares Fragment formalin-fixiert paraffin-eingebettet Glukose-6-Phosphat-Isomerase humanes Leukozyten-Antigen B27 Interferon Immunglobulin G Interleukin Interquartilabstand
Labelled Streptavidin-Biotin, Streptavidin-Biotin-markiert methyliertes bovines Serumalbumin
MMP13 MPO mRNA MRT nr-axSpA NSAR OA OC PBS PG PGISp PsA RA RANKL ReA RUNX2 SI-Gelenk Sox9 SpA SPF STIR sTNF TBS TBS-Triton TGF TNFα TRAcP uSpA VEGF Wif WNT matrix metalloproteinase 13 Myeloperoxidase
messenger ribonucleic acid, Boten-Ribonukleinsäure Magnetresonanztomographie
nicht-radiografische axiale SpA nichtsteroidale Antirheumatika Osteoarthrose
Osteocalcin
Dulbecco’s phosphate buffered saline, Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung
Prostaglandin
Proteoglykan-induzierte Spondylitis Psoriasisarthritis
Rheumatoide Arthritis
Receptor Activator of NF-κB Ligand reaktive Arthritis
runt-related transcription factor 2 Sakroiliakalgelenk
sex determining region Y (SRY)-box 9 Spondyloarthritiden
spezifisch pathogen frei Short-Tau Inversion Recovery
soluble tumor necrosis factor, löslicher Tumornekrosefaktor Tris Buffered Saline
Tris Buffered Saline-Triton
transforming growth factor, transformierender Wachstumsfaktor Tumornekrosefaktor-alpha
Tartrate-resistant acid phosphatase, Tartrat-resistente saure Phosphatase
undifferenzierte periphere SpA
Vascular endothelial growth factor, Vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor
WNT inhibiting factor wingless
1 Einleitung
1 Einleitung
1.1 Ankylosierende Spondylitis als Prototyp der Spondyloarthritiden
1.1.1 Definition
Die Ankylosierende Spondylitis (AS), im deutschsprachigen Raum auch als Morbus Bechterew bekannt, ist eine häufig schubweise verlaufende chronisch-entzündliche rheumatische Erkrankung ungeklärter Ätiologie, die zur Gruppe der Spondyloarthritiden (SpA) zählt. Kennzeichnend für diese Erkrankungsgruppe ist ein entzündlicher Rückenschmerz, eine häufig asymmetrische entzündliche Beteiligung einzelner peripherer Gelenke (Oligoarthritis), insbesondere der unteren Extremitäten sowie eine entzündliche Beteiligung der Enthesien. Darüberhinaus treten zusätzlich extraspinale Manifestationen in Form von Uveitis, Psoriasis oder chronisch entzündliche Darmerkrankungen wie Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa auf [2, 3]. Für klinische Zwecke werden zwei Formen der SpA anhand des vorherrschenden Ortes der klinischen Manifestationen unterschieden: die axiale und die periphere SpA. Zusätzlich wird, neben der AS, in weitere Subgruppen der SpA untergliedert. Zur Gruppe der SpA zählen die nicht-radiografische axiale SpA (nr-axSpA), Psoriasisarthritis (PsA), SpA bei chronisch-entzündlicher Darmerkrankung (CED), reaktive Arthritis (ReA) und undifferenzierte periphere SpA (uSpA) [4, 5]. Als Prototyp der axialen SpA ist die AS vor allem durch knöcherne Veränderungen der Kreuzbein-Darmbein-Gelenke (Sakroiliakalgelenke) und eventuell zusätzlich der Wirbelsäule gekennzeichnet. Diese strukturellen Veränderungen fehlen jedoch (noch) bei der nr-axSpA, die in ihren klinischen Manifestationen trotzdem stark denen der AS ähnelt. Daher wird diskutiert, ob die nr-axSpA nur eine frühe Form der AS darstellt, obwohl nicht alle nr-axSpA-Patienten im weiteren Verlauf der Erkrankung in eine AS übergehen [6, 7]. Die AS ist somit nicht nur eine eigenständige rheumatische Erkrankung, sondern kann auch eine schwere Verlaufsform anderer SpA darstellen. Das heißt, alle Formen der SpA können in ihrem Verlauf in eine AS übergehen [5].
1 Einleitung
1.1.2 Epidemiologie
Krankheitsbeginn und Diagnosestellung bei AS
Das mittlere Alter der Betroffenen liegt bei Krankheitsbeginn bei durchschnittlich 26 Jahren, sodass die ersten Symptome der AS, hauptsächlich Schmerzen im unteren Rücken, in der Regel in der dritten Lebensdekade auftreten [8]. Bei einigen Patienten treten erste AS-Symptome vor dem 16. Lebensjahr auf, diese werden als juvenile-onset AS klassifiziert, Patienten mit Symptomen ab dem 17. Lebensjahr als adult-onset AS und diejenigen, die bei Krankheitsbeginn bereits 40 Jahre oder älter sind als late-onset AS [9]. Obwohl erst Ende letzten Jahres gezeigt werden konnte, dass Patienten mit juvenile-onset AS vor allem periphere Gelenkbeteiligungen hauptsächlich der Knie und Knöchel aufweisen und Patienten mit adult-onset AS vermehrt axiale Symptome vor allem der Lendenwirbelsäule haben, ist derzeit unklar, ob es sich bei der juvenile-onset AS und der adult-onset AS um getrennte Krankheitsbilder handelt [10]. Die Diagnosestellung erfolgt jedoch durchschnittlich erst im Alter von 36 Jahren, sodass eine Diagnoseverzögerung, bezogen auf den Symptombeginn, von 10 Jahren resultiert [8].
