Arthrosebedingte histologische, biochemische und spektroskopische Veränderungen am hyalinen Gelenkknorpel: Welchen Stellenwert hat die spektroskopische Evaluation?

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Entwicklung und der Einsatz zerstörungsfreier Messverfahren für die Analyse und Klassifikation früher pathologischer Veränderungen am Gelenkknorpel sind von großer Bedeutung für die arthroskopische und offene Gelenkchirurgie. Die vorliegende Studie wurde mit dem Ziel durchgeführt, charakteristische histologische, biochemische und spektroskopische Veränderungen am hyalinen Gelenkknorpel verschiedenen Arthrosegraden zu zuordnen. Patienten, Material und Methode: 24 Patienten (25 Kniegelenke) erhielten bei fortgeschrittener Gonarthrose eine Kniegelenktotalendoprothese. Intraoperativ wurde der Schädigungsgrad des Knorpels der femoralen, tibialen und patellaren Gelenkflächen nach der ICRS-Klassifikation (International Cartilage Repair Society) bestimmt. Nach Resektion der Gelenkflächen wurden definierte Knorpelzonen einer spektroskopischen Analyse durch Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) unterzogen und anschließend biochemisch und histologisch untersucht. Als wesentliche Bestandteile der extrazellulären Knorpelmatrix wurden der Gehalt an Proteoglykanen (GAG) und Hydroxyprolin (HP) bestimmt. Zur histologischen Evaluation wurden die Proben nach Hämatoxilin-Eosin- und Safranin-O-Färbung sowohl anhand des Mankin- als auch des Otte-Scores bewertet. Die statistische Bewertung der einzelnen Parameter erfolgte durch den Korrelationskoeffizienten nach Spearman. Ergebnisse: Es konnten signifikante Zusammenhänge zwischen den spektroskopisch und biochemisch messbaren Knorpelveränderungen sowie dem makroskopisch (ICRS) und dem histologischen Schädigungsgrad des Knorpels festgestellt werden. Die Vorhersagewerte der NIRS korrelierten einerseits mit dem GAG- (ρ = 0,58) und dem HP-Gehalt (ρ = 0,59) im Knorpel, andererseits mit dem strukturellen Schädigungsgrad des Knorpels nach dem Mankin- (ρ = 0,55) und dem Otte-Score (ρ = 0,50). Daneben zeigte sich ein hoher Übereinstimmungsgrad zwischen der ICRS-Klassifikation und der histologischen Evaluation (Mankin-Score: ρ = 0,725; Otte-Score: ρ = 0,736). Schlussfolgerungen: Veränderungen in Struktur und Zusammensetzung des Gelenkknorpels können dessen optische Eigenschaften verändern. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass sich diese Veränderungen zerstörungsfrei durch die Nahinfrarotspektroskopie reproduzierbar bestimmen lassen. Bislang kann diese Untersuchungstechnik aber nicht mit der Aussagekraft biochemischer Analysen (GAG, HP) oder der histologischen Graduierung (Mankin, Otte) des Knorpelschadens konkurrieren. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass es technisch einfach im Rahmen der arthroskopischen Diagnostik zerstörungsfrei am Knorpel zum Einsatz kommen kann. Weitere technische Verbesserungen vorausgesetzt, könnten in Zukunft neue Optionen für die Frühdiagnostik des Knorpelschadens und die reproduzierbare Evaluation von Therapiemethoden entstehen.

Abstract

Background: Non-destructive techniques for the detection and classification of pathological changes of cartilage in the early stages of osteoarthritis are required for arthroscopic and open surgery of joints. Biochemical and histological changes in cartilage with different degrees of destruction were analysed and correlated to changes in the spectroscopic characteristics of cartilage. Patients, Material and Methods: 24 patients (n = 25 knees) with severely destructed knee joints received total knee replacement. The cartilage of the resected joints was classified according to the ICRS system. Defined cartilage specimens were investigated spectroscopically employing NIRS (near-infrared spectroscopy). In the following the cartilage specimens were harvested to determine the content of proteoglycan (GAG) and hydroxyproline (HP) as an essential part of collagen. Histological evaluation of the Mankin score and Otte score was performed using haematoxylin/eosin and safranin-O staining. Spearmanʼs rank correlation coefficient was used to characterise links between the parameters investigated. Results: We found significant correlations between spectroscopic, histological and biochemical characteristics. NIRS corresponded to the content of GAG (ρ = 0.58) and HP (ρ = 0.59), as well as to the Mankin (ρ = 0.55) and Otte (ρ = 0.5) scores. Furthermore, the ICRS classification correlated with histological evaluation (Mankin score ρ = 0.725 and Otte score ρ = 0.736), as to be expected. Conclusion: Characteristic cartilage changes in different degrees of osteoarthritis can be detected and evaluated by the spectroscopic method NIRS as a non-destructive technique. However, the quality of this technical evaluation cannot compete with biochemical and histological analysis.

Schlüsselwörter

Osteoarthrose - Knorpel - Graduierung - Matrixproteine - NIRS

Key words

osteoarthritis - cartilage - grading - matrix proteins - NIRS

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