Aus dem Institut für Tierernährung der Tierärztlichen Hochschule Hannover
Effekte der Gelatinesupplementierung auf den Knochen- und Knorpelstoffwechsel im Verlauf eines standardisierten Trainings beim
Pferd
INAUGURAL - DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer DOKTORIN DER VETERINÄRMEDIZIN
(Dr. med. vet.)
durch die Tierärztliche Hochschule Hannover
Vorgelegt von Kathrin Appelt
aus Heide
Hannover 2005
Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. med. vet. M. Coenen
1. Gutachter: Prof. Dr. med. vet. M. Coenen
2. Gutachter: Prof. Dr. s.c. agr. Dr. habil. Dr. h.c. F. Ellendorff
Tag der mündlichen Prüfung: 21.11.2005
Inhaltsverzeichnis
Kapitel Seite
I. EINLEITUNG ... 1
II. SCHRIFTTUM ... 2
1. Knorpel und Knorpelstoffwechsel ... 2
1.1. Anatomie und Physiologie des Gelenks und des Knorpels ... 2
1.2. Pathophysiologische Veränderungen des Gelenks und des Knorpels... 7
1.3. Knorpelmarker ... 9
1.3.1. Chondroitinsulfat... 10
1.3.1.1. Chondroitinsulfat als Marker des Knorpelstoffwechsels ... 10
1.3.2. Keratansulfat ... 12
1.3.2.1. Einflussfaktoren auf die Konzentration von Keratansulfat beim Pferd ... 14
Alter ... 14
Trainingsbelastung ... 15
Haltung ... 16
Pathophysiologische Veränderungen ... 16
2. Knochen und Knochenstoffwechsel... 18
2.1. Knochenaufbau ... 18
2.2. Regulation des Knochenstoffwechsels ... 21
2.3. Wachstum, Modeling und Remodeling ... 22
2.3.1. Wachstum ... 23
2.3.2. Modeling ... 24
2.3.3. Remodeling ... 24
2.4. Knochendichte und Knochenmasse ... 26
2.5. Knochenmarker ... 27
2.5.1. Osteocalcin... 30
2.5.1.1. Einflussfaktoren auf die Konzentration von Osteocalcin beim Pferd ... 32
Alter ... 32
Haltung ... 34
Fütterung ... 35
Trainingsbelastung ... 36
2.5.2. Carboxyterminales Telopeptid des Typ - I - Kollagens (ICTP)... 40
2.5.2.1. Einflussfaktoren auf die Konzentration von ICTP beim Pferd ... 40
Alter ... 40
Fütterung und Haltung... 42
Trainingsbelastung ... 43
3. Chondroprotektiva und Nutraceuticals ... 46
3.1. Definition... 46
3.2. Wirksamkeit ... 47
3.3.2. Herstellung ... 54
3.3.3. Eigenschaften ... 54
3.3.4. Zusammensetzung ... 55
3.3.5. Gesetzgebung ... 56
3.3.6. Marktübersicht ... 56
3.3.7. Literaturübersicht ... 59
3.3.7.1. Resorption ... 59
3.3.7.2. Wirkung... 60
4. Zusammenfassung... 64
III. MATERIAL UND METHODEN... 65
1. Versuchsziel... 65
2. Versuchskonzept ... 65
3. Versuchstiere... 66
4. Versuchsdurchführung ... 73
4.1. Supplementierung des Gelatine - Hydrolysats... 73
4.2. Stufenbelastungstests und Trainingsbelastungen... 73
4.2.1. Stufentest... 73
4.2.2. Intervallbelastung ... 75
4.2.3. Ausdauerbelastung ... 76
4.3. Postprandiale Kinetik ... 78
5. Probenentnahme ... 78
5.1. Zeitpunkte der Blutprobenentnahme ... 78
5.2. Methodik der Blutprobenentnahme... 79
6. Messungen ... 80
6.1. Körpermasse ... 80
6.2. Schweißverluste ... 80
6.3. Herzfrequenz... 81
6.4. Körperinnentemperatur... 81
6.5. Außentemperatur und Luftfeuchtigkeit ... 81
7. Analyse der hämatologischen Parameter... 81
7.1. Laktat... 81
7.2. Gesamteiweiß... 82
7.3. Gesamtcalcium... 82
7.4. Anorganisches Phosphat... 83
7.5. Osteocalcin... 83
7.6. Carboxyterminales Telopeptid der Typ-I-Kollagens (ICTP) ... 85
7.7. Keratansulfat ... 86
7.8. Aminosäuren ... 87
8. Statistische Methoden ... 87
9. Darstellung der Ergebnisse... 88
10. Anmerkungen... 88
IV. ERGEBNISSE ... 89
1. Gelatine - Hydrolysat ... 89
1.1. Analytik des Produktes... 89
1.2. Aufnahme von Aminosäuren aus den eingesetzten Futtermitteln ... 90
2. Postprandiale Kinetik ... 91
2.1. Harnstoff ... 91
2.2. Aminosäuren ... 92
2.2.1. Glutaminsäure ... 92
2.2.2. Prolin... 93
2.2.3. Asparaginsäure ... 94
2.2.4. Glycin ... 94
2.2.5. Leucin ... 95
2.2.6. Arginin ... 96
2.2.7. Alanin ... 97
2.2.8. Valin ... 98
2.2.9. Tryptophan ... 99
2.2.10. Hydroxy - Prolin... 99
2.2.11. Weitere Aminosäuren ... 99
2.3. Calcium... 100
2.4. Anorganisches Phosphat... 100
3. Langfristige Reaktionen unter Ruhebedingungen... 101
3.1. Körpermasse ... 101
3.2. Schweißverluste ... 103
3.3. Harnstoff... 104
3.4. Aminosäuren ... 105
3.4.1. Glutaminsäure ... 105
3.4.2. Prolin... 106
3.4.3. Asparaginsäure ... 107
3.4.4. Glycin ... 108
3.4.5. Arginin ... 109
3.4.6. Alanin ... 109
3.4.7. Tryptophan ... 110
3.4.8. Ornithin... 111
3.4.9. Hydroxy - Prolin... 112
3.4.10. Weitere Aminosäuren ... 112
3.5. Calcium... 113
3.8. ICTP ... 116
3.9. Verhältnis OC:ICPT ... 117
3.10. Keratansulfat ... 118
4. Kurzfristige Reaktionen während der Stufenbelastungstests ... 120
4.1. Laktat... 120
4.2. Gesamtprotein ... 123
4.3. Calcium... 124
4.4. Anorganisches Phosphat... 125
5. Zusammenfassung der Ergebnisse ... 126
V. DISKUSSION... 127
1. Kritik der Methoden ... 127
1.1. Pferde, Fütterung, Haltung ... 127
1.2. Versuchsdurchführung ... 129
1.3. Auswahl der Untersuchungsparameter... 132
1.3.1. Osteocalcin... 132
1.3.2. ICTP... 133
1.3.3. Keratansulfat ... 133
2. Diskussion der Ergebnisse ... 134
2.1. Beurteilung des Versuchsmodels sowie des Trainingsprogramms... 134
2.2. Gelatineaufnahme und Konsequenzen für den Proteinstoffwechsel... 137
2.3. Resorption und Verwertung von Aminosäuren aus der Gelatine ... 144
2.4. Langfristige Veränderungen unter Ruhebedingungen ... 150
3. Schlussfolgerungen... 162
VI. ZUSAMMENFASSUNG ... 163
VII. SUMMARY ... 165
VIII. LITERATURVERZEICHNIS ... 167
IX. TABELLENANHANG ... 187
Abkürzungsverzeichnis
Es werden die offiziellen Abkürzungen für Einheiten verwendet, darüber hinaus die nachstehend aufgeführten:
AAS Atomabsorptionsspektrometer
AD Ausdauerbelastung
Ala Alanin
Arg Arginin
AS Aminosäure
Asn Asparagin
Asp Asparaginsäure
BMC Knochenmineralgehalt (bone mineral content)
BMD Knochenmineraldichte (bone mineral density)
C Ende Cool Down
Ca Gesamtcalcium
CD Cool Down
Cl Chlorid
CS Chondroitinsulfat
Cu Kupfer
Cys Cystin
DE verdauliche Energie
ECM extrazelluläre Matrix
EDTA Ethylendiamintetraacetat
ELISA Enzyme - linked immunosorbent assay
GAG Glykosaminoglykane
GEH Gesellschaft für Ernährungsphysiologie der Haustiere
Gln Glutamin
Glu Glutaminsäure
Gly Glycin
His Histidin
ICTP Carboxyterminales Telopeptid des Typ I - Kollagens
IE internationale Einheiten
Ileu Isoleucin
IV Intervallbelastung
K Kalium
KGW Körpergewicht
KM Körpermasse
KS Keratansulfat
Leu Leucin
LF Luftfeuchtigkeit (%)
Li Lithium
Lys Lysin
Met Methionin
n Anzahl der Tiere / Proben
Na Natrium
NRC National Research Council
NSAID nichtsteroidale Antiphlogistika
OA Osteoarthritis
OC Osteocalcin
OH - Prolin Hydroxy-Prolin
P anorganisches Phosphat
Phe Phenylalanin
ppr. postprandial
PTH Parathormon
Pro Prolin
PSGAG polysulfatierte Glykosaminoglykane
R Ruhe
RIA Radioimmunassay
Se Selen
Ser Serin
S Ende Stufe 6
SD Standardabweichung
ST Stufentest
Tau Taurin
Thr Threonin
Try Tryptophan
TPP Gesamteiweiß
TS Trockensubstanz
Tyr Tyrosin
uS ursprüngliche Substanz
v Geschwindigkeit
Val Valin
Vit. A Vitamin A
Vit. D Vitamin D
Vit. E Vitamin E
vRp verdauliches Rohprotein
W Woche
Zn Zink
I. Einleitung
Erkrankungen des Bewegungsapparates stehen bei Sport- und Rennpferden ursächlich an erster Stelle und verursachen neben Kosten für Diagnostik und Therapie oft auch Ausfälle im Trainings- und Rennbetrieb und eine verminderte Lebenserwartung der Pferde. Die Gesunderhaltung der Tiere spielt daher eine große Rolle. Dabei muss besonderes Augenmerk auf die Wachstumsphase gelegt werden, denn der Trainingsbeginn bei Rennpferden und die Anreitphase bei Reitpferden fällt in eine Zeit, in der das Wachstum des Skelettes noch nicht abgeschlossen ist. Gerade in dieser Phase, in der Wachstum und erhöhte Arbeitsanforderungen zusammentreffen, ist der Bewegungsapparat besonders anfällig für Störungen.