Prävalenz, Inzidenz und Geschlechtsunterschiede bei AS
Die AS tritt in allen Teilen der Welt auf, wobei deren Prävalenz rassenbedingte globale Unterschiede aufweist. Die globale Prävalenz der AS wird generell mit 0,1% bis 1,4% angenommen, sodass die AS eine ähnliche Häufigkeit wie die Rheumatoide Arthritis (RA) hat [4, 5]. Neueste systematische Literaturrecherchen ergaben eine durchschnittliche Prävalenz von 23,8 pro 10.000 Einwohnern in Europa, 16,7 pro 10.000 Einwohnern in Asien, 7,4 pro 10.000 Einwohnern in Afrika sowie 2,6 pro 10.000 Einwohnern in Lateinamerika. Damit sind insgesamt 1,30–1,56 Millionen Europäer sowie 4,63–4,98 Millionen Asiaten an AS erkrankt [11]. Für Deutschland konnte außerdem eine Prävalenz in Höhe von 0,55% nachgewiesen werden [12]. Da die AS in erheblichem Maß genetisch determiniert ist, vor allem durch die Assoziation der Erkrankung mit dem humanen Leukozyten-Antigen (HLA) B27, sind die aufgezeigten Unterschiede im Wesentlichen auf die HLA-B27-Prävalenz zurückzuführen [13]. So wird eine durchschnittliche HLA-B27-Prävalenz von 6–9% in Europa [12], 6,1% in Nordamerika [14], < 1% in Afrika [15] und 9% in Deutschland angenommen [12]. Auffällig ist außerdem, dass mehr als 90% der weißen AS-Patienten HLA-B27-positiv sind, während nur 50% der afroamerikanischen AS-Patienten und circa 6–9% der gesunden weißen
1 Einleitung
Bevölkerung Träger des HLA-B27 sind. HLA-B27-positive Menschen haben somit ein 20-fach erhöhtes Risiko, im Laufe ihres Lebens eine SpA zu entwickeln, sodass man davon ausgeht, dass eine AS bei bis zu 10% der HLA-B27-positiven Erwachsenen nachweisbar ist [12]. Während das HLA-B27-Antigen bei beiden Geschlechtern gleich häufig auftritt, überwiegt der Anteil männlicher AS-Patienten mit einer Ratio von 2–3:1 [5, 12, 16, 17], vermutlich als Folge einer Unterdiagnostizierung der AS bei Frauen [18]. Diese zeigen zum Zeitpunkt der Diagnosestellung eine schwerere Krankheitsbelastung bei kürzerer Krankheitsdauer und werden daher insgesamt zeitiger diagnostiziert als Männer [18]. Trotz des schnelleren und radiografisch schwereren Befalls der Wirbelsäule bei Männern kann jedoch nicht davon ausgegangen werden, dass die AS bei Patientinnen insgesamt milder verläuft, da die Schmerzen und der Grad der Behinderung bei Frauen und Männern gleich stark ausgeprägt sind [18, 19]. Die Inzidenz wird insgesamt mit 0,5 bis 14 pro 100.000 Personen pro Jahr angegeben [17].
1.1.3 Klinik, Diagnostik, Klassifikationskriterien und Bildgebung
Klinik der AS
Die Gruppe der SpA definiert entzündlich-rheumatische Erkrankungen mit charakteristischen Gemeinsamkeiten. Dazu zählt ein entzündlicher Rückenschmerz, häufig ausgelöst durch eine Sakroiliitis, Spondylitis, Spondylodiszitis oder Enthesitis, ebenso wie eine asymmetrische periphere Arthritis vor allem der unteren Extremitäten oder auch spezifische Organmanifestationen wie Darmentzündungen, Psoriasis und anteriore Uveitis [5, 17, 20]. Bei der AS, dem Prototyp der SpA, ist vorrangig die Wirbelsäule betroffen [17]. Die peripheren Gelenke und die Enthesien können ebenfalls betroffen sein. Das Leit- und auch Frühsymptom der AS stellt dabei ein entzündlicher und tief sitzender Rückenschmerz dar, wie er bei etwa 75% aller Betroffenen vorkommt [20]. Bedingt wird dieser durch den für die AS charakteristischen Befall der Wirbelsäule, primär vor allem der Sakroiliakal (SI)-Gelenke [20]. Der Rückenschmerz wird zuerst als schwer lokalisierbarer Kreuz- oder Gesäßschmerz vor allem in der 2. Hälfte der Nacht wahrgenommen. Weitere Kennzeichen sind Ruheschmerz und Morgensteifigkeit, sodass Bewegung eine Schmerzverringerung bis hin zur Schmerzfreiheit erzielen kann. Der Rückenschmerz, vor allem aber die im Verlauf auftretende Versteifung der Wirbelsäule, führt zu charakteristischen Veränderungen der Wirbelsäulenform. Es entwickelt sich zunehmend eine Hyperkyphose der Brustwirbelsäule,
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während die physiologische Lordose der Lendenwirbelsäule abnimmt, sodass charakteristische Haltungsveränderungen im Spätstadium der AS auftreten können (siehe Abb. 1.1) [21].
Darstellung der veränderten Körperhaltung eines AS-Patienten über einen Zeitraum von 26 Jahren. Bereits nach 10 Jahren war eine leichte Beugung der Knie und eine Verlängerung der Halswirbelsäule aufgrund des Verlustes der Lendenlordose ersichtlich. Progressive Beugedeformitäten an den Hüften bedingten eine starke Verminderung der Körperhöhe des Patienten, sodass ein Hüftgelenkersatz folgte. Nach Little et al. „Upward Subluxation of the Axis in Ankylosing Spondylitis“ [21].
Trotz dieser vielfältigen artikulären und extraartikulären klinischen Manifestationen bei AS ist die Frühberentungsrate der betroffenen Patienten im Vergleich zu anderen entzündlich-rheumatischen Erkrankungen relativ gering. Nichtsdestotrotz ist der Einfluss der AS auf die berufliche, aber auch soziale Integration der Betroffenen immens [22, 23]. So zeigt eine Studie aus den USA hinsichtlich des Berufverlaufs bei der AS, dass von 234 AS-Patienten 13% erwerbsunfähig werden. Von den zu Beginn 144 berufstätigen AS-Patienten verringern 31% ihre wöchentliche Arbeitsstundenzahl, 17% wechseln die Art der Tätigkeit und 24% sind bei ihrer Arbeit auf Hilfe angewiesen [23].
