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Gelenkknorpel - Aufbau, Biomechanik und Ätiologie der Entstehung von Verletzungen

1) Gelenkknorpel - Basisinformationen

a. Morphologie des Gelenkknorpels



Zeichnung 1. Aufbauschema eines Gelenkes und des Anordnung der Schichten im Querschnitt des Gelenkknorpels

Die wichtigste Eigenschaft des Gelenkknorpels, die ihre Funktion näher bestimmt, ist ein großer Reibungswiderstand. Deshalb befindet es sich an den Enden der Gelenkknochen, und schützt diese vor Abnutzung infolge der Arbeit des Bewegungsapparates. Die große Elastizität dieses Gewebes führt dazu, dass es sich problemlos unter der Einwirkung der Bewegungskräfte während der Körperbewegung verformen kann, und trägt so zum großen Teil die auf das Gelenk einwirkenden Belastungen. Die Oberflächen menschlicher Gelenke bestehen aus zwei Arten der stützenden Bindegewebegattung: der hyaliner (die meisten) und der faseriger Knorpel. Mit dem Alter ändert der Knorpel sein Äußeres und nimmt eine gelblichere Farbe an, seine Elastizität und Dicke gehen auch zurück. Dies führt zu einer beschränkten Gelenkdämpfung sowie einer größeren Verletzungsanfälligkeit.  

Bei einem typischen Gelenk unterscheiden wir zwei miteinander wirkende Flächen: die konklave - Gelenkpfanne und die konvexe - Gelenkkopf (hat meistens einen härteren Knorpel). Mit dem Alter wird der Knorpel im Zentrum des Gelenkkopfes dicker, während er im mittleren Bereich der Gelenkpfanne immer dünner wird. Die Knorpeldicke ist je nach Gelenkart und der Lokalisierung unterschiedlich. Der dickste beträgt 6 mm und befindet sich an der Kniescheibenrinne, und der dünnste beträgt ca. 0,2 mm. Die durchschnittliche Knorpeldicke variiert zwischen 0,5 - 2 mm. Eine Tatsache ist jedoch erstaunlich, und zwar, dass keine Abhängigkeiten zwischen dem Knorpelumfang und dem Alter, dem Gewicht und der Körpergröße beobachtet werden konnten.
Der Gelenkknorpel hat keine Blut- und Lymphknoten und ist nicht mit Nerven durchzogen. Die Ernährung dieses Gewebes erfolgt fast nur auf dem Weg der Diffusion (freie Durchdringung) der Substanzen von der Seite der Gelenkhöhle, sowie in einem kleinen Teil (1 - 7 %) über Kapillaren, die von den Gefäßen des subchondralen Knochengewebes abgehen und bis zu der verkalkten Knorpelschicht führen. Das Fehlen der Knorpelhaut verhindert praktisch eine Regeneration des Gelenkknorpels, was nicht bedeutet, dass dieser Prozess unmöglich ist.


b. Struktur des Gelenkknorpels

Der Gelenkknorpel besteht aus Schichten (siehe Zeichnung 1). Ihr äußerster Teil, die Außenhüllenschicht, die sich in direkter Nachbarschaft zu der Gelenkhöhle befindet, hat keine Zellen, verfügt jedoch über zahlreiche, parallel zu der Gelenkoberfläche angeordnete Kollagenfasern (Typ II, IX und XI), wenige Glykosaminoglykane und ist reich an Hyaluronsäure. Die äußere Schicht, die ca. 10 % der Knorpeldicke ausmacht, spielt die Rolle einer Schutzhülle für die darunter liegenden Knorpelstrukturen. In der nächsten Schicht, die ca. 40 % des Knorpelumfangs bilden, sind die Kollagenfasern schräg angeordnet. Die zwei tiefsten Schichten, die 50 % der Knorpeldicke ausmachen, das sind die Strahlenschicht, mit einem senkrechten Verlauf der Kollagenfasern und die verkalkte Knorpelschicht, die direkt an dem subchondralen Knochengewebe liegt. Dieser komplexe, Schichtaufbau der Kollagenfasern gibt dem Gelenkknorpel eine entsprechende Stabilität und sorgt für eine effiziente Verteilung der Kräfte, die auf das Gelenk während der Körperbewegung einwirken, wodurch eine wirkungsvolle Dämpfung garantiert und der Bewegungsapparat vor Verletzungen geschützt wird.



