Osteoarthritis: Wie ist der Gelenkknorpel aufgebaut?

Normaler Gelenkknorpel erfüllt zwei Hauptfunktionen: Er absorbiert Druck durch Verformung bei mechanischer Belastung und sorgt für glatte Gelenkflächen, wodurch die Reibung bei Gelenkbewegungen minimiert wird. Dies wird durch die einzigartige Struktur des Gelenkknorpels gewährleistet, der aus Chondroitinen besteht, die in die extrazelluläre Matrix (ECM) eingebettet sind.

Normaler Gelenkknorpel bei Erwachsenen lässt sich in mehrere Schichten oder Zonen unterteilen: die oberflächliche oder tangentiale Zone, die Übergangszone, die tiefe oder radiale Zone und die verkalkte Zone. Die Schicht zwischen der oberflächlichen und der Übergangszone und insbesondere zwischen der Übergangs- und der tiefen Zone weist keine klaren Grenzen auf. Der Übergang zwischen dem nicht verkalkten und dem verkalkten Gelenkknorpel wird als „Wellenrand“ bezeichnet – eine Linie, die beim Anfärben von entkalktem Gewebe sichtbar wird. Die verkalkte Knorpelzone macht einen relativ konstanten Anteil (6–8 %) der gesamten Knorpelquerschnittshöhe aus. Die Gesamtdicke des Gelenkknorpels, einschließlich der verkalkten Knorpelzone, variiert je nach Belastung eines bestimmten Bereichs der Gelenkoberfläche und je nach Gelenktyp. Der intermittierende hydrostatische Druck im subchondralen Knochen spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der normalen Knorpelstruktur, indem er die Verknöcherung verlangsamt.

Chondrozyten machen etwa 2-3 % der gesamten Gewebemasse aus; in der oberflächlichen (tangentialen) Zone befinden sie sich entlang und in der tiefen (radialen) Zone senkrecht zur Knorpeloberfläche; in der Übergangszone bilden Chondrozyten Gruppen von 2-4 Zellen, die über die gesamte Matrix verstreut sind. Je nach Gelenkknorpelzone variiert die Dichte der Chondrozyten – die höchste Zelldichte befindet sich in der oberflächlichen Zone, die niedrigste in der verkalkten Zone. Darüber hinaus variiert die Dichte der Zellverteilung von Gelenk zu Gelenk und ist umgekehrt proportional zur Knorpeldicke und der Belastung des entsprechenden Bereichs.

Die oberflächlichsten Chondrozyten sind scheibenförmig und bilden mehrere Zellschichten in der tangentialen Zone unterhalb eines schmalen Matrixstreifens. Die tiefer gelegenen Zellen dieser Zone neigen zu ungleichmäßigeren Konturen. In der Übergangszone sind Chondrozyten kugelförmig, manchmal bilden sie kleine, in der Matrix verstreute Gruppen. Chondrozyten der tiefen Zone haben überwiegend eine ellipsoide Form und sind in radial angeordneten Ketten von 2–6 Zellen gruppiert. In der verkalkten Zone sind sie noch spärlicher verteilt. Einige von ihnen sind nekrotisch, die meisten jedoch lebensfähig. Die Zellen sind von einer nicht verkalkten Matrix umgeben, der Interzellularraum ist verkalkt.

Menschlicher Gelenkknorpel besteht aus hydratisierter extrazellulärer Matrix (EZM) und darin eingebetteten Zellen, die 2–3 % des gesamten Gewebevolumens ausmachen. Da Knorpelgewebe weder Blut- noch Lymphgefäße besitzt, erfolgt die Interaktion zwischen Zellen, die Nährstoffversorgung und der Abtransport von Stoffwechselprodukten durch Diffusion durch die EZM. Obwohl Chondrozyten metabolisch sehr aktiv sind, teilen sie sich bei Erwachsenen normalerweise nicht. Chondrozyten existieren in einer sauerstofffreien Umgebung, und ihr Stoffwechsel ist vermutlich überwiegend anaerob.

Jeder Chondrozyt wird als separate Stoffwechseleinheit des Knorpels betrachtet, die von benachbarten Zellen isoliert ist, aber für die Produktion von ECM-Elementen in unmittelbarer Nähe der gespendeten Zelle und die Aufrechterhaltung ihrer Zusammensetzung verantwortlich ist.

Die ECM ist in drei Abschnitte unterteilt, von denen jeder eine einzigartige morphologische Struktur und eine spezifische biochemische Zusammensetzung aufweist. Die ECM, die unmittelbar an die Basalmembran der Chondrozyten angrenzt, wird als perizelluläre oder lakunäre Matrix bezeichnet. Sie ist gekennzeichnet durch einen hohen Gehalt an Proteoglykanaggregaten, die durch die Interaktion von Hyaluronsäure mit CD44-ähnlichen Rezeptoren mit der Zelle assoziiert sind, und durch ein relatives Fehlen organisierter Kollagenfibrillen. Direkt neben der perizellulären Matrix befindet sich die territoriale oder kapsuläre Matrix, die aus einem Netzwerk sich kreuzender fibrillärer Kollagene besteht, die einzelne Zellen oder (manchmal) Zellgruppen umkapseln und ein Chondron bilden, und den Zellen wahrscheinlich speziellen mechanischen Halt bieten. Der Kontakt der Chondrozyten mit der kapsulären Matrix wird über zahlreiche zytoplasmatische Fortsätze hergestellt, die reich an Mikrofilamenten sind, sowie über spezifische Matrixmoleküle wie Ancorin und CD44-ähnliche Rezeptoren. Der größte und am weitesten von der Chondrozyten-Basalmembran entfernte Abschnitt der ECM ist die interterritoriale Matrix, die die größte Anzahl an Kollagenfibrillen und Proteoglykanen enthält.

