Vergleichende in-vitro-Untersuchung von humanem und tierischem Knorpelgewebe im Rahmen der Entwicklung eines idealen Tiermodells in der Knorpelforschung

Abstract

Diese experimentelle Arbeit befasst sich mit der Suche nach dem idealen Tiermodell für die Knorpelforschung und untersucht dabei humane und tierische Knorpelproben auf grundlegende morphologische, biomechanische, histologische und zellbiologische Unterschiede.Arthrose und andere Knorpelschäden am Kniegelenk sind Erkrankungen, die einen großen Teil der Gesellschaft betreffen. Eine Heilung dieser Erkrankungen gibt es bisher nicht. Daher ist die Erforschung neuer Techniken, um hyalinen Knorpel wieder herzustellen und ins Gelenk einzubringen, ein Bereich, dem aktuell viel Beachtung geschenkt wird und der intensiv beforscht wird. Da es jedoch schwierig ist, solche Forschungen am Menschen durchzuführen, gibt es in der Literatur viele tierexperimentelle Studien, die vor allem an Kaninchen, Schafen, Hunden und Pferden durchgeführt werden. Aufgrund dieser Tatsache wählten wir diese Tierarten in unserer Studie, um das ideale Tiermodell im Vergleich zum menschlichen Knorpel zu finden. Um die Daten vergleichbar zu gestalten, wurden dabei jeweils 10 Kniegelenke der oben genannten Spezies an drei verschiedenen Stellen (lateraler dorsaler Kondylus, laterales Patellagleitlager und medialer Kondylus) in unterschiedlichen Untersuchungsschritten verglichen.Für die Knorpeldickemessungen wurden die jeweiligen Proben in eine eigens hergestellte Messvorrichtung gesetzt und unter dem Mikroskop ausgemessen. Hier zeigt sich, dass die häufig eingesetzten Versuchstiere Kaninchen, Schaf und auch Hund mit 0,2-0,6mm eine im Vergleich zum Menschen (ca. 3,0mm) deutlich geringere Auflage von hyalinem Knorpel aufweisen. Das Pferd kommt diesem Wert mit 1,5-2,0mm am nächsten. Die Zoneneinteilungen und die Chondrozytenzählungen wurden, nachdem der Knorpel in Feinschnitttechnik fixiert, verschieden eingebettet und gefärbt wurde, unter dem Mikroskop und Rasterelektronenmikroskop untersucht und ausgewertet. Die Ergebnisse der Knorpelzoneneinteilung zeigen, dass der strukturelle Knorpelaufbau jeder hier untersuchten Spezies unterschiedlich ist. Jedoch entspricht bezüglich der Zonenbildung innerhalb des hyalinen Knorpels der equine Knorpel am ehesten dem humanen. Bei der Chondrozytenzählung fiel auf, dass alle Spezies eine deutlich höhere Anzahl aufweisen als der Mensch.Die biomechanischen Testungen (Kompressions- und Relaxationsmessungen), die ebenfalls in einer eigens für diese experimentelle Untersuchung aufgebauten Messvorrichtung durchgeführt wurden, ergeben deutliche Unterschiede zwischen den Spezies. Hierbei ist die Kompressionsfähigkeit des Pferde- und Hundeknorpels von allen untersuchten Tieren am ehesten mit der des menschlichen Knorpels zu vergleichen. Während bei den Relaxationsversuchen zwischen den verschiedenen überprüften Tierarten kein signifikanter Unterschied festzustellen war, zeigt der menschliche Knorpel einen signifikanten Unterschied bezüglich der Relaxationsfähigkeit. Dies bedeutet, dass der menschliche Knorpel im Gegensatz zu allen anderen untersuchten Spezies eine größere Steifigkeit besitzt und sich nach Einwirken eines Druckes nicht so schnell regenerieren kann. Im Vergleich zum Menschen sind in Bezug auf die biomechanische Relaxationsfähigkeit jedoch wiederum das Pferde- und Hundemodell den anderen Spezies leicht überlegen.Bei der Suche nach dem optimalen Tiermodell für weitere Knorpelforschungen gilt es jedoch auch weiterhin zu bedenken, dass es deutliche Unterschiede in der Haltung, der Verarbeitung der Knorpelproben und der anatomisch gegebenen Unterschiede hinsichtlich der Größe der jeweiligen Spezies gibt. Daher wird es je nach Fragestellung und Testablauf Unterschiede im optimalen Tiermodell geben, die im Einzelfall geprüft und bedacht werden sollten. Nach unseren umfangreichen Untersuchungen hinsichtlich Knorpelaufbau, Kompressions- und Relaxationsverhalten an den verschiedenen Knorpelproben zeigt sich deutlich, dass das Pferdemodell und das Hundemodell den menschlichen Proben am nächsten