Die Knochenmarker Osteocalcin und ICTP sowie der Knorpelmarker Keratansulfat ermöglichen es, trainingsbedingte Veränderungen an Knorpel und Knochen zu überwachen, Pferde mit einem erhöhten Erkrankungsrisiko zu identifizieren und so Therapiekosten und Ausfälle zu senken.
Ein Ansatz zur Prophylaxe und Therapie von Gelenk- und Knochenerkrankungen stellt die Supplementierung von Gelatine-Hydrolysat als Fütterungszusatz dar. Gelatine enthält hohe Mengen der Aminosäuren Prolin, Glycin und Hydroxy-Prolin, die in der Kollagenbiosynthese eine erhebliche Rolle spielen und ein wesentlicher Bestandteil der Knochen und Knorpel sind (ADAM 1991, OESSER et al. 1999).
Zur Resorption und Wirksamkeit von Gelatinepräparaten bei degenerativen Gelenkerkrankungen liegen bei verschiedenen Tierarten (Maus, Hund) und beim Menschen Nachweise vor (SEELIGMÜLLER u. HAPPEL 1989, ADAM 1991, OESSER et al. 1999, MOSKOWITZ 2000, OESSER u. SEIFERT 2003, WEIDE 2004). Für das Pferd findet sich in der Literatur derzeit jedoch keine Information über die Resorption und nur wenig über die Wirksamkeit von Gelatine. Dennoch ist auf dem europäischen Markt eine große Vielfalt an Produkten für Pferde zu finden, die Gelatine enthalten oder reine Gelatinepräparate sind.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beurteilung der Resorption und der Effekte von Gelatine - Hydrolysat auf den Knorpel- und Knochenstoffwechsel anhand von ausgewählten Knorpel- und Knochenmarkern sowie des Aminosäurenprofils im Serum und Plasma bei wachsenden Pferden unter Trainingsbelastung. Dabei werden sowohl langfristige Veränderungen über den Versuchszeitraum als auch kurzfristige, belastungsbedingte Veränderungen betrachtet.
II. Schrifttum
In diesem Kapitel werden Faktoren erläutert, die zu Veränderungen und Reaktionen des Knorpel- und Knochenstoffwechsels führen. Ferner wird auf den allgemeinen Aufbau von gesunden und erkrankten Strukturen des Bewegungsapparates eingegangen. Abschließend wird eine Übersicht über die Anwendung und Wirksamkeit von Substanzen gegeben, von denen man positive Effekte auf das Skelettsystem mit seinen knorpeligen und knöchernen Anteilen annimmt. Dabei wird das Augenmerk speziell auf die Supplementierung von Gelatine oder Gelatine - Hydrolysat gelegt.
1. Knorpel und Knorpelstoffwechsel
1.1. Anatomie und Physiologie des Gelenks und des Knorpels
Die Aufgabe des Gelenkknorpels ist, eine glatte Oberfläche mit geringem Reibungswiderstand bereitzustellen, und zudem Stoß-, Zug- und Druckkräfte auf das Knochensystem abzufangen und zu dämpfen (VACHON et al. 1990, EICH 1995, BUCKWALTER et al. 2005). An diese Anforderungen ist die Architektur eines gesunden Gelenkes hervorragend angepasst.
Ein Gelenk besteht aus der Gelenkkapsel, den Gelenkknorpeln, der Synovia und den subchondralen Knochen (BEALE 2004). Die Gelenkkapsel besteht aus einer äußeren fibrösen und einer inneren synovialen Schicht, die der Produktion der Gelenkflüssigkeit (Synovia) dient. Die Synovia ist ein Ultrafiltrat des Plasmas und enthält u.a. Hyaluronsäure (LITTLE et al. 1990, BEALE 2004). Sie ist zuständig für die Schmierung des Gelenkes, für Schutz und Ernährung des Knorpels und für den Abtransport von Stoffwechselprodukten (JAESCHKE u. STEINBACH 1982, HAAPALA et al.
2001, BEALE 2004). Da dem Gelenkknorpel eine eigene Blutgefäßversorgung fehlt, muss die Nährstoffversorgung und der Abtransport von Stoffwechselprodukten v.a. durch Diffusion aus der Synovia erfolgen, wozu ein Wechsel zwischen Be- und Entlastung des Gelenkes notwendig ist (HEBELER 2001).
Die einzigartige biologische und mechanische Beschaffenheit des Gelenkknorpels beruht auf dem Design des Gewebes und der Interaktion zwischen den Chondrozyten und der Knorpelmatrix. Die Schlüsselereignisse bei der Entwicklung normalen Knorpelgewebes sind:
1. Proliferation der Chondroblasten 2. Produktion der extrazellulären Matrix 3. Differenzierung zu Chondrozyten 4. Kalzifizierung der Matrix
Chondroblasten produzieren das makromolekulare Gerüst der Matrix, bestehend aus Kollagen - Typ II, Proteoglykanen und nicht - kollagenen Proteinen (BUCKWALTER u. LANE 1997). Nach Abschluss der Chondrogenese wandeln sich einige Chondroblasten in Chondrozyten um, die verantwortlich für die weitere Synthese, Organisation und Erhaltung der extrazellulären Matrix und ihrer Bestandteile sind (OESSER u. SEIFERT 2003). Die Chondrozyten liegen dann eingebettet in einer extrazellulären Matrix (PALMER et al. 1995a, HEBELER 2001, BEALE 2004, BUCKWALTER et al. 2005) und behalten dort ihre Fähigkeit, lebenslang alle Matrixbestandteile synthetisieren zu können, bei (PLATT 2001, BUCKWALTER et al. 2005).
Die Knorpelmatrix besteht zu ca. 70 % aus Wasser, Zellen machen nur 1 % der Knorpelmasse aus.
Die Trockensubstanz der Matrix setzt sich zusammen aus ca. 50 % Kollagen, 40 % Proteoglykanen und 10 % Nicht-Kollagen-Proteinen (SEELIGMÜLLER u. HAPPEL 1989, SCHULZ u.
DÄMMRICH 1991, BUCKWALER u. LANE 1997, BUCKWALTER et al. 2005). Die extrazelluläre Matrix schützt die Chondrozyten vor Schädigungen während des normalen Gebrauchs des Gelenkes und reguliert die Art und Konzentrationen der Moleküle, die an den Zellen ankommen (BUCKWALTER et al. 2005).
Die Kollagene des Knorpels bestehen zu 80 - 95 % aus Kollagen - Typ II (MAYNE 1989).
Zusammen mit geringen Mengen anderer Typen von Kollagen formt Kollagen - Typ II ein dreidimensionales, beanspruchungsgerecht gestaltetes, fibrilläres Netz, das essentiell für die Festigkeit des Knorpels ist (BUCKWALTER u. LANE 1997, BRAMA et al. 1999a,b, BRAMA et al. 2000b, OESSER u. SEIFERT 2003). Die Polypeptide der Kollagenfasern bestehen aus ununterbrochenen langen Aminosäuresequenzen, wobei sich Glycin mehrfach wiederholt und auch Prolin und Hydroxy-Prolin häufig vorkommen (RICH u. CRICK 1961). Die Kollagenfasern ermöglichen eine Druckaufnahme ohne bleibende Verformung des Knorpels und gewährleisten die Zug- und Scherfestigkeit des Knorpelgewebes (SEELIGMÜLLER u. HAPPEL 1989). Eingelagert in das kollagene Fasernetz liegen die Proteoglykane.
Proteoglykane sind Makromoleküle mit hoher Wasserbindungskapazität (SEELIGMÜLLER u.
HAPPEL 1989) und für die Druckfestigkeit und Elastizität des Gewebes verantwortlich, die es dem Knorpel ermöglichen, Druckeinwirkungen auszuweichen und anschließend wieder zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren. Sie sind eingelagert in das dreidimensionale Netz der Kollagenfibrillen (SEELIGMÜLLER u. HAPPEL 1989, OESSER u. SEIFERT 2003).
Proteoglykane bestehen aus einem langen Hyaluronsäuremolekül, an dem Kernproteine nicht - kovalent gebunden angelagert liegen. An jedes Kernprotein sind kovalent viele Glykosaminoglykan - Moleküle gebunden, die sich flaschenbürstenartig anlagern (ALWAN et al. 1990, HANSON 1996, VAN DEN HOOGEN 1999b, PLATT 2001, BEALE 2004). Glykosaminoglykane (GAG) sind lange Ketten von Disacchariden. Je nach Zusammensetzung der Grundbausteine unterscheidet man Keratansulfat, Chondroitinsulfat, Heparansulfat, Heparin, Dermatansulfat und Hyaluronsäure (EICH 1995). Durch den hohen Gehalt an GAG im Knorpel wird der Wassergehalt gewährleistet, der essentiell für die normale viskoelastische Funktion und die Ernährung durch Diffusion des Knorpels ist (SEELIGMÜLLER u. HAPPEL 1989, PALMER et. al. 1995a, PLATT 2001, BEALE 2004).