Die Unterteilung der extrazellulären Matrix in Kompartimente ist im adulten Gelenkknorpel klarer definiert als im unreifen Gelenkknorpel. Die relative Größe jedes Kompartiments variiert nicht nur zwischen Gelenken, sondern sogar innerhalb desselben Knorpels. Jeder Chondrozyt bildet eine ihn umgebende Matrix. Forschungsergebnissen zufolge üben Chondrozyten reifen Knorpelgewebes eine aktive metabolische Kontrolle über ihre perizelluläre und territoriale Matrix aus, während sie die interterritoriale Matrix, die metabolisch inert sein kann, weniger aktiv kontrollieren.

Wie bereits erwähnt, besteht Gelenkknorpel hauptsächlich aus umfangreicher extrazellulärer Matrix (EZM), die von Chondrozyten synthetisiert und reguliert wird. Gewebemakromoleküle und ihre Konzentrationen verändern sich im Laufe des Lebens entsprechend den sich ändernden funktionellen Anforderungen. Es ist jedoch unklar, ob die Zellen die gesamte Matrix gleichzeitig oder in bestimmten Phasen entsprechend den physiologischen Anforderungen synthetisieren. Die Konzentration der Makromoleküle, ihr Stoffwechselgleichgewicht, ihre Beziehungen und Wechselwirkungen bestimmen die biochemischen Eigenschaften und damit die Funktion des Gelenkknorpels innerhalb eines Gelenks. Der Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix des Gelenkknorpels von Erwachsenen ist Wasser (65–70 % der Gesamtmasse), das aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften der Knorpelgewebemakromoleküle, die Bestandteil von Kollagenen, Proteoglykanen und nichtkollagenen Glykoproteinen sind, fest darin gebunden ist.

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Biochemische Zusammensetzung des Knorpels

Kollagenfasern bestehen aus Molekülen des fibrillären Proteins Kollagen. Bei Säugetieren macht Kollagen ein Viertel aller Proteine im Körper aus. Kollagen bildet fibrilläre Elemente (Kollagenfibrillen), die aus strukturellen Untereinheiten bestehen, die Tropokollagen genannt werden. Das Tropokollagenmolekül hat drei Ketten, die eine Dreifachhelix bilden. Diese Struktur des Tropokollagenmoleküls sowie die Struktur der Kollagenfaser, wenn diese Moleküle parallel in Längsrichtung mit einer konstanten Verschiebung von etwa 1/4 der Länge angeordnet sind, verleihen dem Gewebe, in dem sie sich befinden, hohe Elastizität und Festigkeit. Derzeit sind 10 genetisch unterschiedliche Kollagentypen bekannt, die sich in der chemischen Struktur der α-Ketten und/oder deren Anordnung im Molekül unterscheiden. Die am besten untersuchten ersten vier Kollagentypen sind in der Lage, bis zu 10 molekulare Isoformen zu bilden.

Kollagenfibrillen sind Teil des extrazellulären Raums der meisten Bindegewebe, einschließlich Knorpel. In diesem unlöslichen dreidimensionalen Netzwerk sich kreuzender Kollagenfibrillen sind weitere, besser lösliche Komponenten wie Proteoglykane, Glykoproteine und gewebespezifische Proteine verwickelt; diese sind manchmal kovalent an die Kollagenelemente gebunden.

In Fibrillen organisierte Kollagenmoleküle machen etwa 50 % des organischen Trockenrückstands von Knorpel aus (10–20 % von natürlichem Knorpel). In reifem Knorpel sind etwa 90 % der Kollagene Typ-II-Kollagene, die nur in einigen Geweben vorkommen (z. B. Glaskörper, embryonaler Rückenmark). Typ-II-Kollagen gehört zu den Kollagenmolekülen der Klasse I (fibrillenbildend). Darüber hinaus enthält reifer menschlicher Gelenkknorpel auch Kollagene der Typen IX und XI sowie eine geringe Menge Typ VI. Der relative Anteil an Typ-IX-Kollagenfasern in Kollagenfibrillen sinkt von 15 % im fötalen Knorpel auf etwa 1 % im reifen Rinderknorpel.