Diagnostik und Klassifikationskriterien der AS
Diagnostische Kriterien mit ausreichend hoher Sensitivität für die Diagnosefeststellung der AS gibt es bis heute nicht. Stattdessen werden Klassifikationskriterien herangezogen, die vor allem für eine möglichst homogene Gruppeneinteilung verschiedenster Patienten mit hoher Spezifität, vor allem im Hinblick auf internationale Studien geschaffen wurden. Die ersten Klassifikations-/Diagnosekriterien der AS wurden 1961 als sogenannte Rom-Kriterien
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entwickelt, später jedoch grundlegend verändert und 1966 in Form der New York-Kriterien neu veröffentlicht [5]. Beide Kriterien sahen neben der Diagnose eines oder mehrerer klinischer Zeichen auch die radiografische Feststellung einer Sakroiliitis vor. Aufgrund fehlender Sensitivität und/oder Spezifität sowie den Vorschlägen von Calin et al. für eine genauere Differenzierung chronisch-entzündlicher Rückenschmerzen [24] wurden 1984 schließlich die modifizierten New York-Kriterien eingeführt, die heute noch formal für die Klassifikation einer AS dienen [17, 25]. Für eine eindeutige AS-Klassifikation ist dabei neben dem Vorhandensein von mindestens einem von drei klinischen Kriterien (tiefsitzender Rückenschmerz und Steifigkeit für mindestens 3 Monate, limitierte Beweglichkeit der Lendenwirbelsäule oder limitierte Thoraxexkursion) zusätzlich die Erfüllung radiografischer Kriterien (Sakroiliitis Grad II beidseitig oder einseitige Sakroiliitis Grad III) nötig. Derartige radiografische Veränderungen treten jedoch oft erst nach Jahren der Erkrankung auf. Um auch frühere Krankheitsstadien zu erfassen, wurden 1991 die ESSG-Kriterien für SpA entwickelt, bei denen eine rein klinische Diagnosestellung ohne den radiografischen Nachweis der Sakroiliitis möglich ist. Die ESSG- sowie die Amor-Kriterien wurden ständig weiter entwickelt, sodass 2009 von der Arbeitsgruppe der Assessment of SpondyloArthritis international Society (ASAS) neue Klassifikationskriterien für die axiale und periphere SpA publiziert wurden [6, 7, 22]. In diese neuen Kriterien wurden neben klinischen Zeichen auch diagnostische Parameter wie HLA-B27, C-reaktives Protein und Blutkörperchen-senkungsgeschwindigkeit eingefügt, die auch im klinischen Alltag für die Diagnosestellung genutzt werden [26]. Für die Bestimmung der Krankheitsaktivität, Funktionsfähigkeit und Wirbelsäulenbeweglichkeit stehen verschiedene Indizes wie Bath Ankylosing Spondylitis Disease Activity Index, Bath Ankylosing Spondylitis Functional Index und Bath Ankylosing Spondylitis Metrology Index zur Verfügung [26].
Bildgebung der AS
Die Detektion AS-bezogener radiografischer Veränderungen der Wirbelsäule und SI-Gelenke ist essentiell für die Diagnose und das anschließende Management der Erkrankung. Zu den AS-spezifischen radiografischen Veränderungen gehören Erosionen, Sklerosen, Gelenkspaltverschmälerungen und Ankylosen, zum Beispiel in den SI-Gelenken. Im Bereich der Wirbelsäule sind typische Zeichen Erosionen, Sklerosen, Kastenwirbel- und Syndesmophytenbildung sowie Längsverkalkung, was bis zum Bild der Bambuswirbelsäule führen kann (siehe Kapitel 1.1.6 und Abb. 1.2) [17].
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Mittels konventioneller Röntgentechnik können zwar chronische Knochenveränderungen abgebildet werden, akute entzündliche Veränderungen bleiben jedoch unentdeckt. Für die Detektion aktiver Entzündungsprozesse bedient man sich heute der Magnetresonanz-tomographie (MRT)-Diagnostik unter Zuhilfenahme von Kontrastmitteln und STIR-Techniken [17, 27]. So kann bereits in frühen Stadien mittels MRT eine aktive Sakroiliitis diagnostiziert werden, während diese mittels Röntgen noch nicht nachweisbar ist. Man spricht in diesem Fall auch von der nr-axSpA [25]. Definitionsgemäß bleibt das Röntgenbild der SI-Gelenke neben den klinischen Symptomen der Patienten die Basis der AS-Diagnose, auch wenn zunehmend gefordert wird, dass für die Erstuntersuchung das MRT das Röntgen ersetzen sollte [17, 22, 27]. Zusätzlich stehen für die quantitative Bestimmung struktureller und entzündlicher Veränderungen mittels Röntgen und MRT verschiedene Scoring-Methoden wie modified Stokes Ankylosing Spondylitis Spine Score, Bath Ankylosing Spondylitis Radiology Index und AS-MRI-Spine-Score zur Verfügung [26, 28].
1.1.4 Therapieoptionen bei AS
Entsprechend der ASAS-Arbeitsgruppe und der European League Against Rheumatism (EULAR) sollte die Behandlung einer AS entsprechend der klinischen Manifestation zum Zeitpunkt der Vorstellung beim Arzt, der Schwere der Symptome sowie der Wünsche und Erwartungen des Patienten selbst, individuell zugeschnitten sein. Die beste Patientenversorgung wird dabei häufig durch die Kombination mehrerer Therapiemöglichkeiten wie konservativer, medikamentöser und operativer Verfahren erzielt und beruht neben der akuten Schmerzlinderung vor allem auf der Verlangsamung entzündlicher und verknöchernder Veränderungen der Wirbelsäule [29, 30]. Für die nicht-medikamentöse Therapie stehen neben der ausführlichen Patientenaufklärung und Patientenschulung noch Physiotherapie, Sport und orthopädisch-technische Hilfsmittel zur Verfügung [29, 30]. Die Basis der medikamentösen AS-Therapie bilden in der täglichen rheumatologischen Praxis die nichtsteroidalen Antirheumatika (NSAR), die international als firstline Therapie anerkannt sind [29, 30]. Diese lindern in erster Linie die Schmerzen an Wirbelsäule und peripheren Gelenken und scheinen bei kontinuierlicher Einnahme aber auch zu einer Verzögerung der radiografisch spinalen Progression zu führen [29-31]. Weitere medikamentöse Optionen bilden intraartikuläre Kortikosteroide, die zu schneller Schmerzlinderung und Funktionsverbesserung in den Gelenken führen oder auch die disease modifying antirheumatic drugs wie Methotrexat, die jedoch im Hinblick auf die axialen
