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Fragestellung: Zellbasierte Ansätze zur Behandlung von Knorpeldefekten gehen häufig mit der Bildung von überwiegend faserigem Gewebe einher, welches eine geringe Fähigkeit zur mechanischen Belastung innerhalb des Gelenkes aufweist. Aus diesem Grund bleibt die Behandlung von Knorpelläsionen eine klinische Herausforderung. Das Ziel der vorliegenden Studie ist die Charakterisierung des Einflusses kapazitiv gekoppelter elektrischer Wechselfelder bei verschiedenen Frequenzen auf humane Chondrozyten in vitro im Hinblick auf eine mögliche Redifferenzierung expandierter Zellen.

Methodik: Für die kapazitive Einkopplung der elektrischen Wechselfelder wurde ein 6-Well Zellkultursystem verwendet. Es wurden zwei Elektrodenplatten aus Titan waagerecht zueinander an der Außenseite der Wells platziert. Für die Versuche wurden dreimal täglich (je 45 min über 8 h) sinusförmige Wechselspannungen (0,1 V und 1 V) mit zwei Frequenzen (1 kHz und 60 kHz) über einen Zeitraum von 7 Tagen angelegt, sodass sich ein elektrisches Wechselfeld im Well ausbilden konnte. Die für die Experimente verwendeten humanen Chondrozyten wurden aus degenerativ verändertem humanem Gelenkknorpel isoliert. Das Gewebe stammte von n=6 Patienten, welche sich einer primären Kniegelenkersatzoperation unterzogen hatten. Für die Untersuchung des Einflusses der elektrischen Stimulation auf die Chondrozyten wurde die metabolischen Aktivität (WST-1) analysiert sowie Genexpressions- und Proteinanalysen wichtiger hyaliner Differenzierungs- sowie Hypertrophie- und Dedifferenzierungsmarker durchgeführt.

Es wurde der Wilcoxon-Test zur statistischen Analyse der ermittelten Messwerte herangezogen (Signifikanzniveau p < 0.05).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Bei der Betrachtung der metabolischen Aktivität zeigte sich ein signifikanter Unterschied zwischen den Chondrozyten, welche mit 100 mV bei einer Frequenz von 1 kHz vs. 60 kHz (p = 0,0087) stimuliert wurden. Hier war ebenfalls ein signifikanter Unterschied zur unstimulierten Kontrolle (für 1 kHz: p = 0,0476, für 60 kHz: p = 0,0022) nachweisbar. Auf Genexpressionsebene zeigte sich nach Stimulation mit 100 mV und 1kHz im Vergleich zur unstimulieren Kontrolle eine signifikant erhöhte Genexpression von Kollagen 2 (p = 0,0043). Dies konnte auch auf Proteinebene nachgewiesen werden. Zusätzlich kam es durch die elektrische Stimulation zur signifikanten Erhöhung von Kollagen 10 (p = 0,0043) sowie zu einer Zunahme der Kollagen 1-Proteinbiosynthese (p = <0,0001). Die von uns kapazitiv eingekoppelten elektrischen Wechselfelder waren im Vergleich zu anderen Arbeiten (Vaca-González et al. 2017) kleiner, gleichwohl scheinen diese einen signifikanten Einfluss auf die metabolischen Aktivität und Signalwege humaner Chondrozyten zu haben. Weitere Untersuchungen sind durchzuführen, um die Signalwege und positive Wirkung der elektrischen Stimulation auf hyalinen Knorpel im Detail aufzuklären.