Zeichnung. 2 Hypothetisches Schema der Struktur des Knorpel“Aggrecans“

Die Chondrozyten (Knorpelzellen) stellen nur cirka 1 % des Knorpelvolumens dar und sind für die Synthese, den Kataboslimus und die allgemeine Homöostase des Knorpels zuständig. Sie hängen in der Interzellularsubstanz, die hauptsächlich aus Wasser (60 - 80 % der gesamten Masse), Kollagen (60 % der Trockenmasse) und Proteoglykanen (30 % der Trockenmasse) besteht. Die Physiologie des Knorpels und deren typische, klebrig-elastische Eigenschaften, ergeben sich direkt aus der Tatsache, dass eben Wasser dessen Hauptbestandteil ist.

c. Gelenkflüssigkeit und Schutz der Knorpelfunktionalität

Die Gelenkhöhle ist mit einer klebrigen Flüssigkeit gefüllt, die aus Hyaluronsäure, Lubricin, Proteinasen und Kollagenosen besteht. Sie wird von den Zellen des Schleimbeutels ausgeschieden und bildet auf dessen Oberfläche eine Schicht von ca. 50 µm. Gleichzeitig dringt er in die Mikrofalten und Vertiefungen auf der Gelenkoberfläche ein, wodurch alle leeren Räume gefüllt werden. Die wichtigste Funktion der Gelenkflüssigkeit ist die Verringerung der Reibung zwischen den Oberflächen der Gelenkknorpel. Der polysaccharide Aufbau der hyaluronsäure sorgt, Dank der Wirkungsweise Zucker-Zucker und/oder Zucker-Protein, für die Bildung einer klebrigen Barriere auf der Knorpeloberfläche, die wirksam der Zerstörung des Knorpels, durch die Minimalisierung der Freisetzung von Proteoglykanen aus der Intrazellularsubstanz, entgegenwirkt. Das Ergebnis einer deutlichen Verringerung der Reibung innerhalb des Gelenkes wurde bei Untersuchungen an Tieren ebenfalls durch eine orale Verabreichung von Chondroitinsulfat erreicht. Dies wirkte sich direkt auf die Erhöhung der Klebrigkeit der Gelenkflüssigkeit, also eines Zustandes, der Dank der physiologischen Existenz der Hyaluronsäure in der Gelenkhöhle erreicht wird.

2) Die biochemische Struktur des Chondroitinsulfates (SC)



Zeichnung 3. Chemische Struktur eines Monomers der Chondroitinsulfat-Kette

Das Polysaccharid, zu dem das Chondroitinsulfat (SC) gehört, bildet den Hauptbestandteil der extrazellulären Substanz aller Bindegewebe. Seine Hauptaufgabe besteht darin, Proteoglykene über die Bildung einer Kovalenzverbindung mit den Proteinen, herzustellen. Der Hauptstrukturbauteil (Monomer) des Knorpelpolysaccharides, zu dem das Chondroitinsulfat gehört, bildet das Disaccharid, das wiederum aus einem Molekül der D-Glucuronsäure, die durch eine Verbindung b 1→3 mit einem Molekül des N-Acety-D-Galactosamin (siehe Zeichnung 3) verbunden ist, besteht. Diese Monomere wiederum sind miteinander durch eine Verbindung b 1→4 verbunden. Die Polysaccharidketten GAG, werden nach der Synthese einer Modifizierung durch die Anbindung an die Galactosaminmoleküle der Sulfongruppen in der Position 4 oder 6 unterworfen. Die ionisierten Sulfongruppen geben zusammen mit den Karboxylgruppen der GAG-Kette eine negative Ladung, deren sehr wichtige Bedeutung in dem weiteren Text beschrieben wurde. Es stellte sich heraus, dass die Anordnung der Verteilung der Sufongruppen in den Chondroitinmonomeren in dem menschlichen Gelenkknorpel je nach Alter und Bereich des Knorpels unterschiedlich ist. Das heißt: in dem wachsenden menschlichen Gelenkknorpel bestehen die SC-Ketten aus 30 - 40 Monomeren mit einem gleichen Verhältnis der Sulfonation der Kohlenstoffe in der Position 4 und 6. Die Chondroitinsulfat-Ketten in einem reifen Gewebe wiederum, sind um cirka 20 Monomere pro Kette kürzer und der Typ der Sulfonation befindet sich überwiegend auf der Position 6.