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Symptome der AS-Patienten praktisch wirkungslos sind und nur bei peripheren Manifestationen empfohlen werden [29, 30, 32]. Die Einführung der Tumornekrosefaktor-alpha (TNFα)-Inhibitoren (TNFα-Blocker) stellte in den letzten Jahren die wesentlichste Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Therapie der AS und anderer Spondyloarthitiden dar und schaffte somit völlig neue Behandlungsmöglichkeiten [29, 30]. So konnte für die TNFα-Blocker Infliximab [33], Etanercept [34], Adalimumab [35] und Golimumab [36] eine Wirksamkeit für die Behandlung der Anzeichen und Symptome einer aktiven AS nachgewiesen werden [30]. Empfohlen wird eine solche Therapie mit TNFα-Blockern allerdings erst, wenn ein ungenügendes Ansprechen der Patienten auf NSAR-Gabe vorausging, das heißt eine Gabe von mindestens zwei NSAR über jeweils 2 Wochen keinen Therapieerfolg brachte [30]. Aufgrund der vielversprechenden Therapieerfolge der TNFα-Blocker wurden anschließend diverse andere Biologika für die AS-Therapie getestet, jedoch konnte für den IL-1-Inhibitor Anakinra [37], den T-Zell-Modulator Abatacept [38] sowie die monoklonalen Antikörper gegen den IL-6-Rezeptor Tocilizumab [39] und Sarilumab [40] keine Wirksamkeit im Vergleich zu Placebo nachgewiesen werden. Das derzeit, neben TNFα, vielversprechendste Target stellt die Interleukin (IL)-17/IL-23-Achse dar [41, 42]. So konnte für die monoklonalen Antikörper gegen IL-17 (Secukinumab [43]) und IL-23 (Ustekinumab [44]) eine Verringerung der klinischen Symptome sowie eine gute Verträglichkeit bei Patienten mit einer aktiven AS nachgewiesen werden. Eine operative Therapiemöglichkeit zur Behebung kyphotischer Fehlstellungen höheren Grades, indiziert bei Verlust der horizontalen Blickachse oder auch neurologischen Störungen, stellt die polysegmentale Aufrichtungsosteotomie, die monosegmentale lordosierende Pedikelsubtraktionsosteotomie und die zervikale lordosierende Osteotomie in Höhe C7/Th1 dar [45-47]. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Gewebeproben der AS-Patienten wurden bei polysegmentalen Lordosierungsosteotomien nach Hehne und Zielke [46] gewonnen.
1.1.5 Immunologische und molekulargenetische Aspekte der Pathogenese
Die Ursache für die Entwicklung einer AS-Erkrankung ist auch heute noch unbekannt. Dabei ist das Verstehen der Pathophysiologie der beiden zentralen Charakteristika der AS, Entzündung und Knochenneubildung (vor allem innerhalb der Wirbelsäule), eine unabdingbare Voraussetzung für eine gezielte Behandlung [48].
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Ankylosierende Spondylitis und HLA-B27
Große Familien- und genomweite Assoziationsstudien ergaben, dass die Anfälligkeit der AS zu 80–90% durch genetische Risikofaktoren bedingt wird [49]. Der Nachweis bedeutend höherer Konkordanzraten für eineiige Zwillinge (50-75%) im Vergleich zu zweieiigen Zwillingen (15%) zeigt deutlich, dass die familiäre Häufung der AS hauptsächlich durch die Gene und nicht durch Umwelteinflüsse hervorgerufen wird [50]. Die stärkste genetische Assoziation wurde bisher für das HLA-B27-Antigen nachgewiesen. Circa 90–95% aller AS-Patienten sind HLA-B27+ [49]. Trotzdem muss betont werden, dass die absolute Mehrheit der HLA-B27+ Menschen gesund bleiben, also keine AS entwickeln. Daher wird davon ausgegangen, dass nur 20–40% der genetisch bedingten Anfälligkeit für AS durch HLA-B27 erklärt werden können und somit noch andere Gene eine Rolle spielen müssen [49]. Die pathogenetische Rolle von HLA-B27 für die AS ist nach wie vor unklar. Als mögliche Erklärung stehen derzeit drei Hypothesen zur Verfügung: (1) die Präsentation arthritogener Peptide gegenüber autoreaktiven T-Lymphozyten [51, 52], (2) die Bildung von heavy-chain-Homodimeren, die natürliche Killerzellen und T-Zellen aktivieren [53] und (3) die fehlerhafte Faltung von HLA-B27 im endoplasmatischen Retikulum, die zu einer zellulären Stressantwort, zum Beispiel mit Freisetzung von Entzündungsmediatoren führt [54]. Die erste Hypothese spricht demnach dafür, dass es sich bei der AS um eine autoimmune Erkrankung handelt und somit die adaptive Immunantwort eine vorherrschende Rolle spielt, während die beiden letzten Hypothesen eher einen autoinflammatorischen Hintergrund vermuten, bei dem Zellen des angeborenen Immunsystems wie Makrophagen und Neutrophile aktiviert werden [55]. Trotz bereits langjähriger Untersuchungen dieser drei Hypothesen mittels verschiedener B27-transgener Rattenmodelle (siehe Kapitel 1.3) [56-58] konnte die Rolle des HLA-B27-Antigens für die Pathogenese der AS nicht abschließend erklärt werden.
Bakterien bei AS
Es wird zunehmend angenommen, dass Bakterien eine entscheidende Rolle für die Pathogenese der SpA spielen. So ist für die ReA bereits bekannt, dass sie durch eine vorausgegangene Infektion des Urogenitaltraktes mit Chlamydia trachomatis [59] oder des Darmes mit Enterobakterien wie Yersinien oder Salmonellen ausgelöst wird [60, 61]. Bei CED liegt stattdessen eine Interaktion zwischen dem Immunsystem und den Darmbakterien vor, da hier die Barrierefunktion der Darmmukosa gestört ist. So konnte gezeigt werden, dass in der Synovialflüssigkeit der CED-Patienten die gleichen CD8+ T-Zellen wie in der
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Darmmukosa nachweisbar sind [62]. Für die Auslösung einer PsA wird ebenfalls eine bakterielle Beteiligung, vor allem durch Streptokokken, diskutiert [63]. Da diese Formen der SpA in ihrem weiteren Verlauf in eine AS übergehen können, wie es zum Beispiel für die Salmonellen-ausgelöste ReA [61] und CED [64] gezeigt wurde, können Bakterien als Auslöser der Erkrankung auch für die AS nicht ausgeschlossen werden. Immerhin konnten auch bei Patienten mit AS Läsionen des Gastrointestinaltrakts nachgewiesen werden, die denen bei Morbus Crohn stark ähnelten [65]. Einen weiteren, wenn auch indirekten Hinweis gibt die Tatsache, dass auch bei der AS häufig urogenitale Infektionen mit dem ReA-Auslöser Chlamydia trachomatis auftreten [66]. Auch die HLA-B27-transgenen Rattenmodelle geben weitere Hinweise darauf, dass Bakterien zumindest für die Initiierung der Erkrankung eine ganz entscheidende Rolle spielen, da die HLA-B27-transgenen Ratten in einer keimfreien Umgebung keine Erkrankung des Gastrointestinaltrakts und der Gelenke entwickeln. Die Besiedlung des Darmes der Tiere mit Bakterien stellt somit für die HLA-B27-transgenen Rattenmodelle eine zwingende Voraussetzung dar [67].