Kollagen Typ I besteht aus drei identischen Polypeptidketten, die als Vorläufer-Prokollagen synthetisiert und sezerniert werden. Sobald die fertigen Kollagenmoleküle in den Extrazellulärraum freigesetzt werden, bilden sie Fibrillen. Im reifen Gelenkknorpel bildet Kollagen Typ II fibrilläre Arkaden, wobei sich die „dickeren“ Moleküle in den tiefen Gewebeschichten und die „dünneren“ horizontal in den oberflächlichen Schichten befinden.

Im Prokollagen-Typ-II-Gen wurde ein Exon gefunden, das für ein cysteinreiches N-terminales Propeptid kodiert. Dieses Exon wird nicht im reifen Knorpel, sondern in den frühen Entwicklungsstadien (Prächondrogenese) exprimiert. Aufgrund dieses Exons ist das Prokollagen-Typ-II-Molekül (Typ II A) länger als Kollagen Typ II. Wahrscheinlich hemmt die Expression dieses Prokollagentyps die Akkumulation von Elementen in der extrazellulären Matrix des Gelenkknorpels. Es könnte eine Rolle bei der Entwicklung von Knorpelerkrankungen spielen (z. B. unzureichende Reparaturreaktion, Osteophytenbildung usw.).

Das Netzwerk der Kollagenfibrillen Typ II dient als Dehnungswiderstand und ist für die Erhaltung von Volumen und Form des Gewebes notwendig. Diese Funktion wird durch kovalente und Querverbindungen zwischen den Kollagenmolekülen verstärkt. In der extrazellulären Matrix (ECM) bildet das Enzym Lysyloxidase aus Hydroxylysin einen Aldehyd, der dann in die mehrwertige Aminosäure Hydroxylysylpyridinolin umgewandelt wird, die Querverbindungen zwischen den Ketten bildet. Einerseits steigt die Konzentration dieser Aminosäure mit dem Alter an, bleibt im reifen Knorpel jedoch nahezu unverändert. Andererseits nimmt im Gelenkknorpel mit zunehmendem Alter die Konzentration von Querverbindungen verschiedener Art zu, die ohne Beteiligung von Enzymen gebildet werden.

Etwa 10 % der Gesamtkollagenmenge im Knorpelgewebe sind die sogenannten Minorkollagene, die maßgeblich die einzigartige Funktion dieses Gewebes bestimmen. Kollagen Typ IX gehört zu den Kurzhelixmolekülen der Klasse III und zur einzigartigen Gruppe der FACIT-Kollagene (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Es besteht aus drei genetisch unterschiedlichen Ketten. Eine davon, die _a2- Kette, wird gleichzeitig mit Chondroitinsulfat glykosyliert, was dieses Molekül zu einem Proteoglykan macht. Zwischen den helikalen Segmenten von Kollagen Typ IX und Kollagen Typ II finden sich sowohl reife als auch unreife Hydroxypyridin-Quervernetzungen. Kollagen IX kann auch als intermolekular-interfibrilläres „Verbindungsstück“ (oder Brücke) zwischen benachbarten Kollagenfibrillen fungieren. Kollagen-IX-Moleküle bilden untereinander Quervernetzungen, was die mechanische Stabilität des fibrillären dreidimensionalen Netzwerks erhöht und es vor enzymatischen Einflüssen schützt. Sie bieten außerdem Widerstand gegen Verformung und begrenzen das Anschwellen der Proteoglykane im Netzwerk. Zusätzlich zur anionischen CS-Kette enthält das Kollagen-IX-Molekül eine kationische Domäne, die der Fibrille eine hohe Ladung verleiht und die Tendenz zur Interaktion mit anderen Matrixmakromolekülen weckt.

Kollagen Typ XI macht nur 2–3 % der gesamten Kollagenmasse aus. Es gehört zur Klasse I (fibrillenbildende Kollagene) und besteht aus drei verschiedenen α-Ketten. Zusammen mit den Kollagentypen II und IX bildet Kollagen Typ XI heterotypische Fibrillen des Gelenkknorpels. Moleküle von Kollagen Typ XI wurden mittels Immunelektromikroskopie in Kollagenfibrillen des Typs II nachgewiesen. Sie organisieren vermutlich Kollagen Typ II-Moleküle, steuern das laterale Wachstum der Fibrillen und bestimmen den Durchmesser der heterotypischen Kollagenfibrille. Darüber hinaus ist Kollagen XI an der Bildung von Querverbindungen beteiligt, die jedoch selbst im reifen Knorpel in Form unreifer zweiwertiger Ketoamine vorliegen.

Geringe Mengen von Kollagen Typ VI, einem weiteren Mitglied der Klasse III der Kurzhelixmoleküle, finden sich im Gelenkknorpel. Kollagen Typ VI bildet verschiedene Mikrofibrillen und ist wahrscheinlich in der Kapselmatrix des Chondrons konzentriert.

Proteoglykane sind Proteine, an die mindestens eine Glykosaminoglykankette kovalent gebunden ist. Proteoglykane gehören zu den komplexesten biologischen Makromolekülen. Sie kommen am häufigsten in der extrazellulären Matrix des Knorpels vor. Hydrophile Proteoglykane sind in einem Netzwerk aus Kollagenfibrillen „verwickelt“ und erfüllen ihre Hauptfunktion: Sie verleihen dem Knorpel die Fähigkeit, sich reversibel zu verformen. Es wird angenommen, dass Proteoglykane auch eine Reihe weiterer Funktionen erfüllen, deren Wesen noch nicht vollständig geklärt ist.