3) Die Biomechanik des Gelenkknorpels

Die Gelenkoberfläche ist nur scheinbar glatt. In Wirklichkeit hat sie eine sehr komplexe Struktur, die aus vielen Falten, kleineren Vertiefungen und noch kleineren Erhöhungen besteht. Dank einer derartigen Struktur, kann die Gelenkknorpeloberfläche einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten erreichen, dieser schwankt zwischen 0,01 - 0,02 (für das Knie beträgt dieser Koeffizient nur 0,002). Dieser Koeffizient ist zu dem Anstieg der Belastung umgekehrt proportional und geht ebenfalls nach dem Überziehen der Gelenkoberfläche mit der Gelenkschmiere deutlich zurück.
Die biomechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels sind das Ergebnis der physikochemischen Eigenschaften der Glykosaminoglykane, die 80 - 90 % der Masse der Proteoglykane darstellen. Die Anwesenheit der in Reihen angeordneten Hydroxylgruppen, der ionisierten Sulfon- und Karboxylgruppen, führt infolge der Auftretenden elektrostatischen Kräfte zu der Anziehung einer großen Anzahl von Wassermolekülen an die Proteoglykane. Unter dem Einfluss der Ansammlung negativer Ladungen, organisieren sich die Wasserdipole zu mehrschichtigen Netzen, welche sich um die sie umgebenden anziehenden Landungen legen. Dies führt zu der Entstehung osmotischer Gradienten und zur Induktion des Quelldruckes (eng. swelling pressure). Um das etwas bildhafter darzustellen, sollte man sich den Gelenkknorpel als eine mit Wasser gefüllte Matratze vorstellen, in welcher der Wasserdruck Dank der permanenten Arbeit einer Wasserpumpe aufrechterhalten wird. Die Oberfläche der Matratze bildet den äußeren Teil der Oberflächenschicht des Gelenkknorpels und die Rolle der Pumpe spielen die wasserbindenden Proteoglykane. Wenn der Gelenkknorpel einer Belastung ausgesetzt wird, wird das elektrostatisch gebundene Wasser zwischen den Strukturen der Proteoglykane herausgepresst. Die infolgedessen sich annähernden negativ geladenen Gruppen, führen zu einem weiteren Druckanstieg, und verhärten dabei den Knorpel noch zusätzlich. Wenn der Druck nachlässt, kehren die Wasserdipole in das Milieu der negativen Ladungen zurück und stellen die geordnete Knorpelstruktur wieder her. Die Art der Spannung in dem Knorpel ist nicht identisch. Während dessen Belastung, werden die tieferen Schichten zusammengedrückt während die oberen Schichten gedehnt werden, daher zeichnen sich die zweit genannten durch eine höhere Steifigkeit aus. Es wurde erwiesen, dass der Gelenkknorpel als Antwort auf seine Belastung mit der Reduzierung seines Umfangs reagiert. Dies wurde anhand von Studien an Freiwilligen bewiesen, bei denen nach einem Satz von 50 Kniebeugen der Umfang des Kniescheibenknorpels gemessen wurde. Dieser war nach 3 - 7 min. um 6 % und nach 8 - 12 min. um 5 % kleiner im Vergleich zum Ruhezustand. Mit der Zeit, nach Beendigung des Reizes, wurde eine Rückkehr des Knorpelvolumens zu den anfänglichen Parametern beobachtet. Dies ergibt sich durch den fortschreitenden Wiederaufbau der Knorpelstruktur infolge der Rückkehr der Wasserdipole in das negativ geladene Milieu und die vollständige Wiederherstellung der hydrodynamischen Eigenschaften des Gelenkknorpels.

4) Ätiologie der Entstehung von Verletzungen des Gelenkknorpels.

