Knorpelzellen und mechanische Belastung: Der Einfluss von zyklischer Dehnung auf extrazelluäre Matrixproteine

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Mechanische Reize sind für die Gesundheit und die Entwicklung von hyalinem Gelenkknorpel essentiell. Bisherige Untersuchungen zeigen allerdings, dass bestimmte mechanische Belastungen, wie zum Beispiel Immobilisation oder Überlastung zu Knorpelschäden und Gewebedegeneration führen können. Es ist bisher jedoch noch nicht bekannt, bei welcher Belastungsamplitude, Belastungsdauer oder Belastungsfrequenz, ein Wechsel von biopositiver zu bionegativer Gewebereaktion erzielt wird. In vitro Experimente mit isolierten Chondrozyten erlauben eine definierte und kontrollierte Applikation von Belastung auf Zellen und die systematische Untersuchung der zellulären Anpassungsprozesse. Eine Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse von definierter Dehnung auf den Metabolismus in Chondrozyten zeigte, dass Belastungen von unter 3 % Dehnung, 0.17 Hz und 2 h zu wenigen oder gar keinen biologischen Effekten führten. Wurden Dehnungen zwischen 3-10 % bei 0.17-0.5 Hz und 2-12 h appliziert, traten eher anabole Effekte ein (Veröffentlichung siehe Kap. 6). Mit zunehmender Belastungshöhe, -dauer und -frequenz jedoch (über 10 %, 0.5 Hz und 12 h) konnten vermehrt katabole Reaktionen beobachtet werden. Weitere Faktoren, wie zum Beispiel eine entzündliche Umgebung beeinflussen die Reaktion der Zellen jedoch zusätzlich und verschieben die Schwellen eher nach unten.
Auf dieser Basis wurden in der vorliegenden Arbeit die Effekte eines moderaten Belastungsprotokolls auf die Anpassung der EZM untersucht (Veröffentlichung siehe Kap. 7). Die EZM ist für die mechanischen Eigenschaften von Knorpel verantwortlich. Der Abbau der lasttragenden Komponenten der EZM, wie dem Kollagennetzwerk, bedeutet meist Funktionsverlust des Gewebes und drohende Osteoarthrose. Die EZM-Proteine Kollagen IX, COMP und Matrilin-3 stabilisieren das Kollagennetzwerk, indem sie die Kollagen II-Moleküle mit extrafibrillären Strukturen, wie den Proteoglykanen verknüpfen. Die Anpassung dieser Proteine an mechanische Belastung könnte ein möglicher Mechanismus sein, um das Kollagennetzwerk vor Überlastung zu schützen. Bisher war nicht bekannt, ob und wie Kollagen IX, COMP und Matrilin-3 an mechanische Belastung adaptiert werden können.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen zum ersten Mal die Anpassungsprozesse der drei Proteine Kollagen IX, COMP und Kollagen II an eine moderate zyklische Dehnbelastung (6 %, 0.5 Hz, 3x30 min pro Tag, 3 Tage). Die Belastung führte zu Veränderungen in der räumlichen Anordnung der Proteine. In der EZM von belasteten Chondrozyten zeigte sich eine Ausprägung von dichten Kollagen II-Fibrillen, die zusätzliche eine starke Ko-Lokalisation der beiden Proteine Kollagen IX und COMP aufwiesen. In unbelasteten Zellen entwickelte sich hingegen ein wesentlich feineres Netzwerk mit einer geringeren Ko-Lokalisation von Kollagen IX und COMP. Außerdem war die Menge an COMP in der EZM in belasteten Chondrozyten höher als in unbelasteten. Möglicherweise verbessert moderate Belastung die Verankerung der Proteine Kollagen IX und COMP in das Kollagen II-Netzwerk und verändert damit die Ausprägung der Fibrillen. Es ist denkbar, dass durch diese Mechanismen die makromolekulare Organisation des Kollagennetzwerks gestärkt und die mechanischen Eigenschaften der EZM verändert werden können. Dies könnte das Kollagennetzwerk vor dem Abbau durch mechanische Überlastung schützen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit machen deutlich, dass nicht immer die Expression von Matrixproteinen verändert werden muss, um zu einer anderen Matrixstruktur zu gelangen. Womöglich ist die Umorganisation und Einbindung der Proteine sogar das entscheidende Merkmal in der Matrixadaptation an mechanische Belastung. Diese Erkenntnisse können das Verständnis der Kapazität von mechanischer Belastung in der Prävention und Rehabilitation von Knorpelerkrankungen, sowie in der Herstellung von Knorpelersatzgewebe, erweitern.