Aggrecan ist das wichtigste Proteoglykan des Gelenkknorpels und macht etwa 90 % der gesamten Proteoglykanmasse im Gewebe aus. Sein 230 kD großes Kernprotein ist durch mehrere kovalent verknüpfte Glykosaminoglykanketten sowie N- und C-terminale Oligosaccharide glykosyliert.

Die Glykosaminoglykanketten des Gelenkknorpels, die etwa 90 % der Gesamtmasse der Makromoleküle ausmachen, bestehen aus Keratansulfat (eine Sequenz des sulfatierten Disaccharids N-Acetylglucosaminolaktose mit mehreren Sulfatierungsstellen und anderen Monosaccharidresten wie Sialinsäure) und Chondroitinsulfat (eine Sequenz des Disaccharids N-Acetylgalactosaminglucuronsäure mit einem Sulfatester, der an jedes vierte oder sechste Kohlenstoffatom von N-Acetylgalactosamin gebunden ist).

Das Kernprotein von Aggrecan enthält drei globuläre (G1, G2, G3) und zwei interglobuläre (E1 und E2) Domänen. Die N-terminale Region enthält die G1- und G2-Domänen, die durch das 21 nm lange E1-Segment getrennt sind. Die C3-Domäne in der C-terminalen Region ist von G2 _durch ein längeres (etwa 260 nm) E2-Segment getrennt, das mehr als 100 Ketten aus Chondroitinsulfaten, etwa 15–25 Ketten aus Keratinsulfaten und O-gebundene Oligosaccharide enthält. N-gebundene Oligosaccharide kommen hauptsächlich in den G1- und C2-Domänen und dem E1-Segment sowie in der Nähe der G3- _Region vor. Glykosaminoglykane sind in zwei Regionen gruppiert: Die längste (die sogenannte chondroitinsulfatreiche Region) enthält Chondroitinsulfatketten und etwa 50 % Keratinsulfatketten. Die Keratansulfat-reiche Region befindet sich im E2- _Segment nahe der G1-Domäne und geht der Chondroitinsulfat-reichen Region voraus. Aggrecan-Moleküle enthalten ebenfalls Phosphatester, die sich hauptsächlich an den Xylose-Resten befinden, die die Chondroitinsulfatketten mit dem Kernprotein verbinden; sie kommen auch an Serinresten des Kernproteins vor.

Das C-terminale Segment der C3- _Domäne ist hochgradig homolog zu Lektin, wodurch Proteoglykanmoleküle durch Bindung an bestimmte Kohlenhydratstrukturen in der ECM fixiert werden können.

Jüngste Studien haben ein Exon identifiziert, das für eine EGF-ähnliche Subdomäne innerhalb von G3 kodiert _. Mithilfe polyklonaler Anti-EGF-Antikörper wurde das EGF-ähnliche Epitop in einem 68 kD großen Peptid in Aggrecan aus menschlichem Gelenkknorpel lokalisiert. Seine Funktion muss jedoch noch geklärt werden. Diese Subdomäne findet sich auch in Adhäsionsmolekülen, die die Lymphozytenmigration steuern. Nur etwa ein Drittel der aus reifem menschlichen Gelenkknorpel isolierten Aggrecan-Moleküle enthält eine intakte C3- _Domäne; dies liegt wahrscheinlich daran, dass Aggrecan-Moleküle in der extrazellulären Matrix enzymatisch verkleinert werden können. Schicksal und Funktion der abgespaltenen Fragmente sind unbekannt.

Der wichtigste funktionelle Abschnitt des Aggrecan-Moleküls ist das Glykosaminoglykan-haltige E2- _Segment. Dieser keratansulfatreiche Bereich enthält die Aminosäuren Prolin, Serin und Threonin. Die meisten Serin- und Threoninreste sind mit N-Acetylgalactosaminresten O-glykosyliert; sie initiieren die Synthese bestimmter Oligosaccharide, die in die Keratansulfatketten eingebaut werden und diese dadurch verlängern. Der Rest des E2- _Segments enthält über 100 Serin-Glycin-Sequenzen, in denen Serin für die Bindung an Xylosylreste am Anfang der Chondroitinsulfatketten sorgt. Typischerweise kommen Chondroitin-6-sulfat und Chondroitin-4-sulfat gleichzeitig im selben Proteoglykanmolekül vor, wobei ihr Verhältnis je nach Lokalisation des Knorpelgewebes und Alter des Patienten variiert.