Autoantikörper und -antigene bei AS
Autoantikörper stellen ein häufiges Merkmal vieler rheumatischer Autoimmunerkrankungen dar [68]. So sind bis zu 85% der Patienten mit RA Rheumafaktor-positiv und somit Träger eines Autoantikörpers, der sich gegen das Fc-Fragment des Immunglobulins G (IgG) richtet [69]. Bei der AS hingegen gelten Autoantikörper üblicherweise nicht als häufiges Merkmal und sind nicht in der Diagnostik etabliert. Trotzdem wurden auch bei der AS bereits Granulozyten-spezifische Antikörper [70], Autoantikörper gegen CD74 [71] sowie gegen extrazelluläre Matrixkomponenten wie Kollagen (COL) Typ 1, 2, 3, 4 und 5 detektiert [72, 73]. Darüberhinaus konnte mittels Immunisierung durch verschiedene Proteoglykane in diversen Tiermodellen eine periphere oder spinale Arthritis hervorgerufen werden (siehe Kapitel 1.3), sodass Knorpelantigene als mögliches Ziel einer Immunantwort auch bei AS denkbar sind.
Zytokine in der Pathogenese der AS
Zytokine, wie Interleukine, Interferone und TNFα sowie Wachstumsfaktoren, spielen als Effektoren und Mediatoren immunologischer Reaktionen eine entscheidende Rolle für die Pathogenese und daher auch die Therapie der AS [74]. Genomweite Assoziationsstudien zeigen neben der bereits erwähnten Assoziation der AS mit HLA-B27 auch eine Assoziation
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mit Risikogenvarianten von Zytokinen und Signalproteinen. Insbesondere findet sich eine Assoziation mit Genen des TNF-Signalweges, aber auch des IL-23/IL-17 Signalweges [49, 75]. Im Hinblick auf TNFα werden im peripheren Blut geringere Zahlen an TNFα-produzierenden CD8+ T-Zellen in HLA-B27+ AS-Patienten gegenüber HLA-B27+ gesunden Kontrollen nachgewiesen [76], während Biopsien aus den SI-Gelenken von AS-Patienten starke TNFα-Expressionen zeigen [77]. Demnach könnte geschlussfolgert werden, dass die im peripheren Blut gemessene TNFα-Produktion nicht die lokale TNFα-Produktion am Ort der Entzündung widerspiegelt. Hinzuzufügen ist der mögliche Einfluss der Höhe der TNFα-Produktion auf den weiteren Verlauf der Erkrankung. So ist für die ReA bekannt, dass eine niedrige TNFα-Sekretion in T-Zellen zu Beginn der Erkrankung mit einem chronischen Verlauf assoziiert ist, während hohe TNFα-Expressionen durch T-Zellen einen kurzen Krankheitsverlauf begünstigen [78]. Dass TNFα eine Schlüsselrolle innerhalb der AS-Pathogenese darstellt, ist zumindest seit der hoch effektiven Nutzung verschiedener TNFα-Blocker als Therapiemöglichkeit der AS-Patienten unumstritten (Details siehe Kapitel 1.1.4). Dennoch ist der zugrunde liegende Mechanismus, über den TNFα eine AS vorantreibt, immer noch ungeklärt. Abhilfe sollten TNF-transgene Tiermodelle schaffen, deren Phänotyp jedoch grundlegend von dem einer SpA abweicht, indem er durch seinen polyartikulären und erosiven Charakter ohne Knochenneubildung gekennzeichnet ist [79] (siehe Kapitel 1.3). Für IL-17 sind am Ort der Entzündung, hier in den Facettengelenken, ebenfalls erhöhte Mengen IL-17+ Zellen bei AS-Patienten gegenüber Osteoarthrose (OA) feststellbar, während sich die Anzahl an IL-17+ CD4+ T-Zellen im peripheren Blut und in der Synovialflüssigkeit von Patienten mit AS, RA, OA und gesunden Kontrollen nicht unterscheidet [41]. IL-17A wird von Zellen des adaptiven Immunsystems, den Th17 Zellen, genauso produziert wie von Mastzellen, Neutrophilen, Dendritischen Zellen, γδ-T-Zellen, Makrophagen und natürlichen Killerzellen als Komponenten der angeborenen Immunität [41, 80-82]. Somit verbindet das Interleukin-17A das adaptive mit dem angeborenen Immunsystem [83]. IL-17A-vermittelte Signalwege resultieren in der Aktivierung proinflammatorischer Mediatoren vor allem des angeborenen Immunsystems, wie IL-1, IL-6, TNFα und IL-8 [84]. Erste Studien unter der Anwendung des rekombinanten humanen monoklonalen Anti-IL-17A Antikörpers (Secukinumab) zeigen dessen Sicherheit und Wirksamkeit bei der AS [43]. Weitere für die Pathogenese der AS interessante Zytokine wie IL-6, IL-10, IL-12, IL-23 oder IL-33 wurden im Rahmen dieser Arbeit untersucht (siehe Kapitel 3.5).
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1.1.6 Pathologie des Gelenkumbaus bei AS
Das zumeist erste klinische Charakteristikum einer AS stellt die Beteiligung der SI-Gelenke dar. Im späteren Verlauf der Erkrankung geht diese in mehr als der Hälfte der Fälle auf die Wirbelsäule über [17]. In erster Linie sind dabei entzündliche Veränderungen in Form einer Sakroiliitis, Spondylitis oder auch Spondylodiszitis zu erkennen. Häufige periphere Befunde stellen zusätzlich die asymmetrische periphere Oligoarthritis und die Enthesitis dar, während Organbeteiligungen der Niere, der Lunge und des Herzen eher seltener auftreten [5, 17, 20].