Mechanical signals are essential for the health and the development of hyaline articular cartilage. Research so far has identified that certain loading characteristics, like immobilization or overloading, can lead to tissue degeneration and/or cartilage defects. However, it still not clear, beyond which thresholds of loading magnitude, loading duration, or loading frequency, the anabolic cell responses switches to catabolic cell responses. In vitro experiments with isolated chondrocytes allow a well-defined and controlled application of loading to cells and a systematic analysis of the load-induced cellular processes. The review in chapter 6 summarizes the results so far of tensile strain on the metabolism of chondrocytes. It reveals that loading protocols with strains under 3 %, frequencies under 0.17 Hz, and durations shorter than 2 h result in either small or no biological effects. Rather anabolic effects occurred, when the loading consisted of strains between 3-10 %, frequencies between 0.17-0.5 Hz, and durations between 2-12 h. However, with increasing values (above 10 % strain, 0.5 Hz, and 12 h) rather catabolic were observed. In addition, other factors, like an inflammatory environment, influence the cellular responses and move the thresholds rather downwards.
Behind this background, we investigated the effects of a moderate loading protocol on the adaptation of the extracellular matrix (ECM) (see publication chapter 7). The ECM is responsible for the mechanical properties of cartilage. The degradation of load-bearing structures of the ECM, like the collagen network, can lead to the loss of cartilage function, as well as cartilage diseases like osteoarthritis. The ECM proteins Collagen IX, COMP, and Matrilin-3 stabilize the collagen network by binding to collagen II molecules and to extra-fibrillar structures, like proteoglycans. The adaptation of these proteins to mechanical loading might prevent the collagen network from overloading. Until now it was not known, if and how collagen IX, COMP, and matrilin-3 are adapted to mechanical loading.
The results of the current study demonstrate for the first time processes of adaptation of the three proteins collagen IX, COMP, and collagen II to moderate cyclic tensile strain (6 %, 0.5 Hz, 3x30 min per day, 3 days). The loading led to changes in the extracellular distribution pattern. The ECM of loaded chondrocytes showed thick collagen II-containing fibrils with a strong co-localization of the proteins collagen IX and COMP. Furthermore, the amount of COMP in the ECM was higher in loaded chondrocytes compared to unloaded chondrocytes. Possibly, moderate cyclic strain ameliorates the anchorage of collagen IX and COMP into the collagenous network by binding to collagen II containing fibrils and thereby affecting the diameter of those fibrils. It is further possible that these mechanisms strengthen the macromolecular organization of the collagen network and change the mechanical properties of the ECM. This could prevent the collagen network from degradation through overloading.
The results show that the adaptation to mechanical loading is not always the result of changes in RNA and/or protein expression but might also be the result of changes in matrix assembly and structure. Possibly, the reorganization of the matrix and the anchorage of proteins is a central characteristic of matrix adaptation to mechanical loading and of critical importance for mechanical properties of the tissue. This knowledge can contribute to understand the role of mechanical loading in the prevention and rehabilitation of cartilage disease.
Original languageGerman
Place of PublicationKöln
PublisherDeutsche Sporthochschule Köln
Number of pages188
Publication statusPublished - 2015

ID: 2049022

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