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Fragestellung: Chondrozyten der Gelenkoberfläche ordnen sich in bestimmten räumlichen Mustern an: Einzelzellen, Paare, Cluster, Strings. Die Muster sind Gelenktyp- und Gelenkflächen-spezifisch und verändern sich signifikant, wenn das Gelenk von degenerativen Prozessen wie Osteoarthrose (OA) betroffen ist. Die zugrunde liegenden Signalwege sind kaum bekannt. Hier soll durch Aktivierung bzw. Inhibierung des Hedgehog Signalwegs die Organisation von humanen Chondrozyten in vitro beeinflusst werden. Der Hedgehog Signalweg spielt vor allem in der Chondrogenese eine wichtige Rolle. Zudem ist er in der OA hochreguliert, so dass er Effekte auf die räumliche Organisation und ihre Veränderung in OA haben kann.

Methodik: Untersucht wurde der Einfluss der Hedgehog-Inhibitoren GANT-61 (Abcam, Cambridge) und Cyclopamin (Selleck, Houston) auf Chondrozyten in Zellkultur und im Gewebe. Chondrozyten wurden enzymatisch aus humanem Knorpelgewebe von endoprothetischen Kniegelenkseingriffen herausgelöst. Mit Fibronektin (0,2mg/ml) beschichtete Silikon-Membranen wurden mit 25.000 Zellen/ml (n=7 Patienten) besiedelt. Die Inhibitoren wurden in je 2 Konzentrationen (10 und 25µM) untersucht, Kontrollen ohne Zugabe von Inhibitoren wurden mitgeführt. Die Inkubation der Inhibitoren erfolgte 4 und 5 Tage. Weiterhin wurde der Hedgehog Signalweg durch Zugabe von rekombinantem Indian Hedgehog (Ihh, Biomol, Hamburg) in 3 verschiedenen Konzentrationen (0,03; 0,05 und 0,1µg/ml) aktiviert (n=6). In einem dritten Versuch wurde der Hedgehog Signalweg in Knorpelgewebe ex vivo durch Zugabe von Ihh aktiviert. Hierfür wurden Knorpelstanzen der superfiziellen Zone (ø 3mm) 4 Tage mit Ihh (1µg/ml) inkubiert (n=5). Kontrollen wurden mitgeführt. Ausgewertet wurden Zellzahl, Zelldichte, Abstände zur nächstgelegenen Nachbarzelle (Nearest Neighbor Distance) sowie Clusterbildung (Clark-Evans Index). Statistische Analysen wurden mit dem t-Test bzw. Mann-Whitney-Rank-Sum-Test durchgeführt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Mit steigender Konzentration der Inhibitoren ergaben sich in der Zellkultur signifikante Abnahmen der Zellzahl und Zelldichte (p=0,026 bzw. p<0,001), auch die Nearest-Neighbor-Distances vergrößerten sich deutlich (p=0,026 bzw. p<0,001). Des Weiteren lagerten sich die Chondrozyten bei hoher Inhibierung vermehrt in Clustern an (p=0,011 bzw. p<0,001). Durch die Aktivierung des Signalwegs mit Ihh ergaben sich keine signifikanten Änderungen im Hinblick auf Zellzahl und räumliche Organisation. Jedoch erzielte die Behandlung der Knorpelstanzen mit Ihh eine signifikante Proliferation gegenüber den Kontrollen (p=0,025).

Das Hedgehog Signaling ist notwendig für das Überleben von Chondrozyten, da eine starke Inhibierung zum Zelltod, verbunden mit Veränderung der räumlichen Organisation, führte. Im Knorpelgewebe, nicht jedoch in der Zellkultur, erwies sich Ihh als positiver Regulator der Proliferation. Die Aufklärung dieser Prozesse könnte wesentlich zum Verständnis der Pathogenese der Früh-OA beitragen und eine bedeutende therapeutische Relevanz haben.