Die Kontaktoberfläche im Bereich des Gelenkes ist bei weitem nicht perfekt, denn der Wirkungsbereich selbst ist oft sehr klein. Infolge dessen, breitet sich die auf das Gelenk einwirkende Belastung auf eine sehr kleine Fläche aus, was diese Stelle schädigen und zu einer Wachstumshemmung des Knorpels an dieser Stelle führen kann. Die Anpassungsreaktion des Organismus an die ungünstigen Bedingungen wirkt sich in der Beschleunigung des Knorpelwachstums in weniger belasteten Gelenkbereichen aus, um die Wirkungsfläche zu vergrößern und dadurch die Kraft der einwirkenden Belastung auf eine größere Fläche zu verlagern. Dadurch kommt es zu einer Verringerung des schädigenden Charakters. Eines der am häufigsten vermuteten Entwicklungsmechanismen des degenerierten Zustandes des Gelenkknorpels, gibt als dessen Hauptursache die hohe Impulsdynamik an, die sehr stark ist und vor allem nur kurz wirkt. Ihr schädlicher Einfluss ergibt sich aus der Tatsache, dass das Gewebe des Gelenkknorpels und die darunter liegenden Schichten Zeit benötigen, um deren Form an die sich plötzlich ändernden mechanischen Bedingungen anzupassen. Bei einem zu starken Impuls, kann dieser Mechanismus nicht funktionieren (es ist eine länger anhaltende statische Belastung erforderlich) und die kunstvolle Struktur, angelehnt an die Idee der mit Wasser gefüllten Matratze, kann beschädigt werden und ihre hydrodynamischen Eigenschaften verlieren. Auf diese Art und Weise kann der Prozess der Depolymerisation der Proteoglykane und der Zerfall des Gelenkknorpels beginnen.
Es wurde festgestellt, dass eine normale, physiologische Belastung der Gelenke für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes zwischen der Synthese und dem Zerfall der Moleküle der extrazellulären Substanz, sowie für die Beibehaltung eines entsprechenden Tempos bei der Umwandlung der Knorpelstrukturen, die bei einer richtigen Biomechanik des Knorpels notwendig sind, erforderlich ist. Andererseits stimmt es, dass eine zu große, mechanische Belastung der Gelenkknorpelstrukturen, die zum Beispiel mit dem Übergewicht einhergeht, ein ätiologischer Schlüsselfaktor für die Entstehung und Entwicklung der Arthritis ist. Man nimmt an, dass Störungen der Biomechanik des Gelenkknorpels die Folge der veränderten Form der Chondrozyten, und somit der daraus folgenden Veränderung bei der Interaktion mit der extrazellulären Substanz, sind, was wiederum zur Aktivierung unterschiedlicher intrazellulärer Signalwege führen kann, die sich auf die Sekretion der in den Chondrozyten produzierten Bestandteile auswirkt. Dies kann auf die folgende Weise genauer erklärt werden: ein übermäßiger mechanischer Druck auf den Gelenkknorpel kann die physikochemischen Eigenschaften (pH-Wert, ionische Kraft, usw.) der intrazellulären Substanz, und infolge dessen die Diffusionsfertigkeit und die Konzentration der Wachstumsfaktoren und der Zytokone verändern, was wiederum die Charakteristik der Ligand-Receptor-Wechselwirkung verändern und was wiederum im Endeffekt die Störungen der Charakteristik der intrazellulärer Signalwege ergeben kann.
  
5) Das anabol-katabole Gleichgewicht innerhalb des Gelenkknorpels

a. Biosynthese und Regelung des Proteoglykans

In dem Knorpelgewebe des Gelenkes weisen mehr als 50 % der Chondrozyten die Symptome des Beschreitens des Weges des programmierten (apoptotischen) Absterbens auf, wohingegen in einem typischen Gelenkknorpel nur 10 % der Zellen ähnliche Symptome zeigen. Diese Tatsache gibt wider, wie dynamisch dieser Bereich unsres Körpers ist und wie effizient die Zerfall- und Wiederaufbauprozesse der Gewebestrukturen im Bereich des Gelenkes stattfinden müssen. Auch wie präzise diese geregelt werden müssen.
Für die Proteoglykansynthese werden Proteine, aktivierte Kohlenstoffe (die meisten davon sind Uridindiphohsphat-Derivate UDP) und Enzyme (Gylcose und Sulfotransferasen) benötigt. Die Kernproteine der Proteoglykanaggregate werden auf den Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums synthetisiert und in dessen Licht freigesetzt. Anschließend werden ihnen in dem Golgi Apparat die Polysaccharidketten der Chondroitins und Keratans angefügt. Der letzte Schritt ist die Sulfonierung spezieller Kohlenstoffatome. Der Syntheseprozess eines Proteoglykan-Aggergates erfordert mehr als 10 000 Enzymreaktionen.
Die Synthese der Knorpelproteoglykane wird von dem Uridindiphosphat-N-Acetylglucosamin (UDP-GlaNac) gehemmt, welches der Inhibitor der Aminotransferase ist und von der Uridindiphosphat-Xylose - den Initiator der Synthese der Polysaccharidkette - aktiviert. Zusätzlich, aktiviert jedes neu synthetisierte Monomer (Disaccharid) der Glykosaminoglykankette, eine weitere Verlängerung der entstehenden Struktur.
 
b.  Der Zerfallmechanismus des Gelenkknorpels

Auf natürliche Weise wird das Chondroitinsulfat innerhalb der extrazellulären Knorpelsubstanz infolge der Aktivität, der von den Bindegewebezellen freigesetzten liposomen Enzyme - Glycosidasen (N-Acetylglucosaminidase, Galactosidase, Glucuronisade) und Chondroitinasen zersetzt, welche die Verbindung zwischen dem N-Acetyl-D-Glucosamin und der D-Glucuronsäure zerstören, und damit zum Zerfall innerhalb der Monomere, die eine lange Glykosaminoglykankette bilden, führen. Bei diesem Mechanismus handelt es sich um einen natürlichen Weg für die Umwandlung der Gewebestrukturen, die ebenfalls bei dem Beseitigungsprozesse zerstörter und/oder beschädigter Fragmente genutzt wird.

