Biomechanical and Biochemical Characterization of Menisci and Articular Cartilage in Degenerated Knees [English translation]

Zielsetzung dieser Studie war es, die biomechanischen Eigenschaften degenerierter, humaner Menisken sowie degenerativ veränderten Gelenkknorpels im Kniegelenk zu charakterisieren. Hierfür wurden die biomechanischen Eigenschaften durch sphärische Indentation, sowie die biochemische Zusammensetzung mittels Infrarotspektrometrie und Lyophilisierung, von 24 Leichenknien in vitro bestimmt. Die untersuchten Knie wurden vor der Testung in 12 leicht und 12 stark degenerierte Knie unterteilt. Biomechanisch geprüft wurden alle artikulierenden Bestandteile des Kniegelenks also die Menisken, ebenso wie der Gelenkknorpel von Tibiaplateau, Femurkondylen und Patella. Die biochemische Untersuchung geschah an Proben, welche aus den Menisken und dem Gelenkknorpel des Tibiaplateaus entnommen wurden. Die Charakterisierung der biomechanischen Eigenschaften erfolgte vollautomatisch mittels sphärischer Indentation durch eine multiaxiale Prüfmaschine. Im Zuge dessen wurde die Dicke des Meniskus bzw. des Gelenkknorpels gemessen und der instantaneous modulus berechnet. Dieser ermöglichte einen Rückschluss auf die elastischen Eigenschaften des jeweiligen Gelenkbestandteils. Die Untersuchung erfolgte an vollständigen, intakten Gelenkbestandteilen und am Meniskus in Gänze, sodass die strukturelle Integrität der geprüften Gewebe während der Indentation nicht beeinträchtigt wurde. Ferner wurde mittels Infrarotspektrometrie die biochemische Zusammensetzung der Menisken und des Tibiaplateaugelenkknorpels bestimmt. Da die biochemische Zusammensetzung wichtige Rückschlüsse auf degenerative Prozesse geben kann, sollte die verwendete Methode der infrarotspektrometrischen Massenanteilsbestimmung an feuchten Proben etabliert werden. Mit Hilfe dieser Methode wurden die Proben auf Kollagen-, Proteoglykan-, Kalziumphosphat-, und Wassergehalt untersucht. Für eine zusätzliche Ermittlung des Wassergehalts wurde an denselben Proben eine Lyophilisierung durchgeführt. Bei der vorliegenden Querschnittsstudie handelt es sich um eine explorative Datenerhebung zur Darstellung degenerativer Veränderungen im Kniegelenk. Die Messung der Knorpeldicke ergab eine Zunahme der Dicke bei starker Degeneration. Dies konnte in der vorliegenden Studie für die laterale Seite des Tibiaplateaus nachgewiesen werden. Auf der medialen Seite des Tibiaplateaus bei starker Degeneration war jedoch keine signifikante Änderung der Knorpeldicke zu beobachten. Basierend auf der Erkenntnis, dass es mit erfolgtem Aufquellen zu einem Strukturverlust des Knorpels kommt, schien es anschließend zu einem Abrieb der Knorpelsubstanz gekommen zu sein. Für den Gelenkknorpel des Tibiaplateaus konnte darüber hinaus eine klare Korrelation zwischen der Zunahme der Knorpeldicke und der Abnahme der instantaneous moduli festgestellt werden. Die Untersuchungen der vorliegenden Studie ergaben signifikante Veränderungen der ermittelten instantaneous moduli bei starker Degeneration. Hierbei kam es sowohl beim lateralen als auch beim medialen Meniskus zu einer Zunahme des instantaneous modulus. Außerdem konnte eine Abnahme des instantaneous modulus des Gelenkknorpels von Tibiaplateau und Patella bei starker Degeneration verzeichnet werden. Die Menisken zeigten hierbei Veränderungen der instantaneous moduli, welche sich noch nicht in Veränderungen des Gelenkknorpels widerspiegelten. Insbesondere galt dies für die laterale Seite des Kniegelenks. Dort nahmen die instantaneous moduli der Menisken bei starker Degeneration bereits signifikant zu, während noch keine signifikanten Abnahmen der instantaneous moduli des Gelenkknorpels von Tibiaplateau oder Femurkondylen festgestellt werden konnten. Es konnte somit dokumentiert werden, dass in den Knien der vorliegenden Studie eine Degeneration des Meniskus vor einer Degeneration des Gelenkknorpels zu verzeichnen war. Mögliche Erklärungen für die Abnahme der elastischen Eigenschaften des Gelenkknorpels bei starker Degeneration gaben die infrarotspektrometrischen Untersuchungen. Zwar war eine exakte Bestimmung der Massenanteile nicht möglich, jedoch konnten signifikante Abnahmen des Kollagen- und Zunahmen der Kalziumphosphatanteils beobachtet werden. Die Messung des Wassergehalts mittels Lyophilisierung ergab für den Gelenkknorpel des Tibiaplateaus signifikant höhere Wassergehalte bei starker Degeneration. Darüber hinaus konnte eine Korrelation zwischen der Abnahme der instantaneous moduli und dem zunehmenden Wassergehalt des Gelenkknorpels bei starker Degeneration gezeigt werden. Abschließend konnte diese Studie somit wichtige Aufschlüsse über den Verlauf degenerativer Veränderungen, vor allem hinsichtlich des Zusammenspiels von Meniskus- und Gelenkknorpeldegeneration, liefern.