Die Struktur der Aggrecan-Moleküle in der menschlichen Gelenkknorpelmatrix unterliegt während der Reifung und Alterung einer Reihe von Veränderungen. Zu den altersbedingten Veränderungen gehören eine Abnahme der hydrodynamischen Größe aufgrund einer Veränderung der durchschnittlichen Länge der Chondroitinsulfatketten sowie eine Zunahme der Anzahl und Länge der Keratansulfatketten. Eine Reihe von Veränderungen im Aggrecan-Molekül werden auch durch die Einwirkung proteolytischer Enzyme (z. B. Aggrecanase und Stromelesin) auf das Kernprotein verursacht. Dies führt zu einer fortschreitenden Abnahme der durchschnittlichen Länge des Kernproteins des Aggrecan-Moleküls.

Aggrecan-Moleküle werden von Chondrozyten synthetisiert und in die extrazelluläre Matrix sezerniert, wo sie durch Linkerproteinmoleküle stabilisierte Aggregate bilden. Diese Aggregation beinhaltet hochspezifische nichtkovalente und kooperative Wechselwirkungen zwischen einem Glucuronsäurestrang und nahezu 200 Aggrecan- und Linkerproteinmolekülen. Glucuronsäure ist ein extrazelluläres, nicht sulfatiertes, hochmolekulares lineares Glykosaminoglykan, das aus mehreren sequenziell verbundenen N-Acetylglucosamin- und Glucuronsäuremolekülen besteht. Die gepaarten Schleifen der G1-Domäne von Aggrecan interagieren reversibel mit fünf sequenziell angeordneten Hyaluronsäuredisacchariden. Das Linkerprotein, das ähnliche (hochgradig homologe) gepaarte Schleifen enthält, interagiert mit der C1-Domäne und dem Hyaluronsäuremolekül und stabilisiert die Aggregatstruktur. Der Komplex aus C1-Domäne, Hyaluronsäure und Bindungsprotein bildet eine hochstabile Wechselwirkung, die die G1-Domäne und das Bindungsprotein vor der Wirkung proteolytischer Enzyme schützt. Es wurden zwei Moleküle des Bindungsproteins mit einem Molekulargewicht von 40–50 kDa identifiziert; sie unterscheiden sich im Glykosylierungsgrad. An der Stelle der Hyaluronsäure-Aggrecan-Bindung befindet sich nur ein Molekül des Bindungsproteins. Das dritte, kleinere Molekül des Bindungsproteins entsteht durch proteolytische Spaltung aus größeren Molekülen.

Etwa 200 Aggrecan-Moleküle können an ein Hyaluronsäuremolekül binden und ein 8 μm langes Aggregat bilden. In der zellassoziierten Matrix, bestehend aus perizellulären und territorialen Kompartimenten, bleiben die Aggregate mit den Zellen verbunden, indem sie (über einen Hyaluronsäurefaden) an CD44-ähnliche Rezeptoren auf der Zellmembran binden.

Die Bildung von Aggregaten in der extrazellulären Matrix (EZM) ist ein komplexer Prozess. Neu synthetisierte Aggrecan-Moleküle zeigen nicht sofort die Fähigkeit, an Hyaluronsäure zu binden. Dies könnte als Regulationsmechanismus dienen, der es neu synthetisierten Molekülen ermöglicht, die interterritoriale Zone der Matrix zu erreichen, bevor sie zu großen Aggregaten immobilisiert werden. Die Anzahl neu synthetisierter Aggrecan-Moleküle und bindender Proteine, die durch Interaktion mit Hyaluronsäure Aggregate bilden können, nimmt mit zunehmendem Alter signifikant ab. Auch die Größe der aus menschlichem Gelenkknorpel isolierten Aggregate nimmt mit zunehmendem Alter signifikant ab. Dies ist teilweise auf die abnehmende durchschnittliche Länge der Hyaluronsäure- und Aggrecan-Moleküle zurückzuführen.

Im Gelenkknorpel wurden zwei Arten von Aggregaten nachgewiesen. Die durchschnittliche Größe des ersten Aggregattyps beträgt 60 μl, die des zweiten Typs (schnell ausfallende „Superaggregate“) 120 μl. Letztere zeichnen sich durch eine große Menge an Molekülen des Bindungsproteins aus. Das Vorhandensein dieser Superaggregate könnte eine wichtige Rolle für die Funktion des Gewebes spielen; bei der Geweberegeneration nach Ruhigstellung von Gliedmaßen finden sich höhere Konzentrationen in den mittleren Schichten des Gelenkknorpels, während ihre Größe in einem von Osteoarthrose betroffenen Gelenk im Frühstadium der Erkrankung deutlich reduziert ist.

Neben Aggrecan enthält Gelenkknorpel eine Reihe kleinerer Proteoglykane. Biglycan und Decorin, Moleküle, die Dermatansulfate tragen, haben Molekulargewichte von etwa 100 bzw. 70 kDa; die Masse ihres Kernproteins beträgt etwa 30 kDa.