Fortgesetzt während des gesamten Lebens unterliegt das Knorpelgewebe wie das Skelettsystem auch einem kontinuierlichen Remodeling, in dem die Zellen Matrix - Makromoleküle ersetzen, die durch Abbauvorgänge verloren gegangen sind. Der Gelenkknorpel und das subchondrale Knochengewebe können sich damit an veränderte biomechanische Belastungen anpassen (BUCKWALTER et al. 2005). Im gesunden Gelenkknorpel liegt dabei ein Gleichgewicht zwischen Synthese und enzymatischen Abbau von Knorpelmatrix vor.
Der normale Stoffwechsel hängt von der Fähigkeit der Chondrozyten ab, Veränderungen oder Schäden in der Zusammensetzung und Organisation der Matrix zu erkennen und darauf mit der Synthese von passenden neuen Molekülen zu antworten. Dabei kann man Anpassungsvorgängen an veränderte Trainingsbelastungen und normale altersbedingte Veränderungen unterscheiden.
Fohlen werden mit einer biochemisch einheitlichen Konformation der Gelenke geboren.
Unterschiede innerhalb eines Gelenkes bezüglich des Gehalts von DNA, Kollagen, Wasser und Glykosaminoglykane entwickeln sich erst während der funktionellen Adaptation des Knorpels an Gewichts- und Belastungszunahme in den ersten Lebensmonaten (BRAMA et al. 2000a). Juveniler
Gelenkknorpel ist ein dynamisches Gewebe, in dem metabolische Prozesse ablaufen, die sowohl die biochemische Komposition als auch die Eigenschaften verändern. Im Gegensatz dazu hat der Gelenkknorpel adulter Tiere nur eine sehr geringe metabolische Kapazität, was vor allem die Fähigkeit zur Reparatur von Schäden betrifft (BRAMA et al. 1999a). Während des Wachstums findet ein Remodeling - Prozess der extrazellulären Matrix des Knorpels statt, der den Verlust und Ersatz von Proteoglykanen, die Denaturierung des Kollagen - Typ II und den nachfolgenden Abbau und Ersatz von neuen Matrix - Molekülen beinhaltet. In dieser juvenilen Phase findet die funktionelle Adaptation statt, in der die typischen lokalen Unterschiede in der Kollagen - Formation ausgebildet werden, die das Gelenk an die lokal variablen Belastungen anpasst. Die Belastung des juvenilen Knorpels hat demnach großen Einfluss auf die Knorpelgesundheit im späteren Leben, wobei mäßige Bewegung förderlich, starke Belastungen jedoch schädlich sind (BRAMA et al.
1999a, 2000b).
Bedingt durch veränderte mechanische Belastungen oder durch erhöhte Trainingsanforderungen verursachen wiederholte Druckbelastungen am Gelenkknorpel anabole und katabole Anpassungsvorgänge. Anabole Anpassungsvorgänge bestehen in einer Dickenzunahme des Gelenkknorpels durch verstärktes Knorpelzellwachstum. In der gleichzeitig vermehrten Matrix nimmt vor allem der Gehalt der Kollagenfasern zu. Übermäßige, sich wiederholende Belastungen führen jedoch zu katabolen Anpassungsvorgängen, die einer Atrophie des Gelenkknorpels entsprechen. In Gelenkknorpeln mit reduzierter Dicke sind das Wachstum von Knorpelzellen und die Matrixsynthese vermindert. Dabei kann ein fließender Übergang zu progressiven Veränderungen mit Knorpelzellnekrosen und anschließender Athropathia deformans bestehen (HUSKAMP et al. 1996).
Eine Belastung der Gelenke durch Training stimuliert die Synthese von Proteoglykanen, jedoch ist dieser Prozess abhängig von der Intensität und der Dauer der Belastung, von den Bodenverhältnissen und vom Alter des Pferdes. Moderates Training hat einen positiven Effekt auf den Gehalt an GAG im Knorpel bei adulten (PALMER et al. 1995b) und juvenilen Tieren (KIVIRANTA et al. 1988, SAAMANEN 1989, BRAMA et al. 1999a, 2000b). LITTLE et al. (1997) verglichen die Auswirkungen von moderaten und intensiven Trainingsbelastungen über 8 Wochen auf den Gelenkstoffwechsel bei 12 Trabern und kommen zu dem Schluss, dass intensives Renntraining die Synthese von Proteoglykanen signifikant und nachhaltig senkt. BRAMA et al.
innerhalb eines Gelenkes angepasst an unterschiedliche Belastungsintensitäten auch unterschiedliche Gehalte an Kollagen und Wasser auftreten.
Nach Immobilisierung einer Vordergliedmaße adulter Tiere über einen Zeitraum von 30 Tagen konnte im Knorpel des immobilisierten Beines im Vergleich zum belasteten Bein eine deutlich geringere Konzentration von Hexosamin, das als Index des Proteoglykangehaltes dient, gefunden werden. In der kontralateralen, belasteten Gliedmaße stieg die Konzentration des Hexosamins durch die gesteigerte Lastaufnahme an, zudem war im Gelenkknorpel der belasteten Gliedmaße die Inkorporation des 35S, Index der Proteoglykansynthese, nach 30 Tagen signifikant größer als in der ruhiggestellten Gliedmaße. Über eine kurze Zeitspanne hat eine Immobilisation im Gegensatz zu längerfristiger Immobilisation nur wenig Auswirkungen auf den Gelenkknorpel. Die kontralaterale Gliedmaße kann bedingt durch die vermehrte Lastaufnahme und den Veränderungen von Gehalt und Synthese der Proteoglykane nicht als Kontrolle dienen (RICHARDSON u. CLARK 1993).
Bedingt durch fortschreitendes Alter ergeben sich Veränderungen der Knorpelzusammensetzung und der Aktivität der Chondrozyten. Der Gehalt der Glykosaminoglykane sinkt im Alter ab, damit nimmt auch die Fähigkeit ab, Wasser zu binden, was zu einem Verlust der Elastizität im Knorpel führt. Zudem sinkt die Fähigkeit der Chondrozyten, auf eine Vielzahl von Stimuli zu antworten (SCHULZ u. DÄMMRICH 1991, BUCKWALTER u. LANE 1997, HEBELER 2001).
Sowohl Altersveränderungen als auch Anpassungsvorgänge an veränderte Belastungsbedingungen führen demnach zu Remodeling - Vorgängen im Knorpel. Ist die Zufuhr des Rohmaterials für den Knorpelumbau durch die Nahrung jedoch nicht in dem Maße sichergestellt, in dem es benötigt wird, wird die Knorpelsynthese beeinträchtigt und der Knorpel verliert seine Fähigkeit, sich zu regenerieren (HANSON 1996). Störungen in der Zufuhr von Substraten, insbesondere Glukose und Aminosäuren, die für den Knorpelaufbau essentiell sind, vermindern das Reparaturpotential der Chondrozyten erheblich (PLATT 2001).
Der adulte Gelenkknorpel hat nur eine sehr begrenzte Fähigkeit zur Regeneration, was zum einen durch die besondere Struktur der extrazellulären Matrix und zum anderen durch die fehlende Vaskularisation bedingt ist. Beide dieser histologischen Gegebenheiten sind essentiell für die Erhaltung der Kombination aus Druckfestigkeit und Elastizität des Knorpels.
Da die Struktur des ausgereiften Knorpelgewebes sich nicht mehr verändert, spielen die Einflüsse auf die Entwicklung des juvenilen Knorpels eine große Rolle (BARNEVELD u. VAN WEEREN 1999, VAN DEN HOOGEN 1999b). Der Alterseinfluss macht sich auch in der Synthese der Proteoglykane bemerkbar, denn mit zunehmendem Alter sinkt die Sensibilität des Knorpels für Stimuli, die eine gesteigerte Synthese bewirken sollen. Außerdem nimmt im Alter die Freisetzung der Gesamt - Proteoglykane aus dem Knorpel zu, wodurch der Gehalt im Knorpel sinkt. Als Folge sinkt auch der Wassergehalt und der Knorpel ist weniger widerstandsfähig gegen Druckbelastungen (VAN DEN HOOGEN et al. 1999a,b). Zudem weisen die Chondrozyten mit zunehmendem Alter eine geringere mitotische Aktivität auf und können nicht ersetzt werden, wenn sie zugrunde gehen oder geschädigt werden (BEALE 2004). Stoffwechselstörungen, Traumata oder Entwicklungsstörungen können daher zu dauerhaften Schädigungen der Gelenkgesundheit mit der Folge von progressiven osteoarthritischen Veränderungen führen.
1.2. Pathophysiologische Veränderungen des Gelenks und des Knorpels
Gelenkerkrankungen, speziell Osteoarthritiden, sind die am weitesten verbreiteten Ursachen für Lahmheiten beim Pferd und der Hauptgrund für eine Beeinträchtigung der Leistung von Sportpferden. Pathophysiologische Veränderungen des Knorpels basieren auf einem Ungleichgewicht zwischen Synthese und Abbau der Knorpelmatrix, unabhängig davon, ob der Reiz mechanisch, entzündlich oder immunologisch ist (OKUMURA et al. 2000). Arthrotische Erkrankungen sind progressive, degenerative Störungen von Gelenkanteilen, die verschiedene Ursachen haben können. Die Erkrankung kann schon durch ein einziges traumatisches Ereignis, das auf das Gelenk einwirkt, hervorgerufen werden, meist sind aber wiederholte Traumata verantwortlich. Außerdem beeinflussen das Alter des Pferdes, die Gelenkkonformation, Gliedmaßenfehlstellungen, Gelenkinfektionen und die Dauer, Art und Intensität der Belastung das Auftreten einer Osteoarthritis (FENTON et al. 1999, VAN WEEREN u. BARNEVELD 1999, ORTH et al. 2002).
