Arthroseforschung: Wie Knorpelzellen auf Belastung reagieren

Mechanischer Stress aktiviert ein Protein, das Knorpelgewebe regeneriert – derselbe Effekt lässt sich mit einem chemischen Wirkstoff erzielen
Fluoreszenzfarbstoffe zeigen an, ob Kalziumkonzentrationen in Knorpelzellen steigen (grün) oder sinken (rot).
Fluoreszenzfarbstoffe zeigen an, ob Kalziumkonzentrationen in Knorpelzellen steigen (grün) oder sinken (rot).
© Duke Medicine
Durham (USA) - Normale mechanische Belastungen der Gelenke sind notwendig, um den Gelenksknorpel gesund zu erhalten. Übermäßige Beanspruchung kann dagegen eine Degeneration des Knorpelgewebes bewirken und zur Arthrose führen. Wie Druckkräfte die Knorpelzellen dazu anregen, für eine ausreichende Knorpelmasse zu sorgen, haben amerikanische Mediziner jetzt herausgefunden. Eine zentrale Rolle dabei spielt ein Protein, das den Fluss von Kalziumionen im Zellinnern reguliert. Bei Druckbelastung steigt die Aktivität dieses sogenannten Ionenkanals und erzeugt ein Signal zur verstärkten Produktion von Knorpelsubstanz. Ist seine Funktion gestört, erhöht sich das Risiko einer Arthrose, schreiben die Forscher im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)”. Sie fanden zudem einen Wirkstoff, der den Ionenkanal direkt aktiviert und so den positiven Effekt von mechanischem Druck nachahmt. Daraus ließen sich Medikamente entwickeln, um degenerative Gelenkserkrankungen zu behandeln und die Anzucht von Knorpelgewebe im Labor zu verbessern.

„Im nächsten Schritt wollen wir prüfen, ob die Technik des simulierten ‚Trainings’ auch bei menschlichen Zellen funktioniert; diese könnten dann dazu dienen, neues Knorpelgewebe wachsen zu lassen“, sagt Christopher O’Conor aus dem Labor von Farshid Guilak an der Duke University in Durham. Die Forscher arbeiteten mit Knorpelzellen von Schweinen. Die Zellen wurden in ein Gel eingebettet, das die Rolle der Zwischenzellsubstanz übernahm. Diese extrazelluläre Matrix ist ein wichtiger Bestandteil des Knorpels und schützt unter anderem die Zellen vor mechanischem Stress. Sie muss von den Knorpelzellen stets erneuert werden, damit die Funktion der Gelenke erhalten bleibt.

Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass bei Druckbelastung die Aktivität des Ionenkanals TRPV4 in den Knorpelzellen anstieg, was veränderte Kalziumkonzentrationen in ihrem Innern zur Folge hatte. Der Fluss von Kalziumionen schaltete Gene ein, die eine vermehrte Bildung von Zwischenzellsubstanz bewirkten. Gleichzeitig hatte das Signal einen entzündungshemmenden Effekt. War der Ionenkanal TRPV4 blockiert, blieben diese gelenkschützenden Reaktionen aus. Sie konnten aber auch dadurch erzeugt werden, dass anstelle des mechanisch ausgeübten Drucks auf die Zellen der Ionenkanal durch einen chemischen Wirkstoff aktiviert wurde.

Demnach ist eine ausreichende Aktivität von TRPV4 für die natürliche Neubildung von Knorpelmasse als Reaktion auf Belastung unbedingt notwendig. Daraus ergeben sich für Arthrosepatienten neue Behandlungsstrategien, die auf diesen Ionenkanal abzielen. Zum einen wäre es möglich, durch ein Medikament die Erneuerung von geschädigtem Knorpelgewebe anzuregen. Zum anderen könnte dasselbe Mittel im Labor die Anzucht von Knorpelgewebe optimieren, welches dann als Ersatzgewebe für Transplantationen zur Verfügung stünde.

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