Belastungsinduzierte Freisetzung und Identifikation von Biomarkern der Handarthrose : eine Pilotstudie

Abstract

Fingerpolyarthrosen sind insbesondere bei Frauen weit verbreitet. Die Patientinnen leiden unter Schmerzen, Gelenkschwellungen und einer Morgensteifigkeit. Derzeit gibt es nur wenige Berichte über mögliche Biomarker, die zur Früherkennung oder zum Monitoring des Krankheitsverlaufes oder des Therapieerfolges dienen können. Bei den bekannten Biomarkern liegen die Konzentrationen häufig an der Nachweisgrenze. Das erste Ziel der hier vorliegenden explorativen Studie war es, potentielle Biomarker der Handarthrose durch Belastung der betroffenen Hand in erhöhten Konzentrationen im venösen Blut nachzuweisen. Zweitens sollte ein optimaler Zeitpunkt zur Blutentnahme nach Belastung der Fingergelenke gefunden werden, um die erhöhten BiomarkerKonzentrationen messen zu können. Drittens sollten Korrelationen zwischen Biomarkern und klinischen oder radiologischen Scores evaluiert werden. Als letztes sollte der Erfolg einer kurzfristigen Therapie mit Ibuprofen über den Zeitraum von 7 Tagen anhand der klinischen Scores nachgewiesen werden. Insgesamt wurden 2 Kohorten gebildet: Die erste Kohorte, auch OA-Gruppe genannt, bestand aus 24 postmenopausalen Patientinnen mit einer mehr Heberden- oder Bouchard-betonten Fingerarthrose. Die Diagnose erfolgte gemäß den ACR-Kriterien. Die Patientinnen waren 61,5 ± 6,4 Jahre alt, postmenopausal und es lag ein Body-MaßIndex von 26,3 ± 3,3 kg/m² vor. Zu den Ausschlusskriterien zählten andere entzündliche, rheumatische oder degenerative Gelenkerkrankungen, Stoffwechsel-, Nieren- oder Lebererkrankungen. Auch die Einnahme bestimmter Medikamente (z. B. Bisphosphonate, Kortikosteroide, NSAR) war verboten. Die zweite Kohorte diente als Kontrollgruppe und bestand aus 24 Probandinnen ohne symptomatische Arthrosen, davon 12 prämenopausale (23,4 ± 1,2 Jahre, BMI von 21,5 ± 2,0 kg/m² = Prä-Gruppe ) und 12 postmenopausale (59,9 ± 7,0 Jahre = Post-Gruppe ) Frauen mit einem BMI von 23,0 ± 3,3 kg/m². Zu Beginn der Studie wurden die Fragebögen (Australian/Canadian Hand Osteoarthritis Index (AUSCAN), Health Assessment Questionnaire HAQ, visuelle-Analog-Skala für Schmerz und Ästhetik (VAS-Schmerz, VAS-Ästhetik) von den Patientinnen und Probandinnen ausgefüllt. Anschließend erfolgte am Unterarm der Indexhand die venöse Blutentnahme vor und 1, 2, 5, 10, 15, 30, 45, und 60 Minuten nach Belastung in Folge von definiertem wiederholtem Kraftschluss der Hand. Die Röntgenbilder wurden gemäß dem Kellgren-Lawrence-Score und dem Kallman-Score evaluiert. Die Analyse der Biomarker aus dem Serum wurde mittels kommerziell erhältlicher Enzyme-LinkedImmunosorbent-Assays (ELISA)-Kits durchgeführt. Folgende Biomarker wurden untersucht: 1. Marker der Knorpelsynthese wie C-terminales Propeptid von Prokollagen Typ II (CPII) und N-terminales Propeptid von Typ II Prokollagen (PIIANP), 2. Marker der Knorpelresorption wie Kollagen Typ II ¾ Spaltprodukt (C1,2C) und Cartilage Oligomeric Matrix Protein (COMP), sowie 3. inflammatorische Marker wie Neutrophil-GelatinaseAssociated Lipocalin (NGAL), Interleukin-15 (IL-15) und soluble- Vascular-CellAdhesion-Molecle-1 (sVCAM-1). Folgende Fragen wurden statistisch wie folgt ausgewertet: A) Gibt es eine signifikante Konzentrationsänderung der Biomarker nach Belastung? Wilcoxon-Rangsummentest; B) Ist die Änderung der Konzentration an Biomarker zwischen den einzelnen Kohorten signifikant unterschiedlich? Kruskal/WallisTest (H-Test) mit anschließendem Dunn´s post-hoc-test; C) Besteht eine Korrelation zwischen den klinischen Scores und den Biomarkern? Spearman-Korrelation. Alle Berechnungen wurden aus den Differenzen zwischen der Konzentration vor Belastung und der Maximalkonzentration der Biomarker durchgeführt, die innerhalb der ersten 15 Minuten nach Belastung im Blut messbar waren. Es konnte erstmals im Serum der OA-Patientinnen innerhalb der ersten 15 Minuten nach Belastung der Hand- und Fingergelenke signifikant (p = 0,05) erhöhte Konzentrationen an CPII, COMP, IL-15, sVCAM-1, NGAL und PIIANP bestimmt werden. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung der Biomarker gab es keinen festen Zeitpunkt für das gemeinsame Anfluten aller Marker im Blut. Auch konnten zum ersten Mal deutliche Unterschiede zwischen der OA-Kohorte und der prä- bzw. postmenopausalen Kontrollgruppe im Serum nach Belastung der Gelenke für PIIANP (p = 0,003) und CPII (p=0,009) ermittelt werden. Der CPII-Anstieg fiel allerdings nur im Vergleich OA-Gruppe gegenüber der prämenopausaler Frauen (gelenkgesunde Kontrollen) höher aus und nicht im Vergleich mit der postmenopausaler Frauen (p = 0,05). Es konnte keine Korrelation zwischen der Biomarker-Konzentration und den klinischen bzw. radiologischen Scores festgestellt werden. Mit der vorliegenden Studie konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass geringe Biomarker-Konzentrationen im Serum bei Patientinnen mit einer Fingerpolyarthrose durch Belastung messbar werden. Diese Studie dient als Grundlage für weitere klinische Untersuchungen zur Identifizierung und Validierung neuer Biomarker. Die Ergebnisse unserer Studie besitzen insofern eine in die Zukunft reichende klinische und praktische Relevanz, da sie aufgrund des präzisen Studiendesigns die Basis für weiterführende klinische Studien bilden, mit deren Hilfe der Einsatz von Serummarker zur Frühdiagnose, Staging und Kontrolle des Therapieerfolges untersucht werden kann. Die Identifizierung und Validierung derartiger Serummarker könnte somit ein großes diagnostisches und therapeutisches Benefit für die vielen Patientinnen mit Fingerpolyarthrosen bedeuten. Osteoarthritis (OA) of the hands is one of the most common joint diseases especially of women. The patients suffer from pain, swelling of the joints and morning stiffness. There are however only few reports on potential biomarkers, which can be used for early diagnosis, for monitoring the disease progression or the therapeutic success. In the known biomarkers, concentrations are frequently at the detection limit. The aim of the present exploratory study was firstly to established potential biomarkers of hand osteoarthritis in elevated concentrations in venous blood by exercising the affected hand. Secondly, after exercising the finger joints the optimum moment for blood sampling was to be found in order to measure the increased concentrations of the biomarkers. Thirdly correlations was to be shown between biomarker levels and clinical or radiological scores. Finally the success of a short-term Ibuprofen-therapy over a period of 7 days was to be demonstrated on the basis of clinical scores. Two cohorts were investigated: the first cohort called "OA-Group" consisted of 24 postmenopausal female patients with a more Heberden or Bouchard accentuated osteoarthritis of the hand. The diagnosis was made according to ACR criteria. The patients were 61.5 ± 6.4 years old, postmenopausal and having a body mass index of 26.3 ± 3.3 kg/m². The exclusion criteria were other inflammatory, rheumatic, degenerative joint affecting diseases, or the metabolism affecting diseases, renal or liver diseases as well as the use of certain medical drugs (e.g. bisphosphonates, corticosteroids, NSAR) The second cohort served as healthy controls and contained 24 female subjects without symptomatic osteoarthritis of the hand of whom 12 were premenopausal (23.4 ± 1.2 years, BMI of 21.5 ± 2,0 kg/m² = "pre-group") and 12 postmenopausal (59.9 ± 7.0 years = "post group ") women showing a BMI of 23.0 ± 3.3 kg/m². At the beginning of the study, the questionnaires (Australian / Canadian