kommen und damit für weitere wissenschaftliche Untersuchungen die aussagefähigsten Ergebnisse liefern können. This experimental study deals with the search for the ideal animal model for research into cartilage and examines samples of human and animal cartilage for basic morphological, biomechanical, histological and cell biological differences.Osteoarthritis and other cartilage damage in the knee joint are diseases, which affect a large part of society. Up till now there is no cure for these diseases. So the study of new techniques to reproduce hyaline cartilage and to introduce it into the joint is an area which is at present receiving a lot of attention and which is being intensively researched. As it is difficult, however, to carry out such research on human samples, there is a lot of literature about studies involving animal research, which is being carried out above all on rabbits, sheep, dogs and horses.Because of this, we chose these types of animal in our study in order to find the ideal animal model when compared to human cartilage. To make the data comparable, 10 knee joints of each of the above mentioned species were compared at three different positions (lateral posterior condyle, lateral patella bearing and medial condyle) in different research steps.For measuring the thickness of the cartilage, the respective samples were placed in a measuring device specifically constructed for this purpose and measured under the microscope. Here it becomes clear that the research animals rabbits, sheep and dogs, which are often used, possess a significantly thinner layer of hyaline cartilage with 0.2 0.6 mm when compared to humans (about 3.0 mm). The horse comes nearest to this value with 1.5 2.0 mm.After the cartilage had been fixed in precision cut technique, embedded in various ways and coloured, the zone divisions and the chondrocyte counts were examined under the microscope and the scanning electron microscope and were evaluated. The results of the cartilage zone division show that the structural composition of the cartilage is different in every one of the species examined here. Regarding the zones within the hyaline cartilage, the equine cartilage corresponds most to the human cartilage. As regards the chondrocyte counts, it was noticeable that all the species exhibit a significantly higher number of chondrocytes than humans.The biomechanical tests (measurements of compression and relaxation), which were also carried out using a measuring device specifically constructed for this experimental study, show clear differences between the species. However, the compressibility of horse and dog cartilage is, out of all the animals examined, best comparable with that of human cartilage.While the various species of animals which were examined showed no significant differences in their capability to relax during relaxation experiments, the human cartilage did show a marked difference in the capability to relax. This means, that human cartilage, in contrast to all the other species examined, possesses greater stiffness and cannot regenerate itself as quickly after being set under pressure. In comparison to human cartilage, as regards the biomechanical capability to relax, the horse and dog models were slightly superior to the other species.In the search for the optimal animal model for further cartilage research it should also be considered that there are marked differences in the keeping of animals, in the processing of the cartilage samples and the given anatomical differences with regard to the size of the respective species.Therefore, depending on the research question and the test procedure, there will be differences in the optimal animal model, which must be taken into account and examined in every single case.As a result of our comprehensive studies regarding the construction of cartilage and the compressibility and capability to relax of the various cartilage samples, it can be clearly demonstrated that the horse and dog models come closest to the human samples and can so provide the most reliable results for further scientific research.