Pathologische Veränderungen der SI-Gelenke
Eine AS-Erkrankung beginnt zu über 90% in den SI-Gelenken. Diese Gelenke sind jedoch nur schwer für eine Gewebeentnahme zugänglich. Dementsprechend sind nur wenige histopathologische Untersuchungen dieses Gewebes veröffentlicht. Die SI-Gelenke sind synoviale Gelenke zwischen Teilen des Kreuz- und Darmbeins, die nur sehr geringe Bewegungen zulassen. Der ventrokaudale Teil der SI-Gelenke ist dabei synovial, während der dorsokraniale Anteil ligamentär vorliegt. Die Gelenkanteile des Kreuzbeins sind durch eine dicke Knorpelfläche und eine dünne Knochenendplatte auf porösem spongiösem Knochen charakterisiert, während die Gelenkanteile des Darmbeins neben einer dünneren Knorpelfläche auch eine dickere Endplatte auf dichtem spöngiösen Knochen anzeigen [85]. Radiografisch detektierbare Veränderungen der SI-Gelenke bei AS-Patienten sind vorzüglich Knochenerosionen und Sklerosen [17, 85]. Die frühesten histologisch nachweisbaren Veränderungen sind entzündlicher Natur und betreffen das subchondrale Knochenmark sowie die Synovia (Synovitis), während nur wenige Anhaltspunkte für eine Beteiligung der Enthesien zu diesem Zeitpunkt vorliegen. So finden sich in histologischen Untersuchungen von Biopsie- und Autopsiematerial von AS-Patienten Lymphozyten (wie T-Zellen) und Plasmozyten in geringer sowie Makrophagen in großer Anzahl [85-87]. Zusätzlich werden Knorpeldegenerationen beschrieben sowie das Auftreten subchondraler Veränderungen, wie ein Granulationsgewebe im subchondralen Knochenmark und vom Synovium ausgehend, welches Knochen und Knorpel durchbricht [88]. Im weiteren Verlauf der Erkrankung kommen in Bezug auf die SI-Gelenke ebenfalls entzündliche Veränderungen der Enthesien im Bereich der Gelenkkapsel sowie Proliferation der Fibroblasten und dadurch bedingte fibröse Vernarbungen bis hin zur Synchondrose und kompletten Gelenkankylose vor [88, 89].
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Pathologische Veränderungen an der Wirbelsäule und den Facettengelenken
An der Wirbelsäule treten ähnliche Veränderungen wie an den SI-Gelenken auf, das heißt in akuten Krankheitsphasen finden sich im MRT entzündliche Veränderungen im Sinne einer Spondylitis anterior oder posterior. Im Röntgen zeigen sich Erosionen und Sklerosen, im späteren Stadium Knochenneubildung an Wirbelkanten (Syndesmophyten) und Bandverkalkungen [17]. Die Kenntnisse über histopathologische Veränderungen innerhalb der Wirbelsäule beruhen hauptsächlich auf historischen Arbeiten von Cruickshank [89, 90] und Bywaters [91]. Diese detektierten als eine der ersten Veränderungen in der Wirbelsäule das Auftreten eines fibrösen Gewebes, das große Teile des Nucleus pulposus und des Anulus fibrosus ersetzt und dabei reich an Blutgefäßen ist. Dieses fibröse Gewebe infiltrierte dabei in und teilweise durch den Gelenkknorpel bis in die subchondrale Kochenendplatte. So konnte Cruickshank ebenfalls entzündliche Veränderungen in Form einer Osteitis, aber keine Synovitis nachweisen, während Bywaters eine Diszitis, Spondylitis oder Spondylodiszitis zeigte. In späteren Krankheitsstadien verknöchert das fibröse Ersatzgewebe zunehmend durch die Bildung von Geflechtknochen oder enchondralem Knochen. Finales Ergebnis der fortschreitenden Verknöcherung ist einerseits die Entstehung von Syndesmophyten, die laut Bywaters, beginnend an den Wirbelkörperrändern durch die Kalzifizierung und Ossifikation des Anulus fibrosus entstehen und andererseits die Bildung einer Bambuswirbelsäule. Bleibt eine solche Knochenneubildung bei gleichzeitig vorhandenen destruktiven Vorgängen aus, kann eine Bildung von Tonnenwirbeln oder Romanus-Läsionen mit Erosionen und Sklerosierungen vorkommen (siehe Abb. 1.2) [17, 92].
Auch die posterioren Wirbelgelenke, die Facettengelenke, sind bei der AS mit befallen [93]. Diese Gelenke, auch Zygapophyseal- oder kurz Z-Gelenke genannt, sind kleine, gepaarte und echte Synovialgelenke zwischen den einzelnen Wirbelstufen. Jedes Facettengelenk besteht aus einem größeren, nach hinten und medial zugewandten konkaven oberen Gelenkfortsatz des unteren Wirbelkörpers und einem gegenseitigen, nach vorne und seitlich zugewandten unterem Gelenkfortsatz des darüber liegenden Wirbelkörpers. Diese Synovialgelenke enthalten eine hyaline Knorpeloberfläche sowie eine Synovialmembran und sind dabei von einer weiter hinten gelegenen faserigen externen Kapsel eingeschlossen, die anteromedial nicht vorhanden ist [94, 95]. Sie enthält außerdem nozizeptive Nervenfasern, sodass sie eine potenzielle Quelle für eventuelle Schmerzen darstellen kann [96, 97]. Die Anpassung der menschlichen Wirbelsäule an die aufrechte Haltung während der Evolution beinhaltete auch eine spezielle Krümmung der Wirbelsäule in Form der Brustkyphose und Lendenlordose, die wiederum Veränderungen innerhalb der Orientierung der Facettengelenke erforderlich
1 Einleitung Sklerose „glänzende Ecke“ Syndesmophyten (und Spondylophyten) Überbrückende Syndesmophyten
machte. Die Ausrichtung der Facettengelenke hat somit wichtige biomechanische Konsequenzen, da diese die Wirbelsäule unterstützen und stabilisieren und somit multidimensionale Bewegungen unter komplexer Belastung ermöglichen, beziehungsweise einschränken [98, 99]. Diese Gelenke werden im Rahmen einer Aufrichtungsoperation nur bei sehr stark kyphosierten AS-Patienten entnommen. Nichtsdestotrotz konnten, trotz bereits vorliegender partieller Ankylosen innerhalb der entnommenen Facettengelenke, T- und B-lymphozytäre Infiltrate als Zeichen persistierender Entzündung histologisch nachgewiesen werden. Die entzündlichen Infiltrate sind dabei sowohl im subchondralen Knochenmark als auch an den Enthesien lokalisiert [100].