Im menschlichen Gelenkknorpel enthält das Biglycan-Molekül zwei Dermatansulfatketten, während das häufigere Decorin nur eine enthält. Diese Moleküle machen nur einen kleinen Teil der Proteoglykane im Gelenkknorpel aus, obwohl sie so zahlreich sein können wie große aggregierte Proteoglykane. Kleine Proteoglykane interagieren mit anderen Makromolekülen in der extrazellulären Matrix (ECM), darunter Kollagenfibrillen, Fibronektin, Wachstumsfaktoren usw. Decorin ist hauptsächlich an der Oberfläche von Kollagenfibrillen lokalisiert und hemmt die Kollagenfibrillogenese. Das Kernprotein ist fest mit der Zellbindungsdomäne von Fibronektin verbunden und verhindert dadurch vermutlich dessen Bindung an Zelloberflächenrezeptoren (Integrine). Da sowohl Decorin als auch Biglycan an Fibronektin binden und Zelladhäsion und -migration sowie die Thrombusbildung hemmen, können sie Gewebereparaturprozesse hemmen.

Fibromodulin des Gelenkknorpels ist ein Proteoglykan mit einem Molekulargewicht von 50–65 kD, das mit Kollagenfibrillen assoziiert ist. Sein Kernprotein, homolog zu den Kernproteinen von Decorin und Biglykan, enthält eine große Anzahl von Tyrosinsulfatresten. Diese glykosylierte Form von Fibromodulin (früher als 59-kD-Matrixprotein bezeichnet) könnte an der Regulierung der Bildung und Erhaltung der Struktur von Kollagenfibrillen beteiligt sein. Fibromodulin und Decorin befinden sich auf der Oberfläche von Kollagenfibrillen. Daher sollte, wie bereits erwähnt, einer Vergrößerung des Fibrillendurchmessers eine selektive Entfernung dieser Proteoglykane (sowie von Kollagen Typ IX-Molekülen) vorausgehen.

Gelenkknorpel enthält eine Reihe von Proteinen in der extrazellulären Matrix (ECM), die weder Proteoglykane noch Kollagene sind. Sie interagieren mit anderen Makromolekülen und bilden ein Netzwerk, das die meisten Moleküle der extrazellulären Matrix umfasst.

Ancorin, ein 34 kD großes Protein, ist auf der Oberfläche von Chondrozyten und in der Zellmembran lokalisiert und vermittelt Interaktionen zwischen Zelle und Matrix. Aufgrund seiner hohen Affinität zu Kollagen Typ II kann es als Mechanorezeptor fungieren und ein Signal über veränderten Druck auf die Fibrille an den Chondrozyten übermitteln.

Fibronektin ist Bestandteil der meisten Knorpelgewebe und unterscheidet sich geringfügig von Plasmafibronektin. Es wird angenommen, dass Fibronektin die Matrixintegration durch Interaktion mit Zellmembranen und anderen Matrixkomponenten wie Typ-II-Kollagen und Thrombospondin fördert. Fibronektinfragmente wirken sich negativ auf den Chondrozytenstoffwechsel aus: Sie hemmen die Aggrecansynthese und stimulieren katabole Prozesse. Hohe Konzentrationen von Fibronektinfragmenten wurden in der Gelenkflüssigkeit von Patienten mit Osteoarthritis gefunden, sodass sie in späten Stadien an der Pathogenese der Erkrankung beteiligt sein könnten. Fragmente anderer Matrixmoleküle, die an Chondrozytenrezeptoren binden, haben wahrscheinlich ähnliche Wirkungen.

Das oligomere Matrixprotein des Knorpels (OMPC), ein Mitglied der Thrombospondin-Superfamilie, ist ein Pentamer mit fünf identischen Untereinheiten und einem Molekulargewicht von etwa 83 kDa. Es kommt in großen Mengen im Gelenkknorpel vor, insbesondere in der Schicht proliferierender Zellen im wachsenden Gewebe. Daher ist es möglich, dass OMPC an der Regulierung des Zellwachstums beteiligt ist. In der extrazellulären Matrix (EZM) des reifen Gelenkknorpels kommt es in deutlich geringeren Konzentrationen vor. Zu den Matrixproteinen gehören außerdem:

• Das basische Matrixprotein (36 kDa) hat eine hohe Affinität zu Chondrozyten und kann Zell-Zell-Interaktionen in der ECM vermitteln, beispielsweise während der Gewebeumgestaltung.
• GP-39 (39 kDa) wird in der oberflächlichen Schicht des Gelenkknorpels und in der Synovialmembran exprimiert (seine Funktionen sind unbekannt);
• 21 kD-Protein wird von hypertrophierten Chondrozyten synthetisiert, interagiert mit Kollagen Typ X und kann in der „Wellenlinien“-Zone funktionieren.

Darüber hinaus ist es offensichtlich, dass Chondrozyten in bestimmten Stadien der Knorpelentwicklung und unter pathologischen Bedingungen nicht-glykosylierte Formen kleiner, nicht aggregierter Proteoglykane exprimieren, ihre spezifische Funktion wird jedoch derzeit noch untersucht.