Nichtsdestotrotz kann sich der Zersetzungsprozess selbst, der Kontrolle durch den Organismus „entziehen” und in einem viel größeren Umfang stattfinden, in dem er die übrigen Bestandteile der Knorpelsubstanz einbezieht. Dies findet während der Entwicklung eines Entzündungszustandes innerhalb des Gelenkknorpels statt. An diesem Prozess sind weiße Blutkörperchen (Leukozyten) beteiligt, die bei der Ausscheidung von Enzymen - Elastasen, die komplizierte Struktur der Proteoglykan- und Kollagenaggregate desorganisieren (zerfallen lassen). An diesem „Massenzerfall” des Gelenkknorpels sind sehr häufig auch Chondrozyten beteiligt, in dem sie an die extrazelluläre Substanz Enzyme wie: Cathepsin B, Metalloproteasen oder Serinproteasen abgeben, die sich besonders stark an der weiteren Zerstörung der Proteoglykane und des Kollagens beteiligen und den Knorpel seiner typischen klebrig-elastischen Eigenschaften sehr effizient berauben.
Glücklicherweise stellte es sich heraus, dass man diesem Prozess effektiv entgegenwirken kann. Wie bereits oben erwähnt, führte die Verabreichung von Chondroitinsulfat (SC) zu einer Verbesserung der Klebrigkeit der Gelenkflüssigkeit, einer Verringerung der Reibung zwischen den Gelenkoberflächen und somit zu einem Rückgang der mit Arthritis einhergehenden Beschwerden. Es wurde bewiesen, dass SC imstande ist, die zerstörerische Aktivität der oben genannten Enzyme aufzuhalten. Dies geschieht mithilfe der Bildung elektrostatischer Verbindungen zwischen den negativ geladenen Sulfatgruppen der Glykosaminoglykane und dem positiv geladenen aktiven Zentrum der proteolytischen Enzyme, was zu einer Blockade der Letztgenannten führt. Die Stärke des Schutzeffektes des SC auf den Gelenkknorpel ist umso höher, je höher die molare Masse der in dem Kettengewebe des Glykosaminoglykans ist. Eine wichtige Bedeutung hat hier auch das Sulfonierungsmuster der N-Acetyl-D-Glucosamin Moleküle, die einen Bestandteil des Chondroitinsulfat Monomers bilden. Es stellt sich nämlich heraus, dass eine viel wirksamere Inhibition (Hemmung) des Enzündungsprozesses dann stattfindet, wenn die Sulfanisomere in der Position 6 überwiegen.

6) Zusammenfassung

Die Natur kommt uns oft bei der Behandlung verschiedener Krankheiten zu Hilfe. So ist es ebenfalls im Fall der Störungen in der richtigen Funktionsweise innerhalb des Bewegungsapparates. Das Chondroitinsulfat ist nur eine von mehreren wirksamen Substanzen, die Erleichterung bringen und die zur Verbesserung des Gesundheitszustandes unserer Gelenke beitragen. Seine Wirksamkeit, ähnlich wie die von einigen anderen chemischen Verbindungen, wird immer mehr durch Ergebnisse klinischer Studien belegt. Das Bewusstsein dessen, was in unserem Organismus passiert, gibt uns das Wissen darüber, wie wir den darin verlaufenden ungünstigen Veränderungen entgegenwirken können. Ich hoffe, dass es mir mit diesem Artikel gelungen ist Ihr Interesse, an dem Aufbau und der Funktionsweise des Gelenkknorpels sowie dem Gleichgewicht der darin verlaufenden biochemischen Prozesse, zu wecken. Mit welchen „Waffen“ wir gegen den sich verschlechternden Gesundheitszustand unsrer Gelenke kämpfen können und vor allem wie man diesem unglücklichen Zustand entgegenwirken kann, werde ich versuchen Ihnen in den weiteren Artikeln aus dieser Reihe näher zu bringen. In dem ich jedem Leser von Perfect Body viel Gesundheit wünsche, möchte ich Sie zur Lektüre weiterer Ausgaben anregen.
 

Dr. Ing.  Piotr Kaczka

 


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