Röntgenbilder der Wirbelsäulen verschiedener AS-Patienten zeigen typische chronische Wirbelsäulenveränderungen bei der AS. Rote Pfeile zeigen im linken Bild Sklerose in Form „glänzender Ecken“ der Wirbelkörper, im mittleren Bild Syndesmophyten an den Ecken der Wirbelkörper und im rechten Bild überbrückende Syndesmophyten, sodass eine Bambuswirbelsäule zu erkennen ist. Es handelt sich um ein Dia aus der ASAS Folienbibliothek (http://slides.asas-group.org). Abb. 1.2: Chronische Wirbelsäulenveränderungen bei AS
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Pathologische Veränderungen an den Enthesien
Als Enthesien werden die Orte bezeichnet, an denen Sehnen, Bänder und Gelenkkapseln am Knochen befestigt sind [101]. Die Enthesien der AS-Patienten, beziehungsweise der gesamten Spondyloarthritiden, sind häufig durch entzündliche Veränderungen, Erosionen und Knochenneubildungen gekennzeichnet, wobei teilweise das darunter liegende Knochenmark mit betroffen ist (in Form erhöhter Anzahlen an B- und T-Zellen) [102]. Die auftretenden Erosionen werden dabei durch Entzündungen auf beiden Seiten der Sehnenansätze hervorgerufen, während die Knochenneubildung einen Reparaturmechanismus darstellt. Derartige Enthesitiden können im Bereich peripherer Gelenke wie Knie- und Hüftgelenken auftreten, aber auch zentral an der Wirbelsäule [92, 103].
1.1.7 Pathophysiologie des Gelenkumbaus bei AS
Um die pathologischen Vorgänge während des Gelenkumbaus der SI- und Facettengelenke bei AS-Patienten besser zu verstehen, werden im Folgenden zunächst die physiologischen Prozesse der Skelett- und Gelenkentwicklung beschrieben.
Physiologische Mechanismen der Skelettentwicklung
Die Skelettentwicklung, das heißt Knochenneubildung, beginnt beim Menschen zwischen der 4. und 5. Woche nach der Befruchtung [104]. Undifferenzierte mesenchymale Zellen ballen sich zusammen und bilden an den Orten der zukünftigen Skelettelemente eine Art mesenchymale Verdichtung mit den transkriptionalen Charakteristika nicht-hypertropher Chondrozyten [105]. Die Zellen an den Rändern dieser Verdichtung bilden das Perichondrium, die sogenannte Knorpelhaut. Chondrozyten stellen damit die ersten Skelett-spezifischen Zellen während der embryonalen Entwicklung dar. Sie haben eine charakteristische Form und sezernieren eine Matrix, reich an COL2 und Aggrekan. Unter der Kontrolle des Hauptgens der Chondrogenese, dem Transkriptionsfaktor sex determining region Y (SRY)-box 9 (Sox9) [106], proliferieren und später differenzieren die Chondrozyten in zwei Subpopulationen: runde, wenig proliferierende Chondrozyten am distalen Ende der Verdichtung und stark proliferierende Chondrozyten, die sich säulenförmig in zentraler Richtung organisieren. Die zentralen Chondrozyten stoppen anschließend ihre Proliferation, differenzieren in prehypertrophe und danach hypertrophe Chondrozyten und ändern dabei ihr transkriptionales Programm, das heißt sie synthetisieren jetzt nicht mehr COL2, sondern
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COL10 [107]. Diese hypertrophen Chondrozyten zeichnen sich durch einen 10-fachen Anstieg ihres Zellvolumens aus sowie durch die Expression der terminalen Differenzierungsmarker runt-related transcription factor 2 (RUNX2), matrix metalloproteinase 13 (MMP13), Kollagen Typ X (COL10), Alkalische Phosphatase und Indian Hedgehog [107-111]. Allein aufgrund ihrer enormen Größenzunahme stellen sie den Hauptmotor des embryonalen Knochenwachstums dar. Außerdem steuern sie die Mineralisierung ihrer umgebenden Matrix und ziehen Blutgefäße (mittels VEGF) und Chondroklasten/Osteoklasten an. Während die hypertrophen Chondrozyten anschließend wahrscheinlich apoptotisch werden, verbleibt die COL10-reiche Matrix und dient als Gerüst für einwandernde Osteoblasten, die eine Knochenmatrix reich an COL1 synthetisieren [105]. Während des hypertrophen Stadiums differenzieren die Zellen des Perichondriums in Osteoblasten und bilden damit das stark vaskularisierte Periost. Über die Blutgefäße wandern Osteoblasten und Osteoklasten ein und ersetzen den mineralisierten Knorpel durch Knochen, wodurch die primäre Spongiosa entsteht. Die Osteoblasten des Periost bilden das Knochengerüst, welche zusammen mit den primären Knochentrabekeln später umgebaut werden, den kortikalen Knochen und die Knochenmarkhöhlen bilden [105, 112]. RUNX2 stellt insgesamt das Hauptgen der osteoblastären Differenzierung dar. Durch dessen vorübergehende Expression in prehypertrophen Chondrozyten initiiert RUNX2 die chondrozytäre Hypertrophie und bedingt damit die nachfolgenden Schritte innerhalb der Skelettentwicklung, wie die Gefäßeinwanderung und die Differenzierung der Osteoblasten [113]. Auf der anderen Seite inhibiert RUNX2 die chondrozytäre Proliferation und Hypertrophie in den Zellen des Perichondriums, um eine verfrühte Knochenbildung an dieser Stelle zu verhindern [109, 112]. Dieser gesamte Prozess der Knochenneubildung wird enchondrale Ossifikation genannt, über den die axialen und appendikularen Skelettteile der Wirbeltiere ausgebildet werden. Im Gegensatz dazu werden die Knochen des Schädels und Teile der Gesichtsknochen sowie das Schlüsselbein über den Prozess der sogenannten intramembranösen (direkten) Ossifikation gebildet. Hierbei differenzieren mesenchymale Zellen direkt in Osteoblasten, sodass ein chondrozytäres Zwischenstadium fehlt [112].