Osteoarthritis Hand Index (AUSCAN), Health Assessment Questionnaire HAQ, visual analogue scale for pain and aesthetics (VAS pain, VAS aesthetics) were filled out by the patients and subjects. This was followed by collecting the venous blood samples from the forearm of the index hand before and 1, 2, 5, 10, 15, 30, 45, and 60 minutes after exercise, defined as a repeated powerful circuit of the index hand. X-ray images were evaluated according to the Kellgren-Lawrence score and Kallman score. The analysis of the biomarker levels from the serum was performed by commercially available enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-kits. The following biomarkers were studied: 1. marker of cartilage synthesis such as C-terminal propeptide of procollagen type II (CPII) and N-terminal propeptide of type II procollagen (PIIANP), 2. marker of cartilage resorption like collagen type II ¾ cleavage product (C1,2C) and cartilage oligomeric matrix protein (COMP), 3. inflammatory markers such as neutrophil-gelatinase-associated lipocalin (NGAL), interleukin-15 (IL-15) and soluble-vascular-cell-adhesion-molecle-1 (sVCAM-1). The following questions were evaluated by using the following statistical tests: A) Is there a significant change in concentration of the biomarker levels after exercise? Wilcoxon rank sum test; B) Is the change in the concentration of biomarker levels between the individual cohorts significantly different? Kruskal /Wallis test (H-test) followed by Dunns post-hoc test; C) Is there a correlation between the clinical score and the biomarker levels? Spearman correlation. All calculations were performed with the differences in the concentration before exercise and the maximum concentration of biomarker levels that were measurable in the blood samples within the first 15 minutes after exercise. Significantly (p = 0.05) increased levels of CPII, COMP, IL-15, sVCAM-1, NGAL and PIIANP could be identified in the serum of OA patients within the first 15 minutes after exercise of the hand and finger joints for the first time. Due to the different chemical composition of the biomarkers there was no fixed time for the common accumulation of all markers in the blood. For the first time we could also determine significant differences between the OA cohort and the pre- or postmenopausal control group in the serum after stress on the joints for PIIANP (p = 0.003) and CPII (p = 0.009). However, the increase of CPII levels was only significantly elevated in the OA group compared to the premenopausal women (younger healthy controls) but not significantly elevated compared to postmenopausal women (p = 0.05). There was no correlation determined between the biomarker levels and the clinical and radiological scores. The present study enables the calculation of the number of patients needed to perform confirmatory clinical trials. These future studies will characterize the role of our newly identified biomarkers to diagnose hand OA especially at an early, non-symptomatic stage of the disease and to evaluate treatment efficacy. For the first time the present study has showed that low levels of biomarkers in the serum of patients with OA could be measured by performing exercise with the OA affected finger joints. This study serves as a basis for further clinical investigations for the identification and validation of new biomarkers. The results of our study with its precise study design have clinical and practical relevance for the future, because it forms the basis for further clinical trials, which will help to examine the use of serum markers for early diagnosis, staging and monitoring of therapy success. The identification and validation of such serum markers could therefore prove to be a major diagnostic and therapeutic benefit for many patients with osteoarthritis of the hand.