Eine Osteoarthritis (OA) wird definiert als progressive Erkrankung der Gelenke mit einhergehender Knorpeldegeneration, Sklerose des subchondralen Knochens und randständiger Formation von Osteophyten. OA betrifft alle Strukturen im Gelenk (Knochen, Knorpel, Gelenkkapsel und Synovia) und geht meist einher mit Gelenkschmerzen, eingeschränkter Mobilität, Krepitus während der
jedoch tritt der Knorpelschaden meist schon auf, bevor radiologische Veränderungen nachweisbar sind. Zudem ist die Fähigkeit zur Reparatur von Gelenkknorpel insbesondere bei adulten Tieren sehr begrenzt. Beides führt zu einer Therapie, die rein palliativer Natur ist. Die Forschung fokussiert damit hauptsächlich auf die Prävention und therapeutische Intervention (Chondroprotektiva, Nutraceuticals) sowie auf die Früherkennung von Knorpeldegenerationen.
Erstes sichtbares Anzeichen einer Degeneration des Gelenkknorpels ist eine lokale Fibrillierung oder Unterbrechung in der oberflächlichen Knorpelschicht. Eine absinkende Konzentration der Proteoglykane und ansteigende Wasser - Gehalte gehen mit oberflächlicher Fibrillierung einher.
Wenn der Prozess fortschreitet, vertiefen sich die vorher oberflächlichen Veränderungen zu Spalten, der Knorpel wird aufgerauht, die Fibrillierung schreitet in die Tiefe des Gewebes fort, bis die Fissur den subchondralen Knochen erreicht. Gleichzeitig können Knorpelstücke aus dem Gewebe brechen und als freie Körper ins Gelenk gelangen. Die Dicke des Gelenkknorpels nimmt ab. Eine enzymatische Zerstörung der Matrix führt zu einem weiteren Verlust des Knorpelvolumens (BUCKWALTER u. LANE 1997, BROMMER et al. 2003). In osteoarthritischen Knorpelgeweben ist eine Abnahme des GAG - Gehaltes direkt proportional verbunden mit der Schwere der Erkrankung. Mit der Abnahme des GAG - Gehaltes im Gelenkknorpel geht auch ein Verlust der Elastizität und der Fähigkeit einher, Kräfte aufzunehmen und zu übertragen, was dazu führt, dass immer mehr Knorpel geschädigt wird, Knorpelsubstanz verloren geht und Chondrozyten absterben, da die Ernährung per Diffusion durch die Knorpelmatrix mit fortschreitender Schädigung und Verlust der Glykosaminoglykane absinkt (SCHULZ u. DÄMMRICH 1991, PALMER et al. 1995a, HANSON et al. 1997). Außerdem wird in arthritischen Gelenken das kollagene Netzwerk zerstört, wodurch Bestandteile des Kollagens in die Synovia freigesetzt werden. Eines dieser Bestandteile ist Hydroxy - Prolin, das als Marker für die Degradation des Gelenkknorpels dienen kann (VAN DEN BOOM et al. 2004).
Als Konsequenz der gesteigerten Abbau- und Turnover - Rate des Knorpels steigt auch die Konzentration von metabolischen Produkten wie Keratansulfat und Chondroitinsulfat an und diese können mithilfe von Immunoassays detektiert werden (FRISBIE et al. 1999, HAAPALA 2001).
Therapeutisch werden bei der klassischen medikamentösen Behandlung nicht-steroidale Antiphlogistika (NSAID) und steroidale Antiphlogistika (Glukokortikoide) eingesetzt. Beide Stoffgruppen weisen jedoch ein hohes Potential an Nebenwirkungen auf, wobei es u.a. zu
Blutungen im Gastrointestinaltrakt sowie zu einer Senkung der Knochenformationsrate und einem Anstieg der Knochenresorption kommen kann.
Aufgrund dessen wird nach neuen Therapieansätzen gesucht und zudem der Prävention von chronisch-progressiven Gelenkerkrankungen vermehrt eine Bedeutung zugemessen. Eingesetzt werden können Chondroprotektiva und Nutraceuticals (ORTH et al. 2002).
1.3. Knorpelmarker
Bei Erkrankungen der Gelenke wird die Integrität und der Metabolismus der Knorpelmatrix beeinträchtigt und Produkte sowohl der Matrixsynthese als auch der Matrixdegeneration werden in die Zirkulation freigesetzt. Die Erosion des Gelenkknorpels ist ein typischer Befund bei degenerativen Gelenkerkrankungen wie z.B. Osteoarthritis. Dabei werden Matrixmoleküle wie Kollagen, Proteoglykane und ihre Abbauprodukte in die Synovia und ins Blut freigesetzt (ALWAN et al. 1990). Biochemische Marker des Knorpel-Metabolismus ermöglichen es, die Gelenkgesundheit eines Pferdes zu beurteilen und die Auswahl einer Therapie zu erleichtern, bevor es im Gelenk zu irreversiblen Knorpeldegenerationen kommt (TODHUNTER et al. 1993a).
SHARIF et al. (1996) schlagen Glykosaminoglykane und Epitope, die als Seitenketten in den Proteoglykanen enthalten sind, wie z.B. Chondroitinsulfat oder Keratansulfat als Marker der Knorpelsynthese und -degradation vor. Die Messung der Knorpelmarker im Serum oder in der Synovia kann durch die Verwendung von spezifischen Glykosidasen gegen Chondroitin- oder Keratansulfat erfolgen (PALMER et al. 1995a), durch Elektrophorese, Ionenaustauscherchromatographie oder mit einem ELISA zur Messung von Keratansulfat (THONAR et al. 1985, SWEET et al. 1988, 1992, ALWAN et al. 1990, TODHUNTER et al. 1990, TODHUNTER et al. 1993a, b, OKUMURA et al. 2000, 2002).
Bei adulten Pferden findet sich kein deutlicher Unterschied in der Plasmakonzentration der Gesamt - GAG bezüglich ihres Geschlechts, dem Alter und nur sehr geringe Unterschiede hinsichtlich der Rasse. Jedoch ist bei trainierten Pferden die Konzentration der GAG sowohl im Serum als auch im Plasma signifikant höher als bei untrainierten Pferden. Zudem sind die Werte im Serum sowohl bei trainierten als auch bei untrainierten Pferden deutlich höher als im Plasma. Chondroitinsulfat und Keratansulfat stehen beim Pferd im Verhältnis 4 : 1. Durch Training kann dieses Verhältnis verändert werden. Der Anteil des Chondroitinsulfats am Gesamt - GAG - Gehalt beträgt im Serum
von trainierten und untrainierten Pferden im Durchschnitt 81 - 84 %, im Plasma von trainierten Pferden jedoch nur 75,5 % (FERLAZZO et al. 1991, 1997, CALATRONI et al. 1996).
Als weiterer Marker einer Knorpeldegeneration bzw. des Kollagenumsatzes kommt die Messung von Hydroxy - Prolin in der Synovia, im Serum oder Urin in Frage (JAESCHKE 1975, VAN DEN BOOM et al. 2004). Bei gelenkgesunden Pferden sinkt der Gehalt von Hydroxy - Prolin mit steigendem Alter, so haben neugeborene Fohlen deutlich höhere Konzentrationen als Fohlen im Alter von 5 bzw. 11 Monaten. Neugeborene Fohlen haben eine 11 -fach höhere Hydroxy - Prolin - Konzentration als adulte Tiere, ab einem Alter von 4 Jahren stellt sich ein lebenslang stabiles Plateau ein, was wiederum für eine begrenzte Regenerationsfähigkeit des Knorpels bei erwachsenen Pferden spricht (VAN DEN BOOM et al. 2004).
In Gelenken mit Osteoarthritis war kein signifikanter Anstieg des Hydroxy - Prolins in der Synovia zu verzeichnen, was zum einen als Folge eines niedrigen Knorpelumsatzes und zum anderen durch eine erhöhte Clearance der Aminosäure zu erklären ist. Einschränkend ist außerdem zu vermerken, dass Hydroxy - Prolin intermittierend und in Abhängigkeit vom Entzündungsgrad freigesetzt wird.
Die Konzentration von Hydroxy - Prolin korrelierte in erkrankten Gelenken jedoch deutlich mit dem Knorpel - Degenerations - Index und der Aktivität der Matrix - Metalloproteinasen und scheint daher ein Indikator für Knorpelschäden zu sein (VAN DEN BOOM et al. 2004).
1.3.1. Chondroitinsulfat
Chondroitinsulfat (CS) ist ein langkettiges Polymer mit sich wiederholenden Disaccharid - Einheiten (N-Acetyl-Galactosamin und D-Glucuronsäure) (EICH 1995, PLATT 2001). Es gehört zu den sulfatierten Glykosaminoglykanen. Im Gelenkknorpel ist es das dominierende Glykosaminoglykan, außerdem ist es noch in Sehnen, Knochen, Bandscheiben, Herzklappen und Kornea zu finden (HANSON 1996). Im Knorpel liegt der Großteil des Chondroitinsulfats in Form von Proteoglykanen vor (PLATT 2001).
1.3.1.1. Chondroitinsulfat als Marker des Knorpelstoffwechsels
Die Konzentration von CS in der Synovia und im Serum kann als Indikator dienen, um die Stoffwechselsituation im Knorpel beurteilen zu können und Erkrankungen des Gelenkes anhand des CS-Spiegels zu detektieren (FRISBIE et al. 1999). Damit eröffnet sich die Möglichkeit,
Gelenkschäden schonend und kostengünstig zu einem frühen Zeitpunkt zu detektieren, zu dem eventuell radiologisch und / oder arthroskopisch noch keine Befunde zu erheben sind.
Dabei weisen die Ergebnisse vieler Untersuchungen darauf hin, dass CS als Marker einer Knorpelsynthese dienen kann (GLADE 1990, POOLE et al. 1990, BASSLEER et al. 1992, BUCCI 1994, POOLE 1994, PALMER et al. 1995a, RONCA 1998, PLATT 2001).