Physiologische Mechanismen der Gelenkentwicklung und der Gelenkaufbau
Innerhalb der Skelettentwicklung ist nicht nur das Knochenwachstum von enormer Bedeutung, sondern auch die Entwicklung der Gelenkverbindungen inklusive des Gelenkknorpels. Grundvoraussetzung sind wieder die aus den mesenchymalen
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zellen differenzierten Chondrozyten, die Knorpel-Anlagen, deren Differenzierung ebenfalls von den Sox-Transkriptionsfaktoren kontrolliert wird. Während Sox9 für diesen Prozess unabdingbar ist, sind Sox5 und Sox6 nicht unbedingt erforderlich, potenzieren die chondrogene Aktivität von Sox9 allerdings enorm [113, 114]. Die meisten Zellen innerhalb der Knorpel-Anlagen werden später Teil der Wachstumsfuge, während nur wenige spezifische Subpopulationen den Zelltyp der Synovialgelenke bilden. Die gebildeten Knorpel-Anlagen zweier benachbarter Knochen werden anschließend durch die Umwandlung der differenzierten Chondrozyten in nicht-chondrogene Zellen der Fibrozyten-Linie durch die Herabregulation der Sox9- und COL2-Expression voneinander getrennt [115]. Dabei entsteht die sogenannte Interzone, die für die Ausbildung eines Gelenkspaltes eine zwingende Voraussetzung darstellt. Ihr Fehlen würde eine Fusion der Knochen verursachen [116].
Im Verlauf der Skelettentwicklung entstehen somit zwei Knorpel-Arten. Beide unterscheiden sich vor allem durch ihre ernorm unterschiedliche Lebensdauer. Während der eine das ganze Leben des Organismus beständig bleibt, dient der andere nur als eine Art Vorlage für den späteren Ersatz durch Knochen während der enchondralen Ossifikation. Beide, beständiger Knorpel und Ersatzknorpel, enthalten COL2 und sind mit Safranin-O anfärbbar, während nur die Chondrozyten des Ersatzknorpels hypertroph werden und dann COL10 exprimieren [117]. Der Gelenkknorpel ist ein beständiger Knorpel. Die einzigen und in geringer Zahl vorherrschenden Zellen sind auch hier die Chondrozyten, die in eine extrazelluläre Matrix eingebettet sind. Unter normalen Bedingungen liegen diese Chondrozyten dabei als ruhende Zellen vor, sodass nur ein sehr geringer Umsatz der Matrixbestandteile stattfindet. Trotz der simpel erscheinenden Struktur stellt der Gelenkknorpel ein komplexes Gewebe dar, welches in verschiedene Zonen unterteilt wird, da diese in ihrer Matrixzusammensetzung und ihrer zellulären Organisation variieren. Der dickste Teil des Gelenkknorpels besteht aus nicht-mineralisiertem Gewebe und wird wiederum in drei verschiedene Zonen unterteilt: die oberflächliche, die Übergangs- und die radiale Zone. Der dünnere und zugleich innerste Teil des Gelenkknorpels besteht aus kalzifiziertem Knorpel (siehe Abb. 1.3) [118]. Die kalzifizierte Knorpelschicht verhindert somit den Kontakt zwischen nicht-kalzifiziertem Gelenkknorpel und der subchondralen Knochenendplatte und ist selbst über die sogenannte Tidemark, eine Mineralisierungsfront, vom nicht-kalzifizierten Knorpel abgegrenzt [119]. Außerdem ist die kalzifizierte Zone durch eine einzigartige Matrixzusammensetzung gekennzeichnet, da sie Chondrozyten beherbergt, die Hypertrophiemarker exprimieren [108].
1 Einleitung Knochentrabekel subchondrale Endplatte Knorpel Gelenkspalt Knorpel subchondrale Endplatte Knochenmark Knochenmark OBERFLÄCHLICHE ZONE ÜBERGANGS- ZONE RADIALE ZONE KALZIFIZIERTE ZONE ! " # $ H ya li ne r G el enkknorpe l
Dargestellt ist der schematische Aufbau eines Gelenkes, bei dem beide Gelenkhälften durch einen Gelenkspalt voneinander getrennt sind (linke Abbildung). Jede Gelenkhälfte besteht aus dem hyalinen Gelenkknorpel, einer subchondralen Endplatte sowie den Knochentrabekeln und subchondralen Knochenmark. Die rechte Abbildung zeigt den schematischen Aufbau des Gelenkknorpels in seine vier Zonen (1–4) als vergrößerter Ausschnitt der linken Abbildung.
Mit zunehmendem Alter können in dieser Schicht außerdem Blutgefäße und Nerven einsprossen, während der nicht-mineralisierte Teil des adulten Gelenkknorpels unter normalen Bedingungen avaskulär und aneural ist [120, 121]. Aufgrund dieser fehlenden Gefäßversorgung leben die Chondrozyten unter hypoxiden Bedingungen. Die Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen wird ausschließlich über die Gefäßversorgung in der Gelenkkapsel, des Synoviums und der subchondralen Endplatte und folgender Diffusion gewährleistet. Der Sauerstoffmangel ist dabei nicht nur der vorherrschende, sondern auch ein notwendiger Zustand innerhalb der Gelenkknorpelmatrix. So konnte gezeigt werden, dass unter hypoxiden Versuchsbedingungen die Basalsynthese und die Freisetzung von Matrix-degradierenden Proteinen, die Erzeugung von COL2-Spaltungsfragmenten sowie die Produktion von Prostaglandin (PG) E2 und Stickstoffmonoxid niedriger sind als unter
höherem Sauerstoffgehalt [122, 123]. Der Aufbau des Gelenkknorpels bedingt außerdem dessen Funktion. So bildet der Knorpel eine glatte Oberfläche mit einem sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, was eine effiziente Gleitbewegung während der Bewegung des Gelenkes ermöglicht. Diese reibungslose Fortbewegung wird zusätzlich durch eine Grenzschicht aus Schmiermitteln wie Lubricin und Hyaluronsäure auf der Gelenkoberfläche ermöglicht, die von Chondrozyten und Synovialzellen gebildet werden [124]. Eine weitere Hauptfunktion des Gelenkknorpels stellt die Absorption und Zerstreuung der mechanischen Belastung dar. Zu bedenken ist jedoch, dass ein gewisses Maß an mechanischer Belastung für die Aufrechterhaltung der Knorpelhomöostase zwingend notwendig ist, da diese eine
