Der Gelenkknorpel

Der Knorpel nimmt im menschlichen Körper eine Sonderstellung ein - er hat keine Blutgefäße. Abbauprodukte müssen über ein komplexes System aus osmotischem Sog und mechanischem Pumpeffekt gewissermaßen ausgewrungen werden, damit sich der Knorpel anschließend mit frischer Gelenkflüssigkeit und denen in ihr enthaltenen Nährstoffen wieder voll saugen kann. Das Prinzip ähnelt dem eines Schwammes. Der Knorpel steht bei der Arthrose ganz im Mittelpunkt der Betrachtung und damit die Knorpelzelle, die nur in einer von ihr selbst gebildeten Umgebung aus Fasern und Grundsubstanz, der extrazellulären Matrix, ihre physiologische Funktion behält. Die extrazelluläre Matrix des Knorpels ist eine Art Füllstoff, der von den Knorpelzellen gebildet wird und diese umgibt. Sie besteht zu 70-80% aus Wasser. Die Trockensubstanz der Matrix stellt sich fast ausschließlich aus Kollagenen, Proteoglykanen und Glykoproteinen zusammen. Dabei bilden die Kollagene ein Netzwerk aus Fasern und bestimmen Zugfestigkeit und Elastizität des Knorpels. In diesem Gerüst sind negativ geladene Eiweisszucker (Proteoglykane) zu riesigen Molekülen zusammengesetzt und in der Form des Aggrekans eingelagert. Diese negativ geladenen Anteile bewirken einen ständigen Sog für Wasser und Nährstoffe in den Knorpel hinein. Sie spielen damit die Hauptrolle bei der „Instrumentierung“ des Wassers durch osmotischen Druck zum „fluid flow“ und bei der hydraulischen Permeabilität.

Gelenkknorpel - Chondroitinsulfat Einheit

COOH- und SO4-Gruppen an einer Chondroitinsulfat Einheit

In der Abbildung wird die Position der geladenen COOH- und SO4-Gruppen an einer Chondroitinsulfat Einheit deutlich, die die Glukosaminoglykane bilden. Etwa 100 dieser Einheiten sind nach dem Muster einer Flaschenbürste an einen Proteinkern gebunden und stellen das Proteoglykanmonomer dar. Durch Anheftung mehrerer Proteoglykanmonomere an ein fadenförmiges Molekül, dem Hyaluronan, entsteht letztlich die Form des Aggrekans, welches in ein Netzwerk dehnungsresistenter Kollagenfasern eingebettet ist. (Abb. s.o.)

Der osmotische Effekt, den die Proteoglykane ausüben, beruht auf der Anziehung von Gegenionen aus der Gelenksflüssigkeit. Die im Kollagenfaserkäfig intramolekular vereinte Konzentration von negativen und positiven Ladungen übersteigt dadurch wesentlich die seiner Umgebung. Das daraus resultierende starke osmotische Gefälle ist der Grund für den Wassereinstrom, der ein wesentlich höheres Quellungsvolumen erfordern würde, als der verfügbare Raum des Maschenwerkes der Kollagenfasernetze bereitstellt. Der resultierende starke Expansionsdruck liegt im Bereich von 2-3 atm und versetzt die Fasern des Kollagenfaserkäfigs unter Zugspannung. Die besondere Konsistenz des Knorpels ist damit durch das Prinzip der „Quellungsrestriktion“ charakterisiert. Vereinfacht gesagt bildet dies die physikalische Grundlage für die einzigartige Fähigkeit des Knorpels, sich verformen zu können, wieder in seine Ausgangslage zurückzukehren und gleichzeitig hohem Druck, Stößen und Scherkräften standzuhalten.

 

Bei der Beanspruchung der Gelenke lässt sich ein „visko-elastisches“ Verhalten des Gelenkknorpels beobachten, das sich vereinfacht beschreiben lässt durch das Ergebnis der Wasserverdrängung, die auftritt, wenn der Belastungsdruck den beschriebenen osmotischen Quellungsdruck überschreitet. Der Widerstand, auf den der kompressionsbedingte Abstrom des Wassers trifft, entsteht durch die Reibung, die das verdrängte Wasser in den Poren zwischen den eng vernetzten Makromolekülen der extrazellulären Matrix zu überwinden hat.

Die Porengröße verringert sich dabei durch den Belastungsdruck mittels Verdichtung der Makromolekülstruktur. Auf diesem Wege werden dem Flüssigkeitsstrom Grenzen gesetzt, die bei kontinuierlich zunehmender Belastung einen Gleichgewichtszustand erreichen. Da der Viskomechanismus im Gelenkknorpel ein relativ träger Vorgang ist, kann ein ungebremster schlagartiger Druckanstieg (Presslufthammer!) von der viskösen Polsterfunktion nicht mehr abgemildert werden und dürfte aus diesem Grunde schädigende Auswirkungen haben. Die Fähigkeit der Ausdehnung der Knorpelsubstanz in der Dekompressionsphase ist den physiko-chemischen und elektrostatischen Wirkungen der fixierten Ladungen und ihrer Gegenionen zuzuschreiben. Kommt es nun aufgrund der Knorpelkompression zu einer erhöhten Konzentration der negativen Ladungen, üben diese in der Dekompressionsphase einen verstärkten osmotischen „Sog“ aus. Damit wandert das Wasser in Verbindung mit den mobilen, zuvor ebenfalls verdrängten Kationen in den Proteoglykanverbund zurück und stellt so den ursprünglichen Gewebsturgor wieder her.

Ein weiterer Effekt beruht auf dem Prinzip der elektrostatischen Elastizität, auf der Basis der Repulsation der fixierten negativen Ladungen in der Kompression. Die an den Seitenketten der Proteoglykane sitzenden Ladungen mit gleichnamigen Vorzeichen befinden sich im balancierten stationären Zustand in sozusagen „neutraler Distanz“ und wirken bei Kompression durch die gegenseitige Abstoßung mit ihren Repulsationskräften synergetisch mit den osmotischen Kräften zur intramolekularen Entfaltung.

Damit zeigt sich, dass ein Proteoglykanverlust zu einer wesentlichen Schwächung dieses Prinzip führt. Dazu muss man sagen, dass die Produkte der Knorpelzelle, nämlich Kollagen und Proteoglykane eine völlig unterschiedliche Lebensdauer haben. Während das Kollagenfasergerüst langlebig und stabil ist, unterliegen die Proteoglykane einem dauerhaften Verschleiß. Dabei kann die Halbwertszeit der Proteoglykane (genetisch bedingt) teilweise nur eine Woche betragen. Als weiterer Nachteil wirkt sich zusätzlich die große Sensibilität der Knorpelzellen durch ihre hochkomplizierte Ultrastruktur und ihre Lage im gefäßlosen Knorpel aus. Die Ernährung der Knorpelzelle ist nur per diffusionem vom Gelenkspalt her möglich, was eine lange Transitstrecke bedeutet und die Gefahr einer nutritiven Unterversorgung. Die Konsequenz ist ein regionales Proteoglykandefizit im zugehörigen Matrixareal. Die hochkomplizierte Ultrastruktur der Knorpelzelle bringt es mit sich, dass verschiedene Substanzen, die in die Synovialflüssigkeit übertreten, die Knorpelzelle per diffusionem schädigen können. Es handelt sich hierbei in erster Linie um Substanzen, die „antiproliferativ, zytostatisch und antiinflammatorisch“ wirken. Das trifft insbesondere auf Cortisonderivate und auch auf die häufig verwendeten nichtsteroidalen Antirheumatika (NSAR) zu.

 

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