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Funktionelle Eigenschaften des Gelenkknorpels

Aggrecan-Moleküle verleihen dem Gelenkknorpel die Fähigkeit zu reversibler Verformung. Sie zeigen spezifische Interaktionen im Extrazellulärraum und spielen zweifellos eine wichtige Rolle bei Organisation, Struktur und Funktion der ECM. Im Knorpelgewebe erreichen Aggrecan-Moleküle eine Konzentration von 100 mg/ml. Im Knorpel sind Aggrecan-Moleküle auf 20 % ihres Volumens in Lösung komprimiert. Ein dreidimensionales Netzwerk aus Kollagenfibrillen verleiht dem Gewebe seine charakteristische Form und verhindert eine Volumenzunahme der Proteoglykane. Innerhalb des Kollagennetzwerks tragen unbewegliche Proteoglykane eine hohe negative elektrische Ladung (sie enthalten eine große Anzahl anionischer Gruppen), wodurch sie mit beweglichen kationischen Gruppen der interstitiellen Flüssigkeit interagieren können. In Wechselwirkung mit Wasser erzeugen Proteoglykane den sogenannten Quelldruck, dem das Kollagennetzwerk entgegenwirkt.

Das Vorhandensein von Wasser in der extrazellulären Matrix (ECM) ist sehr wichtig. Wasser bestimmt das Volumen des Gewebes; gebunden an Proteoglykane bietet es Kompressionswiderstand. Darüber hinaus sorgt Wasser für den Transport von Molekülen und die Diffusion in der ECM. Die hohe Dichte negativer Ladung auf großen, im Gewebe fixierten Proteoglykanen erzeugt den „Volumenausschlusseffekt“. Die Porengröße der intrakonzentrierten Proteoglykanlösung ist so klein, dass die Diffusion großer globulärer Proteine in das Gewebe stark eingeschränkt ist. Die ECM stößt kleine negativ geladene Proteine (z. B. Chloridionen) und große Proteine (wie Albumin und Immunglobuline) ab. Die Größe der Zellen innerhalb des dichten Netzwerks aus Kollagenfibrillen und Proteoglykanen ist nur mit der Größe einiger anorganischer Moleküle vergleichbar (z. B. Natrium und Kalium, nicht jedoch Kalzium).

In der extrafibrillären Matrix (ECM) ist in Kollagenfibrillen etwas Wasser vorhanden. Der extrafibrilläre Raum bestimmt die physikochemischen und biomechanischen Eigenschaften des Knorpels. Der Wassergehalt im intrafibrillären Raum hängt von der Konzentration der Proteoglykane im extrafibrillären Raum ab und steigt mit abnehmender Konzentration der Proteoglykane an.

Die feste negative Ladung der Proteoglykane bestimmt die Ionenzusammensetzung des extrazellulären Mediums, das freie Kationen in hoher Konzentration und freie Anionen in niedriger Konzentration enthält. Mit zunehmender Konzentration der Aggrecan-Moleküle von der oberflächlichen zur tiefen Knorpelzone verändert sich die Ionenumgebung des Gewebes. Die Konzentration anorganischer Ionen in der extrazellulären Matrix erzeugt einen hohen osmotischen Druck.

Die Materialeigenschaften von Knorpel hängen von der Interaktion zwischen Kollagenfibrillen, Proteoglykanen und der flüssigen Phase des Gewebes ab. Struktur- und Zusammensetzungsänderungen, die mit der Diskrepanz zwischen Synthese- und Katabolismusprozessen, dem Abbau von Makromolekülen und physischen Traumata einhergehen, beeinträchtigen die Materialeigenschaften des Knorpels erheblich und verändern seine Funktion. Da sich Konzentration, Verteilung und makromolekulare Organisation von Kollagenen und Proteoglykanen je nach Tiefe der Knorpelzone ändern, variieren auch die biomechanischen Eigenschaften der einzelnen Zonen. Beispielsweise weist die oberflächliche Zone mit ihrer hohen Kollagenkonzentration, den tangential angeordneten Fibrillen und der relativ niedrigen Proteoglykankonzentration die ausgeprägtesten Dehnungswiderstandseigenschaften auf und verteilt die Belastung gleichmäßig über die gesamte Gewebeoberfläche. In den Übergangs- und Tiefenzonen verleiht die hohe Proteoglykankonzentration dem Gewebe die Eigenschaft, Druckbelastungen standzuhalten. Auf Höhe der „Wellenlinie“ ändern sich die Materialeigenschaften des Knorpels deutlich von der biegsamen, nicht verkalkten Zone zum steiferen, mineralisierten Knorpel. Im Bereich der „Wellenlinie“ wird die Gewebefestigkeit durch das Kollagennetzwerk gewährleistet. Die darunterliegenden Knorpelabschnitte sind nicht von Kollagenfibrillen durchzogen; im Bereich der osteochondralen Verbindung wird die Gewebefestigkeit durch die spezielle Kontur der Grenze zwischen der nicht verkalkten und der verkalkten Knorpelzone in Form unregelmäßiger, fingerartiger Auswüchse gewährleistet, die die beiden Schichten „verschließen“ und ihre Trennung verhindern. Verkalkter Knorpel hat eine geringere Dichte als der subchondrale Knochen und fungiert daher als Zwischenschicht, die die Druckbelastung des Knorpels abmildert und auf den subchondralen Knochen überträgt.