BASLEER et al. (1992, 1998) postulieren, dass die Freisetzung von CS aus der Matrix während des normalen Knorpelstoffwechsels und nach traumatischen Einwirkungen eine Schlüsselrolle übernimmt und ein positiver Rückkopplungsmechanismus besteht, der die Reparatur des Matrixschadens stimuliert.
Über einen Zeitraum von 11 Monaten konnte bei 43 Fohlen ein Absinken der Konzentration von CS im Serum nachgewiesen werden (BILLINGHURST et al. 2003).
Die Konzentration von CS ist bei trainierten Pferden im Serum deutlich höher als bei untrainierten.
Dieser Unterschied ist auf eine gesteigerte Freisetzung aus dem Knorpel zurückzuführen, in dem unter Belastung Proteoglykane degenerieren und die darin enthaltenen Seitenketten freigesetzt werden (CALATRONI et al. 1996). Dagegen fanden BILLINGHURST et al. (2003) keinen Einfluss von Trainingsbelastungen auf den Gehalt von CS im Serum von Fohlen.
In der Synovia von Gelenken mit Osteoarthritis und im Serum von an Osteoarthritis erkrankten Pferden ist die Konzentration des 846 - Epitops von CS signifikant höher als in gesunden Gelenken, wobei die Konzentration des Epitops in der Synovia etwa 15 mal höher war als die im Serum. Mit steigendem Schweregrad der Erkrankung steigt auch die Konzentration des 846 - Epitops von CS in der Synovia signifikant linear an (FRISBIE et al. 1999).
PALMER et al. (1995a) berichten von einer deutlich erhöhten Konzentration von CS in der Synovia bei Pferden mit akuten und chronischen Gelenkerkrankungen im Vergleich zu den Werten bei gesunden Tieren. Zudem war auch die Konzentration von CS bei Pferden mit arthroskopisch nachgewiesenen Gelenkdefekten, die keine klinischen und radiologischen Anzeichen einer Gelenkerkrankung zeigten, signifikant erhöht. Die Autoren vermuten, dass im osteoarthritischen Knorpelgeweben mittels CS versucht wird, den Knorpel zu reparieren.
Tabelle 2.1. zeigt eine Übersicht über die in der Literatur beschriebenen Chondroitinsulfat - Konzentrationen in verschiedenen Geweben.
Tab. 2.1.: Übersicht über Chondroitinsulfat - Konzentrationen in verschiedenen Geweben Substrat Einheit Gelenkstatus Konzentration Literaturquelle
Synovia µg / mg gesund 12,1 ± 2,7
Synovia µg / mg akut moderat 74,9 ± 7,7 Synovia µg / mg akut schwer 94,8 ± 19,8 Synovia µg / mg chronisch moderat 45,5 ± 7,8 Synovia µg / mg chronisch schwer 87,9 ± 17,7
PALMER et al. (1995)
Serum mg / l gesund, trainiert 3,12 ± 1,2
Serum mg / l gesund, untrainiert 1,52 ± 0,4 CALATRONI et al. (1996) Knorpel mg / 100 mg TS gesund 5,33 ± 0,49 VACHON et al. (1990) HAAPALA et al. (2001) fanden nach der Immobilisation einer Gliedmaße bei Hunden über 11 Wochen eine um 62 % reduzierte CS - Konzentration in der Synovia. Nach Meinung der Autoren reflektiert dieser Abfall einen reduzierten Gehalt von Proteoglykanen im Knorpel und damit eine reduzierte Stoffwechselrate.
Die Synthese von Kollagen und Proteoglykanen konnte in gesundem und arthritischem Knorpelgewebe des Pferdes durch exogenes CS stimuliert werden. Knorpel mit degenerativen Schäden reagierte dabei sensitiver auf die Stimulation als gesunder Knorpel (GLADE 1990).
RONCA et al. (1998) zeigten, dass intakte CS - Moleküle und partiell hydrolysierte CS - Fragmente in vitro eine Leukozyten - Phagozytose reduzieren, die Freisetzung von lysozymalen Enzymen senken und die Plasmazellmembran vor freien Radikalen schützen konnte.
Diese Untersuchungen zeigen, dass CS oder dessen Fragmente eine antiinflammatorische Aktivität aufweisen und dass CS fähig ist, einen Anstieg der anabolen Aktivität in den Chondrozyten zu stimulieren, was zu einem Anstieg der Produktion von Proteoglykanen, Glykosaminoglykanen und Hyaluronsäure und zu einer verminderten Freisetzung von katabolen Enzymen führt (BUCCI 1994, PLATT 2001).
1.3.2. Keratansulfat
Keratansulfat ist ein Glykosaminoglykan und ebenso wie Chondroitinsulfat ein wichtiger Bestandteil des großen aggregierenden Proteoglykans (Aggrecan) der extrazellulären Matrix des Gelenkknorpels. Es besteht aus sich wiederholenden N - Acetyl - Glucosamin - und Galactose - Einheiten (TODHUNTER et al. 1993b, EICH 1995, OKUMURA et al. 2000) und kommt zu 95 % im Gelenkknorpel vor (THONAR u. GLANT 1992). Im Blut hat Keratansulfat beim Menschen eine
kurze Halbwertszeit von ca. 50 min und zeigt keine circadiane Rhythmik. Weder durch Trainingsbelastungen noch durch Bettruhe veränderte sich der KS - Spiegel beim gesunden Erwachsenen (THONAR u. GLANT 1992).
Es werden zwei Keratansulfat - Typen beschrieben (EICH 1995):
1. Keratansulfat Typ I kommt vor allem in der Cornea vor
2. Keratansulfat Typ II wird auch skelettales Keratansulfat genannt. Es wird nochmals unterteilt in artikuläres und nicht - artikuläres, tracheales Keratansulfat. Mit Keratansulfat vom Typ II substituierte Proteoglykane kommen besonders in lockerem Bindegewebe und im Knorpel der Gelenke und Zwischenwirbelscheiben vor (EICH 1995).
Die Identifikation von immunoreaktiven Keratansulfat - Fragmenten in der Synovia oder im Plasma kann als Marker einer Zerstörung der Proteoglykane genutzt werden. Der Hauptteil des Keratansulfats in der Synovia stammt aus dem Gelenkknorpel und repräsentiert die Abbauprodukte des Proteoglykans (ALWAN et al. 1990, RATCLIFFE et al. 1992, FRISBIE et al.1999).
Daher ist Keratansulfat (KS) als ein Marker für die Repräsentation einer katabolen Aktivität des Knorpels einzustufen. Ansteigende Serumkonzentrationen korrelieren mit einer frühen Knorpeldegeneration und treten auf, bevor erste klinische Symptome einer Osteoarthritis sichtbar werden und die Menge der freigesetzten KS - Moleküle ist proportional mit der Rate des Katabolismus im Gelenkknorpel (THONAR et al. 1985, POOLE et al. 1990, TODHUNTER et al.
1990, 1993b, POOLE 1994, OKUMURA et al. 1997, FENTON et al. 1999, MISUMI et al. 2002).
OKUMURA et al. (2000) postulieren ebenfalls, dass die KS - Konzentration keine Synthese der Knorpelmatrix, sondern vielmehr die Degradation der Matrix repräsentiert. Auch ORTH et al.
(2002) sehen KS als ein Indikator des Abbaus von Proteoglykanen.
Die Messung der Konzentration von KS im Serum wurde bereits in einigen Spezies (Hund, Pferd) durchgeführt und der ELISA als diagnostischer Test ist für das Pferd validiert worden (THONAR et al. 1988, ALWAN et al. 1990, TODHUNTER et al. 1990, 1993a,b, 1997, THONAR u. GLANT 1992, OKUMURA et al. 1997, OKUMURA u. FUJINAGA 1998). Tabelle 2.2. zeigt eine Übersicht über die Konzentrationen von KS in verschiedenen Geweben beim Pferd.
Tab. 2.2.: Konzentration von Keratansulfat in verschiedenen Geweben
Substrat Einheit Gelenkstatus Konzentration Literaturquelle
Synovia µg / ml gesund 7,6 ± 1,2
Synovia µg / ml chronisch moderat 25,2 ± 5,1 Synovia µg / ml chronisch schwer 30,3 ± 5,7
PALMER et al. (1995) Serum mg / l gesund, trainiert 0,54 ± 0,28
Serum mg / l gesund, untrainiert 0,25 ± 0,25 CALATRONI et al. (1996) Knorpel mg / 100 mg TS gesund 1,99 ± 0,36 VACHON et al. (1990) 1.3.2.1. Einflussfaktoren auf die Konzentration von Keratansulfat beim Pferd
Alter
Mit steigendem Alter sinkt die Konzentration von KS bei Pferden ab (OKUMURA et al. 1997, TODHUNTER et al. 1997, MISUMI et al. 2002).
OKUMURA et al. (1997) überwachten die Entwicklung der KS - Konzentrationen im Serum von 12 gesunden und 3 gelenkerkrankten Fohlen von der Geburt bis zum Alter von 18 Monaten. Bis zum Alter von 3 Monaten war die Konzentration des KS mit Werten von ca. 4000 - 5000 ng/ml sehr hoch, von Monat 3 - 5 an sank diese dann ab und erreichte dann langsam ähnliche Werte wie bei adulten Tieren. Im Alter von 18 Monaten lag die KS - Konzentration der Tiere bei ca. 200 ng/ml.
Fohlen bis zum Alter von 3 Monaten hatten dabei signifikant höhere Werte als Fohlen im 4.
Lebensmonat, die Autoren gehen daher von einem altersabhängigen Abfall der KS - Werte aus.
