Kalzifizierte Knorpelzone – eine natürliche Grenze des osteochondralen Gewebes zur Kontrolle der Diffusion von Molekülen zwischen Knorpel und subchondralem Knochen

• Antragstellerin: Dr. Andrea Schwab
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491667286

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Osteoarthrose (OA) ist die weltweit am häufigsten vorkommende Gelenkserkrankung, die alle Gewebe im Kniegelenk betrifft. Mehr als 20% der Deutschen leiden an dieser schmerzhaften Krankheit. Es bedarf ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen im osteochondralen Gewebe, speziell in der Region des kalzifizierten Knorpels (ZCC), um in den Krankheitsverlauf eingreifen zu können. Die ZCC verbindet den subchondralen Knochen mit dem darüber liegenden nicht kalzifizierten Knorpel. Jedoch ist nur wenig über die Rolle der ZCC in der Entwicklung und dem Voranschreiten der OA bekannt. Das Ziel dieses Projekts war die Charakterisierung der ZCC und des Phänotyps der Chondrozyten in der ZCC in osteochondralem Gewebe von OA Patienten. In diesem Projekt konnten wir zeigen, dass Chondrozyten in chondralen Gewebeexplantaten von OA Patienten neutrale TRITC-Dextran Moleküle aufnehmen. Die Größe der Moleküle war so gewählt, um die Molekülgröße von Morphogenen und Wachstumsfaktoren, die in der Knorpelerhaltung und OA eine Rolle spielen, nachzubilden. Die dichte kollagen- und proteoglykanreiche Knorpelmatrix limitierte die Diffusion. Die kleineren 40kDa Moleküle diffundierten in tiefere Schichten der Explantate im Vergleich zu den größeren 155kDa Molekülen. Die Diffusion und somit die zelluläre Aufnahme der Partikel begrenzte sich auf die Randbereiche. Um den Zellphänotyp der Chondrozyten in der ZCC zu untersuchen, haben wir ein Protokoll zur Probenbearbeitung etabliert, mit dem wir die ZCC spezifisch aus humanem OA Gewebe isolierten. Mittels des LasermikrotomsTissueSurgeon (Kollaboration mit LLS Hannover) haben erfolgreich RNA aus dieser dünnen Schicht isoliert und, zum ersten Mal, die RNA aus dieser Zone sequenziert (Kollaboration mit Genomics core facility des Gast-Instituts). Um die Reaktion der Zellen in der ZCC auf osteoarthritische Faktoren (TGFβ1, inflammatorischer Zytokinmix) zu untersuchen, habe ich ein ex vivo Kulturmodell aus verkalkten Gewebeexplantaten, bestehend aus der ZCC mit einer dünnen Schicht des subchondralen Knochens, etabliert. Die Zellen in diesen verkalkten Gewebeexplantaten unterschieden sich von den Chondrozyten in den nicht verkalkten Knorpelexplantaten durch eine höhere Expression der hypertrophie- und knochenassoziierten Gene (COL10A1, COL1A1, SPP1, RUNX2). Die für den nicht verkalkten Knorpel charakteristischen Gene COL2A1 und ACAN wurden in den verkalkten Explantaten im Vergleich zu den nicht verkalkten Proben weniger exprimiert. Die Zellen in den verkalkten Explantaten reagierten auf die Stimulation mit dem Zytokinmix mit einem Anstieg von MMP13 und IL6; die Stimulation mit TGFβ1 resultierte in einem Anstieg des Hypertrophiemarkers COL10A1 in den verkalkten Explantaten verglichen mit den nicht stimulierten Explantaten. Die Charakterisierung der humanen ZCC und die Reaktion der Zellen in den verkalkten Explantaten auf OA-assoziierte Faktoren bieten einen neuen Ansatz, um die Mechanismen der Knorpelverkalkung und Chondrozytenhypertrophie besser zu analysieren. Die Möglichkeit RNA aus der dünnen, verkalkten ZCC zu isolieren ermöglicht eine verbesserte Charakterisierung der in der Schicht angesiedelten Chondorzyten. Dieses Wissen kann zu neuen Behandlungsansätzen führen, mit dem Ziel das Fortschreiten der OA und die Knorpeldegeneration zu verzögern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• GRC on Cartilage Biology and Pathology 2023 – Poster “Changes in the human calcified cartilage during osteoarthritis”
  Schwab, Andrea
  
• International Society for Ectopic Calcification (INTEC) Annual Meeting 2023 – Oral “An ex vivo human calcified tissue explant model to study the response of cells in the cartilage-bone interface to cytokines and TGF-β”
  Schwab, Andrea
  
• Loose Bodies Found in the Human Intra-Articular Space Showed Characteristics Similar to Endochondral Bone Formation. CARTILAGE, 15(4), 353-362.
  Schwab, Andrea; Pap, Thomas; Krenn, Veit; Rüther, Wolfgang; Lohmann, Christoph & Bertrand, Jessica
  
• OARSI World Congress 2024 – Poster “A human calcified tissue explant model to decipher the role of the zone of calcified cartilage in osteoarthritis”
  Schwab, Andrea
  
• European Orthopaedic Research Society (EORS) annual meeting 2025 – Oral (accepted) “RNA-sequencing of chondrocytes isolated from the calcified cartilage layer of osteoarthritic osteochondral tissue”
  Schwab, Andrea
  
• Gordon Research Conference (GRC) on Cartilage Biology and Pathology 2025 – Poster (accepted) “Unravel the phenotype of chondrocytes in the zone of calcified cartilage and their response to osteoarthritic factors”
  Schwab, Andrea