Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss extrakorporaler Stoßwellen auf die Signaltransduktion des porcinen Schultergelenkknorpels

Zusammenfassung Zielsetzung: Gegenstand dieser Studie war die Untersuchung des Einflusses radialer extra-korporaler Stoßwellen auf die Signaltransduktion des hyalinen Gelenkknorpels. Zu diesem Zweck wurden mit der Akt1/PKBα sowie der eNOS zwei Markermoleküle ausgewählt, deren Einfluss auf die Mechanotransduktion bereits in einigen Geweben als erwiesen gilt und in Bezug auf den Gelenkknorpel ebenfalls relevant erscheint. Material und Methoden: In Kooperation mit dem Institut für Kardiologie sowie der Expermimentellen Medizin der Universität zu Köln wurde das Tierexperiment in Form eines quasi in vivo Großtiermodells unmittelbar post mortem am Schwein durchgeführt. Nach Arthrotomie des Schultergelenks wurden insgesamt 21 Tiere (14,2 (±1,9) Wochen, 45,2 (±4,7) kg) mittels Stoßwellen unterschiedlicher Parameter am Gelenkknorpel behandelt (Geräte Swiss Dolorclast®, Fa. EMS, Nyon, Schweiz und Piezoson 100 plus, Fa. Wolf, Knittlingen, Deutschland). Es erfolgte eine Einteilung in Gruppen à 2-6 Tiere zur Differenzierung einer direkten bzw. indirekten Behandlung des Gewebes, des Einflusses einer Druckerhöhung von 2,5 auf 4 bar im Sinne einer Auslastung des radialen Stoßwellengerätes, zur Prüfung einer Auswirkung der Gelenkform (konkav/konvex) sowie des Unterschiedes zwischen fokussierter und radialer Stoßwellen. Unmitelbar infolge der Stoßwellenapplikation (Zeitpunkt 0 min) sowie nach weiteren 2, 5, 10, 20 und 40 min wurden Proben entnommen, fixiert und für daran anschließende Färbungen in Paraffin konserviert. Ergebnisse und Interpretation: Anhand der H.E.-Färbungen wurde der mikroskopisch beurteilbare Erhalt der Strukturintegrität des Knorpels sichergestellt. Mit Hilfe der beobachteten basalen Aktivierung der pAkt1/PKBα (Thr308) sowie der eNOS (Ser1177) in allen Versuchen, gelang der immunhistochemische Nachweis relevanter Signalmoleküle aus derzeit bekannten Mechanotransduktionswegen. Es zeigte sich ein zonenspezifisches Muster im Hinblick auf die Intensität der Kinasenphosphorylierung in Form einer signifikant stärkeren Anfärbung in den tieferen Knorpelzonen gegenüber den oberflächlicheren Schichten. Dies könnte Ausdruck einer vermehrten Grundaktivität der Kinasen infolge einer nachweislich erhöhten PG-Synthese in den betreffenden Knorpelabschnitten sein (Mow et al. 1984). Ferner geht aus den Daten hervor, dass die eNOS (Ser1177) – analog zu Studien in anderen Geweben (Fulton et al. 1999; Michell et al. 1999; Hess et al. 2006) – als ein direkt nachgeschaltetes Signalmolekül im Transduktionsweg der pAkt1/PKBα angesehen werden könnte. Ihr Aktivierungsmuster war nahezu identisch zur mutmaßlich vorgeschalteten Kinase. Diese scheint somit in der Lage zu sein, die Expression der eNOS und folglich die Aktivität des NO/cGMP Signalweges zu beeinflussen. Die exakte Bedeutung dieser beobachteten Ausschnitte der Zell-Matrix-Kommunikation bedarf einer ergänzenden Analyse weiterer plausibler Bausteine in den einzelnen Signalkaskaden. So würde beispielsweise der Nachweis einer Induktion der Caspase 9 oder des Wachstumsfaktors NF-κB auf Veränderungen in Bezug auf die DNA-Transkription hindeuten und beispielswiese die Einleitung der Apoptose kennzeichnen (Wong und Carter 2003). Der angenommene Einfluss der Stoßwelle auf die Signaltransduktion fiel dagegen bzgl. der untersuchten Markermoleküle gering aus. Dies traf sowohl auf die radiale als auch auf die fokussierte Wellenform zu. Erklärungsansätze hierfür wären zum einen ein zu geringer mechanischer Impact der Stoßwelle, um Veränderungen der Signaltransduktion zu bewirken; zum anderen könnte die relativ geringe Fallzahl in den einzelnen Gruppen nicht ausreichend sein, um etwaige Unterschiede zum Vorschein zu bringen. So brachte die mehrfaktorielle Varianzanalyse keinen allgemein gültigen signifikanten Unterschied zwischen den behandelten und unbehandelten Knorpelproben hervor, wohingegen sich im Duncan-Test vereinzelt statistisch relevante Differenzen ergaben, die im Rahmen einer größer angelegten Studie evtl. deutlicher ausfallen könnten. Fazit: Die vorliegende Arbeit liefert somit erste Einblicke in die Signaltransduktion des hyalinen Gelenkknorpels und gibt Anlass zu der Vermutung, dass die gelenknahe Applikation von Stoßwellen nicht zu einer Beeinträchtigung der Knorpelstruktur führt.