Dies suggeriert, dass die Knorpelstoffwechsel - Rate in der initialen Wachstumsphase hoch ist und die Gelenke von Fohlen in dieser Phase anfällig für jede Art von Überbelastung sind. Während der ersten 3 Lebensmonate war die Konzentration außerdem bei männlichen Fohlen deutlich höher als bei weiblichen, was auf eine höhere Wachstumsrate der männlichen Tiere zurückzuführen sein könnte. Bei 3 Fohlen, die ab dem 3. Monat eine Gelenkerkrankung entwickelten, waren die KS - Werte zu den Zeitpunkten 1. Woche, 1., 2. und 3. Monat höher als bei den gesunden Tieren.
TODHUNTER et al. (1997) fanden bei klinisch gesunden Fohlen im Plasma ebenfalls deutlich höhere KS - Werte als bei klinisch gesunden adulten Tieren (Fohlen: MW ± SD: 580 ± 124 ng/ml, Adulte: ca. 200 ng/ml).
Auch nach MISUMI et al. (2002) haben junge Pferde einen höheren KS - Spiegel im Serum als ältere, PALMER et al. (1995a) statuieren dagegen, dass der KS - Gehalt in der Knorpelmatrix im Alter ansteigt und zudem heterogener in der Ausprägung wird.
Trainingsbelastung
Gesunde Athleten weisen im Serum signifikant höhere Konzentrationen von KS auf als gesunde Menschen, die keinen Sport betreiben. Bei Sportlern steigt die Konzentration nach der Belastung an, was einen Effekt der mechanischen Belastung widerspiegelt (ROOS et al. 1995).
SWEET et al. (1992) untersuchten die Auswirkungen von Trainingsbelastungen auf den Knorpelmetabolismus bei 15 Marathonläufern vor, direkt nach dem Lauf und 48 h später. Die Konzentration von KS zeigte in dieser Studie keine statistisch gesicherten Unterschiede zu den 3 Zeitpunkten. Weiterhin bestand zu keinem Zeitpunkt eine Korrelation zwischen Alter, Körpergröße, Gewicht und Leistung und der Serum - Konzentration von KS. Die Autoren denken, dass vorsichtig trainierte Marathonläufer weder vorübergehend noch dauerhaft einen Anstieg des Proteoglykan - Katabolismus im Gelenkknorpel zeigen.
Bei trainierten Pferden ist die Konzentration von KS deutlich höher als bei untrainierten. Dieser Unterschied ist auf eine gesteigerte Freisetzung aus dem Knorpel zurückzuführen, in dem unter Belastung Proteoglykane degenerieren und die darin enthaltenen Seitenketten freigesetzt werden (CALATRONI et al. 1996).
OKUMURA et al. (2002) untersuchten die Auswirkungen von täglicher Trainingsarbeit auf die Konzentration von KS im Serum über einen Zeitraum von 3 Monaten. Dazu verglichen sie jeweils 10 2-, 3- und 4- jährige Vollblüter, die im Training waren, mit derselben Anzahl gleichaltriger Tiere, die untrainiert auf der Weide gehalten wurden. Bei täglich trainierten Pferden zeigte sich in der Gruppe der 2-jährigen ein deutlich höherer KS - Wert als in beiden anderen Altersgruppen im Training. Trainierte 2 - jährige hatten zudem signifikant höhere KS - Konzentrationen als untrainierte 2 - jährige Tiere. Gleichgerichtete Tendenzen fanden sich auch in den beiden anderen Altersgruppen. Tägliches Renntraining ist ein erheblicher Stressfaktor für die Gelenke und kann zu einer Knorpeldegeneration und zur Freisetzung von Matrixbestandteilen wie Keratansulfat führen.
In einem weiteren Versuchsteil wurde bei 5 gesunden Pferden direkt nach der Belastung ein signifikant höherer KS - Gehalt gemessen als vor der Belastung. Zu den Zeitpunkten 1h, 5 h, 9 h und 24 h nach der Belastung war die Konzentration erneut auf demselben Level wie vor der Belastung. Dieser rapide Rückgang auf die Ausgangswerte erklären die Autoren mit einer raschen Clearance aus dem Blut.
Tägliches Longieren im Trab und Galopp mit einer Dauer von 20 Minuten führte bei Quarter Horse - Jährlingen zu keinen deutlichen Veränderungen der KS – Konzentrationen im Serum, ebenso wie ein tägliches Schrittprogramm über 2 Stunden (FENTON et al. 1999). Die durchgeführten Trainingsprogramme waren wahrscheinlich nicht intensiv genug, um Veränderungen des Knorpelstoffwechsels zu induzieren und unterschieden sich zudem bezüglich der Intensität kaum, so dass auch zwischen beiden Gruppen keine Differenzen erkennbar wurden.
Haltung
BELL et al. (2001) verglichen bei 17 Araberfohlen über 56 Tage die Effekte von Stallhaltung, Weidehaltung und gemischter Haltung (12 h Weide, 12 h Stall) auf die KS - Konzentration im Serum. Zwischen den Gruppen waren keine deutlichen Differenzen erkennbar. Die Weide - Gruppe zeigte einen deutlichen Abfall der KS - Werte zum Tag 28, die bis zum Tag 42 niedrig blieben. Die Konzentrationen der Stall - Gruppe sank ebenfalls signifikant von Tag 14 bis 56 ab. In der dritten Gruppe (gemischte Haltungsformen) konnten keine Veränderungen beobachtet werden. Die Autoren führen diese Abfälle auf einen Alterseffekt zurück.
Pathophysiologische Veränderungen
Frühere Studien von Serum - Markern des Knorpelkatabolismus zeigen beim Menschen einen deutlich erhöhten KS - Spiegel bei Patienten mit Osteoarthritis im Vergleich mit gelenkgesunden Patienten (THONAR et al. 1985, SWEET et al. 1988, THONAR u. GLANT 1992). In der Veterinärmedizin konnte ebenfalls ein signifikanter Anstieg von KS im Serum von Hunden mit posttraumatischer Osteoarthritis (THONAR et al. 1995), Kaninchen (KONGTAWELERT et al.
1989) und im Serum und der Synovia von Pferden mit Osteoarthritis im Vergleich zu Werten von gesunden Tieren gezeigt werden (ALWAN et al. 1990, TODHUNTER et al 1993b, PALMER et al.
1995a, OKUMURA et al. 1997, OKUMURA u. FUJINAGA 1998) (Tab. 2.2.). Dagegen fanden einige Autoren, dass bei Hunden und Kaninchen (LEIPOLD u. LUST 1989, MEHRABAN u.
MOSKOWITZ 1989) und bei Pferden (TODHUNTER et al. 1997, FRISBIE et al. 1999, MISUMI et al. 2002) mit Osteoarthritis keine höheren KS - Konzentrationen im Vergleich mit gesunden Individuen zu verzeichnen waren. Die Autoren zweifeln an, dass KS alleine ein geeigneter Marker ist, um die Gelenkgesundheit zu beurteilen.
ALWAN et al. (1990) fanden mittels eines ELISA bei 36 Pferden mit Osteoarthritis sowohl in der Synovia als auch im Serum deutlich höhere KS - Konzentrationen als bei 30 gesunden Tieren.
Die Konzentrationen im Serum waren dabei wesentlich niedriger als in der Synovia und beide waren nicht korreliert. Die hohe Konzentration des KS ist das Ergebnis eines Abbaus der Proteoglykane im Knorpel. Frühere humanmedizinische Studien belegen, dass abgebaute Proteoglykane schnell aus der Matrix in die Zirkulation diffundieren und dass die Konzentration des KS im Serum proportional zur Katabolismusrate der Proteoglykane im Knorpel ist (THONAR et al.
1985). Dass die KS - Konzentration im Serum niedriger ausfällt als in der Synovia erklären die Autoren daher mit einer rapiden Clearance der KS- Moleküle aus dem Blutkreislauf.
PALMER et al. (1995a) berichten ebenfalls von einer signifikant erhöhten Konzentration von KS in der Synovia von Pferden mit chronischen Gelenkerkrankungen im Vergleich zu den Werten bei gesunden Tieren. Die Autoren sehen dies als Reflektion einer deutlichen Matrix - Destruktion und bewerten KS als knorpelabbauenden Marker.
TODHUNTER et al. (1993b) fanden, dass die Konzentration von KS im Serum und der Synovia bei Ponies mit chirurgisch hervorgerufenen osteochondralen Defekten (fokaler Defekt) oder nach Injektion von chondrolytischen Agenzien (Chymopapain, generalisierter Defekt) ansteigt.
Chymopapain ist eine Serin - Proteinase, die Proteoglykane angreift und KS in die Synovia und in die Zirkulation freisetzt. Ponies mit Gelenkdefekten, die durch chondrolytische Agenzien hervorgerufen wurden, hatten in der Synovia eine 5 mal höhere und im Plasma eine 10 mal höhere KS - Konzentration als gesunde Tiere, außerdem waren diese Maxima 3 mal höher als bei Tieren, die einen chirurgisch erzeugten Gelenkdefekt hatten. Diese Unterschiede sind auf das Ausmaß der Schädigung zurückzuführen (fokal oder generalisiert).
Dagegen konnten MISUMI et al. (2002) zeigen, dass der mittlere KS - Gehalt im Serum von Pferden mit Osteoarthritis niedriger lag als in den Kontrollseren. Die Autoren führen dies auf einen Verlust von Knorpelmasse in erkrankten Gelenken zurück, auch wenn der Nachweis dafür bisher fehlt. Nach Meinung der Autoren ist die signifikante Reduktion des Serum - KS bei Pferden mit Osteoarthritis assoziiert mit dem Auftreten höherer Werte bei jungen Pferden in der Kontrollgruppe.
Daher kommen sie zu dem Schluss, dass es schwierig ist, Schädigungen am Knorpel nur anhand des Serum - KS - Gehaltes zu beurteilen.