Während der Belastung tritt eine komplexe Verteilung dreier Kräfte auf – Dehnung, Scherung und Kompression. Die Gelenkmatrix wird durch die Ausstoßung von Wasser (sowie Zellstoffwechselprodukten) aus der Belastungszone deformiert, die Ionenkonzentration in der interstitiellen Flüssigkeit steigt an. Die Wasserbewegung hängt direkt von der Dauer und Kraft der ausgeübten Belastung ab und wird durch die negative Ladung der Proteoglykane verzögert. Während der Gewebedeformation werden die Proteoglykane fester gegeneinander gepresst, wodurch die Dichte der negativen Ladung effektiv erhöht wird. Die intermolekularen Kräfte, die die negative Ladung abstoßen, erhöhen wiederum den Widerstand des Gewebes gegen weitere Deformation. Schließlich erreicht die Deformation ein Gleichgewicht, in dem die äußeren Belastungskräfte durch innere Widerstandskräfte – Quelldruck (Wechselwirkung von Proteoglykanen mit Ionen) und mechanische Spannung (Wechselwirkung von Proteoglykanen und Kollagenen) – ausgeglichen werden. Wenn die Belastung entfernt wird, nimmt das Knorpelgewebe durch die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen seine ursprüngliche Form an. Die anfängliche (Vorspannungs-)Form des Gewebes wird erreicht, wenn der Quelldruck der Proteoglykane durch den Widerstand des Kollagennetzwerks gegen ihre Ausbreitung ausgeglichen wird.

Die biomechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels beruhen auf der strukturellen Integrität des Gewebes – einer Kollagen-Proteoglykan-Zusammensetzung als feste Phase sowie Wasser und gelöste Ionen als flüssige Phase. Unbelastet beträgt der hydrostatische Druck des Gelenkknorpels etwa 1–2 atm. Dieser hydrostatische Druck kann in vivo im Stehen auf 100–200 atm pro Millisekunde und beim Gehen auf 40–50 atm ansteigen. In-vitro-Studien haben gezeigt, dass ein hydrostatischer Druck von 50–150 atm (physiologisch) innerhalb kurzer Zeit zu einem moderaten Anstieg des Knorpelanabolismus führt und über 2 Stunden zu einem Verlust von Knorpelflüssigkeit führt, aber keine weiteren Veränderungen hervorruft. Die Frage, wie schnell Chondrozyten in vivo auf diese Art von Belastung reagieren, ist noch ungeklärt.

Die dadurch verursachte Abnahme der Hydratation mit der darauf folgenden Zunahme der Proteoglykankonzentration führt zur Anziehung positiv geladener Ionen wie H ⁺ und Na ⁺. Dies führt zu einer Veränderung der gesamten ionischen Zusammensetzung und des pH-Werts der extrazellulären Matrix und der Chondrozyten. Langfristige körperliche Betätigung bewirkt eine Abnahme des pH-Werts und gleichzeitig eine Abnahme der Proteoglykansynthese durch Chondrozyten. Es ist möglich, dass der Einfluss des extrazellulären ionischen Milieus auf Syntheseprozesse teilweise auch mit seinem Einfluss auf die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix zusammenhängt. Neu synthetisierte Aggrecanmoleküle reifen in einer schwach sauren Umgebung später zu aggregierten Formen heran als unter normalen Bedingungen. Es ist wahrscheinlich, dass eine Abnahme des pH-Werts um die Chondrozyten (z. B. während körperlicher Betätigung) dazu führt, dass mehr neu synthetisierte Aggrecanmoleküle die interterritoriale Matrix erreichen.

Wenn die Belastung entfernt wird, kehrt Wasser aus der Synovialhöhle zurück und transportiert Nährstoffe für die Zellen. Im von Arthrose betroffenen Knorpel ist die Konzentration von Proteoglykanen reduziert, daher bewegt sich Wasser während der Belastung nicht nur vertikal in die Synovialhöhle, sondern auch in andere Richtungen, wodurch die Ernährung der Chondrozyten verringert wird.

Ruhigstellung oder leichte Belastung führen zu einer deutlichen Abnahme der Knorpelsynthese und des Proteoglykangehalts, während erhöhte dynamische Belastung einen moderaten Anstieg von Proteoglykansynthese und -gehalt bewirkt. Anstrengende körperliche Betätigung (20 km/Tag über 15 Wochen) führte bei Hunden zu Veränderungen des Proteoglykangehalts, insbesondere zu einer starken Abnahme ihrer Konzentration in der oberflächlichen Zone. Es kam zu einer gewissen reversiblen Knorpelerweichung und subchondralen Knochenumgestaltung. Starke statische Belastung führte jedoch zu Knorpelschäden und anschließender Degeneration. Außerdem löst der Verlust von ECM-Aggrecan die für Osteoarthritis charakteristischen abnormen Veränderungen aus. Der Verlust von Aggrecan führt zur Anziehung von Wasser und zum Anschwellen der geringen verbleibenden Proteoglykanmenge. Diese Auflösung des Aggrecans trägt zu einer Abnahme der lokalen festen Ladungsdichte bei und führt letztendlich zu einer Veränderung der Osmolarität.