In einer Studie von TODHUNTER et al. (1997) konnte ebenfalls kein deutlicher Anstieg des KS -
im Plasma von Pferden mit Chipfrakturen, entzündlicher oder infektiöser Arthritis oder Osteochondrosis signifikant höher als bei klinisch gesunden Tieren. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass KS für sich genommen kein spezifischer Marker bei Gelenkerkrankungen ist, aber durch verschiedene Gelenkerkrankungen beeinflusst wird. Zudem scheint die Rasse, das Geschlecht und der Typ der Gelenkserkrankung die Konzentration von KS in der Synovia zu beeinflussen.
Traber mit Chipfrakturen im Karpalgelenk weisen signifikant höhere KS - Konzentrationen in der Synovia auf als Vollblüter mit identischen Erkrankungen.
Auch FRISBIE et al. 1999 finden keine Veränderungen des KS - Wertes bei degenerativen Gelenkerkrankungen beim Pferd.
2. Knochen und Knochenstoffwechsel
Dem Knochengewebe kommen folgende Funktionen zu (WATTS 1999):
1. mechanisch: Unterstützung und Befestigung von Muskeln für die Bewegung 2. schützend: für Organe und Knochenmark
3. metabolisch: Reserve von Calcium und Phosphor
Um diese Aufgaben erfüllen zu können, ist Knochengewebe ein hochspezialisiertes, sehr stoffwechselaktives Gewebe, das zeitlebens durch An- und Abbauvorgänge seine Architektur an veränderte Belastungsansprüche anpassen kann. Diese hohe biologische Plastizität ist um so erstaunlicher, wenn man bedenkt, dass Knochen nach dem Zahnbein (Dentin) die härteste Substanz des Körpers ist.
2.1. Knochenaufbau
Im Körper kann man Knochentypen nach ihrer Form unterscheiden, flache Knochen (Schädelknochen, Schulterblatt) und lange Knochen (Femur, Tibia, Humerus), und nach ihrem Aufbau, kortikaler und trabekulärer Knochen, die sich in Struktur und Funktion voneinander unterscheiden (BARON 1993, CHRISTENSON 1997).
Kortikaler Knochen hat im Skelett einen ungefähren Anteil von 80 %. Er ist die Hauptkomponente in den langen Röhrenknochen und übernimmt mit einer Kalzifizierungsrate von 80 - 90 % mechanische, strukturelle und schützende Aufgaben. Seine Stoffwechselaktivität ist relativ gering.
Die verbleibenden 20 % des Skelettes werden von trabekulären Knochen gestellt, die eine hohe Stoffwechselaktivität aufweisen und als Reservoir für Mineralien dienen, allerdings nur zu 5 - 20 % kalzifiziert sind (BARON 1993, CHRISTENSON 1997, WATTS 1999).
Knochengewebe besteht aus drei Komponenten:
1. organische Matrix (Osteoid)
2. anorganische Komponente (Mineralien) 3. Zellen
Biochemisch gesehen besteht der Knochen aus organischer Matrix, die durch Einlagerung einer calciumreichen, anorganischen Mineralphase verstärkt und stabilisiert wird. Dabei besteht Knochenmasse zu 30 - 40 % aus der organischen, nicht mineralisierten Matrix (Osteoid, bindegewebiges Grundgerüst) und zu 60 - 70 % aus dem anorganischen, mineralisierten Anteil (Hydroxylapatit-Kristalle).
Die organische Komponente wird durch die Knochenmatrix (Osteoid) repräsentiert und besteht aus Kollagenfasern und einer glucosaminreichen Grundsubstanz. Das Osteoid besteht zu 90 % aus Kollagen Typ - I und zu 10 % aus nicht - kollagenen Proteinen, von denen Osteocalcin das bekannteste ist und ca. 25% der nicht - kollagenen Proteine in der Knochenmatrix repräsentiert (LEPAGE et al. 1990, BARON 1993, ERIKSEN et al. 1993, SEIBEL et al. 1993, WATTS 1999, LIESEGANG 2000). Kollagen - Typ I besteht aus zwei identischen Polypeptidketten und einer dritten, strukturell ähnlichen, aber genetisch verschiedenen Kette (WITHOLD 1996). Die Quervernetzungen der Kollagenmoleküle untereinander bestehen aus kovalenten Crosslink - Molekülen. Die Kollagenmoleküle sind untereinander in einer Netzstruktur angeordnet.
Die anorganische Komponente besteht aus Mineralstoffen, und zwar vornehmlich aus:
1. Calciumphosphat (85-90%), 2. Calciumcarbonat (8-10%), 3. Magnesiumphosphat (1,5%) und 4. Calciumfluorid (0,3%)
Die Mineralien liegen als kristalline Raumgitter (= Hydroxylapatit) den Kollagenfasern außen an, umgeben von proteoglycanreicher Grundsubstanz. Die Einzelkristalle sind nadelförmig, die Stabilität des Knochens wird von der Verbindung des Hydroxylapatits mit der Kollagenfaser bestimmt.
Im Knochengewebe werden drei unterschiedliche Zelltypen unterschieden: Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten.
Osteoklasten lösen als knochenabbauende Zellen enzymatisch die mineralisierte Knochenmatrix auf, sie sind besonders aktiv in der frühen Phase des Remodelings. Sie entwickeln sich durch die Fusion von Zellen der mononukleären Zelllinie und sind daher vielkernige Riesenzellen (MUNDY 1993, RISTELI u. RISTELI 1993, SEIBEL et al. 1993, CHRISTENSON 1997).
Osteoklasten befinden sich im direkten Kontakt mit einer kalzifizierten Knochenoberfläche oder in Lakunen. Durch Ausschüttung von verschiedenen proteolytischen Enzymen (Carboanhydrase, ATPase, TPPase, saure und neutrale Phosphatasen und Cytochromoxidase) und Wasserstoffionen aus den apikal gelegenen Vesikeln löst der Osteoklast Knochensubstanz auf und formt eine Lakune (MUNDY 1993, SEIBEL et al. 1993).
Osteoblasten sind als hochspezialisierte Zellen verantwortlich für die Produktion der Matrixkomponenten Kollagen und Grundsubstanz (BARON 1993, PUZAS 1993) und können sich nicht mehr teilen. Osteoblasten sind Zellen, die für die Formation von Knochen verantwortlich sind, sie lagern sich an den Rand von durch Osteoklasten geschaffenen Lakunen und produzieren dort neue, noch nicht mineralisierte Knochenmatrix (Osteoid) (CHRISTENSON 1997). Nachdem die Lakune vollständig mit Osteoid angefüllt ist, was ca. 80 Tage dauert, kommt die Knochenformation zum Stillstand. Während der Mineralisation des Osteoids werden einige Osteoblasten in die Knochenmatrix eingelagert und werden dort zu Osteozyten (CHRISTENSON 1997). Die Mineralisation der neugebildeten Knochenmatrix erfolgt erst nach einer Phase der Osteoidreifung.
Dieser Prozess wird wahrscheinlich durch einige der nicht - kollagenen Matrixproteinbestandteile, wie z.B. Osteocalcin und Osteonectin, direkt beeinflusst (SEIBEL et al. 1993).
Osteozyten sind reife Knochenzellen. Sie liegen eingebettet in der Knochenmatrix und entstehen aus Osteoblasten, wenn diese in die Matrix eingelagert werden, welche kalzifiziert wird. Nur etwa 10 - 20 % der Osteoblasten wandeln sich zu Osteozyten um, die restlichen Osteoblasten bestimmen selbst während des Prozesses der Knochenformation ihren Untergang durch das Einmauern in eine Knochenlakune durch Kalzifizierung. Zum Zeitpunkt der vollständigen Einbettung der Osteozyten
in die Knochenmatrix sinkt die metabolische Aktivität rapide ab, da die Ernährung der Zelle durch Diffusion nicht mehr gewährleistet ist. Für die notwendige Versorgung der Osteozyten stehen diese untereinander durch zahlreiche lange Zellausläufer in Verbindung. Während der Knochenresorption durch die Osteoklasten werden die Osteozyten zusammen mit der extrazellulären Knochenmatrix phagozytiert (BARON 1993, PUZAS 1993).
Die Biosynthese von Knochengewebe läuft in drei Phasen ab (RISTELI u. RISTELI 1993, KENT 1997):
1. Intrazelluläre Synthese der Vorläufermoleküle der Knochenmatrix durch Osteoblasten (Kollagen Typ I, Osteocalcin, Proteoglykane, Alkalische Phosphatase)
2. Sekretion und extrazelluläre Reifung der Moleküle in der Knochenmatrix 3. Mineralisation der Knochenmatrix
2.2. Regulation des Knochenstoffwechsels
Die Regulation des Knochenstoffwechsels wird gewährleistet durch die Kontrolle der intra- und extrazellulären Konzentrationen von drei Ionen, Calcium, Magnesium und Phosphor, durch drei Hormone, Parathormon, Calcitonin und 1,25 - Dihydroxyvitamin D, an drei verschiedenen Geweben, Knochen, Gastrointestinaltrakt und Niere (BIKLE 1993).
Parathormon (PTH) ist ein Polypeptidhormon, das in der Nebenschilddrüse produziert und als Antwort auf eine Hypocalcämie freigesetzt wird. PTH hemmt die Osteoblastenaktivität und stimuliert indirekt die Osteoklasten, woraufhin es zum Knochenabbau mit Freisetzung von Calcium und Phosphat kommt. In der Niere verursacht Parathormon über eine Hemmung der Phosphatrückresorption eine erhöhte Phosphatausscheidung sowie eine verminderte Ausscheidung von Calcium durch eine erhöhte tubuläre Rückresorption. Parathormon hebt also den Ca - Spiegel im Blut und senkt gleichzeitig die Phosphat - Konzentration (BIKLE 1993, DAHME u. WEISS 1999).
Calcitonin reguliert als Gegenspieler des PTH ebenfalls den Knochenstoffwechsel. Calcitonin ist ein Polypeptidhormon, das in den C - Zellen der Schilddrüse produziert und bei einer Hyperkalzämie ausgeschüttet wird. Es hemmt die Osteoklastenaktivität, erhöht den Calcium- und Phosphor - Einbau in die Knochen und die Calcium- und Phosphatausscheidung in der Niere und
verursacht so eine Senkung des Calcium- und Phosphatspiegels (BIKLE 1993, DAHME u. WEISS 1999).
Weitere Substanzen, die regulierend in den Knochenstoffwechsel und das Wachstum eingreifen sind Somatotropin, Östrogene und Androgene, Vitamin A, D und C sowie diverse Wachstumsfaktoren ( TGF - ß, IGF) (DAHME u. WEISS 1999).
BREIDENBACH et al. (1998) finden beim Pferd im Gegensatz zu anderen Spezies keinen Einfluss von Vitamin D auf die Regulation der Calcium- und Phosphor - Homöostase.
2.3. Wachstum, Modeling und Remodeling
Für das Knochengewebe sind drei Umbaumechanismen beschrieben worden (FROST 1991):
1. Wachstum 2. Modeling 3. Remodeling
Knochen ist ein hochspezialisiertes, dynamisches und stoffwechselaktives Gewebe und als solches ständigen Veränderungen und Anpassungsvorgängen unterworfen. Die Knochenmasse selbst wird dabei durch fortlaufende An- und Abbauprozesse bestimmt, welche ihrerseits durch unterschiedlichste endogene und exogene Faktoren beeinflusst werden (SEIBEL et al. 1993 ROBINS u. NEW 1997). Beim erwachsenen Menschen werden pro Jahr etwa 10 % der Knochenmasse ersetzt (CHRISTENSON 1997, ROBINS u. NEW 1997).
Die Umsatzrate des Knochengewebes wird charakterisiert durch zwei gegenläufige, aber sich ergänzende metabolische Aktivitäten (LEPAGE et al. 2001):
1. Resorption des alten Knochens durch Osteoklasten und
2. Formation bzw. Apposition von neuem Knochen durch Osteoblasten
Das Skelettwachstum junger Tiere ist charakterisiert durch eine hohe Stoffwechselrate und Wachstum und Formation dominieren. Beim gesunden, adulten Tier sind Formation und Resorption konstant zur Erhaltung der Knochenmasse gekoppelt (MÄENPÄÄ et al. 1988, BLACK et al. 1999).
Die Gesamt - Knochenmasse hängt dabei ab vom Maximum, den die Knochenmasse während des Wachstums annimmt, und der altersbedingten Verlustrate im späteren Leben (REID u. NEW 1997).
2.3.1. Wachstum
Während der Wachstumsphase ist die Stoffwechsel - Rate bei Pferden auf einem sehr hohen Niveau, um ein appositionelles Wachstum und eine Verstärkung der langen Röhrenknochen zu gewährleisten. Dabei überschreitet die Formationsrate die Resorptionsrate (BELL et al. 2001).
In der Wachstumsphase wird während der enchondralen Ossifikation das zunächst als Platzhalter fungierende Knorpelgewebe durch Knochengewebe ersetzt. Wachstum entsteht durch eine Zunahme der Zellzahl und der Interzellularsubstanz und wird durch den Schluss der Epiphysenfugen und damit dem Erreichen der Skelettreife gestoppt (FROST 1991). Die Epiphysenfugen der Gliedmaßenknochen wachsen unterschiedlich schnell und beenden das Wachstum durch Verknöcherung (Epiphysenfugenschluss). Eine Übersicht über den Zeitpunkt des Epiphysenfugenschlusses beim Pferd gibt Tabelle 2.3. Beim Pferd sind die Epiphysenfugen mit 2,5 - 3 Jahren geschlossen, die Ausreifung des Skelettes vollzieht sich jedoch noch bis zum 5. - 6.
Lebensjahr (HUSKAMP et al. 1996).
Das schnellste postembryonale Wachstum erfolgt in drei Phasen (HUSKAMP et al. 1996):
1. im ersten Lebensmonat
2. zwischen 6. und 12. Lebensmonat 3. mit Eintritt in die Geschlechtsreife
Tab. 2.3.: Übersicht über den Epiphysenfugenschluss beim Pferd (modifiziert nach HUSKAMP et al. 1996)
Epiphysenfuge Epiphysenfugenschluss (Monate)
Ossa digitorum (manus / pedis) 6 - 9
Ossa metacarpalia III -distal 9 - 12
Radius -proximal 12 - 18
-distal 24 - 30
Humerus -proximal 36
-distal 12 - 18
Tibia -proximal 24 - 30
-distal 12 - 18
Femur 24 - 30
Tuber olecrani 24 - 30
Tuber calcanei 24 - 30
2.3.2. Modeling
Das Modeling bezieht sich auf den noch wachsenden Knochen. Entsprechend der Größenzunahme werden dabei neue Knochengewebsstrukturen gebildet und überflüssig gewordene Strukturen abgebaut. Mit der Umfang- und Längenzunahme des wachsenden Knochens geht ein fortlaufender Umbau der Innenarchitektur, der Spongiosa einher. Diese ist dabei unter gleichzeitiger Anpassung an die mechanische Belastung, die auf den Knochen einwirkt, primär wachstumsorientiert. Als Antwort auf veränderte mechanische Ansprüche wird die Bälkchenstruktur der Spongiosa abgebaut und durch ein funktionell orientiertes System aus Zug- und Druckspannungstrajektoren ersetzt. Die Belastbarkeit des wachsenden Knochens bleibt dabei erhalten. Modeling ist ein Vorgang, bei dem formative Prozesse überwiegen und der die Summe der Knochenmasse verändert. Er dient der Bestimmung der Knochenform und ist der Prozess, durch den das juvenile Skelett wächst und seine adulte Form erhält (NIELSEN et al. 1997).
2.3.3. Remodeling
Auch nach Abschluss des Wachstums, Modelings und der Ausbildung der endgültigen Struktur unterliegt das Skelett zeitlebens Umbauvorgängen, die als Anpassung des Skelettes an die sich ständig ändernden biomechanischen Belastungen zu werten sind und als Remodeling bezeichnet werden.
Remodeling erfüllt verschiedene Aufgaben (NIELSEN et al. 1997):
1. Es spielt eine homöostatische Rolle und kann, wenn benötigt, eine große Menge Calcium aus dem Skelettsystem bereitstellen.
2. Entspricht die Struktur und der Aufbau des primären Knochens nicht den mechanischen Anforderungen, passt Remodeling den Knochen an veränderte Belastungsbedingung an.
3. Mikroläsionen in Knochen, die durch Überbelastungen auftreten, werden durch Remodeling repariert.
Remodeling ist essentiell für die Knochengesundheit. Um die mechanische Integrität des Skelettes zu sichern, untersteht das Knochengewebe daher einer kontinuierlichen, präzise regulierten Erneuerung. Dieser Prozess besteht aus Auflösung des Knochens (Resorption) gefolgt von der Synthese neuer Knochenmatrix mit anschließender Mineralisation (Formation). Beide Ereignisse sind miteinander gekoppelt, aber nicht zwingend ausbalanciert (ERIKSEN u. LANGDAHL 1995, HUSKAMP et al. 1996, WATTS 1999).
Remodelingvorgänge haben das Ziel, die optimale Festigkeit der Knochen zu erhalten, Ersatz von abgebautem Gewebe zu schaffen, Mikroläsionen und Mikrofrakturen zu reparieren sowie die Knochenarchitektur an äußere Einflüsse anzupassen (FROST 1991, ERIKSEN u. LAGDAHL 1995, HUSKAMP et al. 1996). Dabei spielen Osteozyten eine wichtige Rolle in der Erkennung von Mikroläsionen, sie initiieren in diesem Fall das Remodeling (ROBINS u. NEW 1997).
Wird also die Belastungsintensität gesteigert, muss sich der Knochen umbilden, um den veränderten Aufgaben gerecht werden zu können. Dieser Prozess wird als „Wolff´s Gesetz“ bezeichnet. Es besagt, dass sich die interne Struktur des Knochens verändert, um sich an neue Belastungen anzupassen, die auf den Knochen einwirken (NIELSEN et al. 1997).
Fehlt eine geeignete adaptive Antwort des Knochens auf eine veränderte Belastung, führt der mechanische Stress einer physikalischen Aktivität zu Verletzungen. Dies führt vor allem bei Rennpferden zu Problemen, da sie im Alter von 2 Jahren zu einem Zeitpunkt, zu dem das Skelett noch unreif ist, das Training beginnen (JACKSON 2003a).
Ein Unterschied zwischen Modeling und Remodeling ist unter anderem, dass die Gesamt - Knochenmasse während des Modelings entweder ansteigt oder abfällt, während des Remodelings jedoch annähernd gleich bleibt (NIELSEN et al. 1997).
Remodeling tritt nur an der Knochenoberfläche auf. Es beinhaltet Resorption und Anlagerung von Knochen, eingeteilt in 5 Phasen (PARFITT 1984, WATTS 1999):
1. Ruhephase
2. Aktivierung der Osteoklasten und Anlagerung dieser an die Knochenoberfläche
3. Resorption durch Freisetzung von Wasserstoffionen und proteolytischen Enzymen und Bildung einer Knochenlakune, dabei wird vormals im Knochen gebundenes Calcium und anorganisches Phosphat freigesetzt.
4. Umkehrphase
5. Formation von neuer Knochenmatrix durch Osteoblasten, anschließend Mineralisierung der Matrix
Das initiale Ereignis des Remodelings ist der enzymatische Abbau der Knochenoberfläche und des Knochenkollagens durch die Osteoklasten. Reguliert werden die Vorgänge des Remodelings durch
