Untersuchungen zur Knorpelsteifigkeit und Knorpeldicke des Kniegelenkes am distalen Femur des Pferdes im Zusammenhang mit dem Kollagen- und Glykosaminoglykangehalt des hyalinen Gelenkknorpels - Sperling, Martina; Justus Liebig University Giessen (My University, 2011)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Referenzwerte zur Knorpelsteifigkeit und Knorpeldickedes Kniegelenkes am distalen Femur von adulten gesunden Pferden zu ermitteln. Zusätzlichwurden die Knorpelbestandteile Glykosaminoglykane und Kollagen bestimmt. DieseMessergebnisse sowie die Korrelation der einzelnen Messdaten sollen als Grundlage in derArthroseforschung am Pferd verwendet werden. Die eigenen Untersuchungen hattenfolgende Zielstellung:1.) Bestimmung von Referenzwerten zur Knorpelsteifigkeit und Knorpeldicke inverschiedenen Arealen des Femoropatellar- und Femorotibialgelenkes am distalen Femurbeim Pferd.2.) Es ist zu prüfen, wie hoch die Knorpelsteifigkeit und die Korpeldicke in verschiedenenArealen des Kniegelenkes sind.3.) Im Bereich der gemessenen Knorpelareale soll quantitativ der Glykosaminoglykan- undder Kollagengehalt bestimmt werden.4.) Untersucht werden soll die Korrelation zwischen der Knorpelsteifigkeit und derKnorpeldicke sowie den Knorpelbestandteilen Glykosaminoglykane und Kollagen(Abb. 1).5.) Es ist zu prüfen, welchen Einfluss die Messmethode einer vierfachen Messung amgleichen Punkt auf die Messergebnisse zur Knorpelsteifigkeit besitzt.Untersucht wurde der gesunde Gelenkknorpel des Femoropatellar- und desFemorotibialgelenkes am distalen Femur von 15 euthanasierten Warmblutpferden. Für dievorliegende Studie wurde ein von der Arbeitsgruppe um Lyyra entwickeltes Nachfolgemodell(Artscan® 200) mit dem Computerprogramm Artscan® 200 Version 1.0 verwendet. DieGelenkflächen am distalen Femur wurden an 26 Messpunkten bezüglich der Knorpelsteifigkeitund der Knorpeldicke untersucht (Abb. 15). Die sonographisch ermittelte Knorpeldicke wurdedefiniert als der Abstand zwischen der Knorpeloberfläche und der auf dem Monitor sichtbarenhyperechogenen Reflexzone des subchondralen Knochens. Für die sonographischeUntersuchung wurde das Real-Time Ultraschallgerät LOGIQ TM 500 PRO Series der Fa. GEMedical Systems, Milwaukee, Wisconsin (USA) verwendet. Zur Bestimmung der Knorpeldickekam ein Linearschallkopf vom Typ 739L (Abb. 17) zum Einsatz. Bei der Bestimmung desProteoglykangehaltes wurde quantitativ der Gehalt an sulfatierten Glykosaminoglykanen bestimmt, beruhend auf dem Verfahren nach Farndale. Diese Untersuchung erfolgte an 10 verschiedenen Messpunkten (Abb. 19). Der Hydroxyprolingehalt wurde ebenfalls an 10 Positionen bestimmt (Abb. 19) und nach dem Verfahren von Woessner (1961) in einer modifizierten Art nach Stegemann und Stalder (1967) ermittelt. Der quantitative Kollagengehaltwurde aus dem Hydoxyprolinanteil mit dem Faktor 7,4 berechnet.Für die rechte distale Femurhälfte schwankt die Knorpelsteifigkeit zwischen 0,264 N am PunktE4 (kaudaler Bereich des medialen Femurkondylus) und 1,065 N am Punkt A1 (abaxial im proximalen Bereich des lateralen Rollkammes) (Tab. 6). Auffallend ist, dass der Minimalwertam linken Femur von 0,202 N ebenfalls am Punkt E4 (kaudaler Bereich des medialenFemurkondylus) sowie der Maximalwert von 0,834 N an der Position A1 (abaxial improximalen Bereich des lateralen Rollkammes) auftreten (Tab. 7). Beide graphischen Darstellungen (Abb. 26/27) zeigen einen wannenförmigen Verlauf. Die Knorpelsteifigkeit istim Bereich des lateralen Kondylus signifikant höher als medial (Abb. 28/29). ImFemoropatellargelenk wurden höhere Werte zur Knorpelsteifigkeit bestimmt als imFemorotibialgelenk.Die Knorpeldicke am rechten Knie schwankt zwischen 0,704 mm am Punkt A1 (abaxial improximalen Bereich des lateralen Rollkammes) und 2,838 mm am Punkt E3 (kranialer Bereichdes medialen Femurkondylus). Die Knorpeldicke am linken Knie variiert zwischen 0,682 mmam Punkt G1 (abaxial im proximalen Bereich des medialen Rollkammes) und 2,824 mmebenfalls am Punkt E3 (kranialer Bereich des medialen Femurkondylus). Die Werte zurKnorpeldicke ergeben, dass der Knorpel im Femoropatellargelenk lateral signifikant dicker alsmedial ist. Im Femorotibialgelenk dagegen werden höhere Knorpeldickenwerte im Bereich desmedialen Femurkondylus festgestellt als lateral (Abb. 34/35).Am rechten Knie wurde ein Glykosaminoglykangehalt zwischen 23,128 & #956;g/mg Knorpel amPunkt F2 (distaler Scheitelpunkt des medialen Rollkammes) und 37,484 & #956;g/mg Knorpel amPunkt F4 (kaudaler Bereich des medialen Kondylus) gemessen (Tab. 12). Am linken Knieschwanken die Werte zwischen 21,638 & #956;g/mg Knorpel am Punkt F2 (distaler Scheitelpunkt desmedialen Rollkammes) und 37,896 & #956;g/mg Knorpel am Punkt B3 (kranialer Bereich deslateralen Femurkondylus) (Tab. 13).Der Hydroxyprolingehalt am rechten Knie variiert zwischen 8,449 & #956;g/mg Knorpel am PunktF4 (kaudaler Bereich des medialen Femurkondylus) und 13,862 & #956;g/mg Knorpel am Punkt B2(distaler Scheitelpunkt des lateralen Rollkammes) (Tab. 15). Am linken Knie wurden Werte zwischen 8,987 & #956;g/mg Knorpel am Punkt D1 (proximaler Bereich der Trochlea ossis femoris)und 14,423 & #956;g/mg Knorpel am Punkt F2 (distaler Scheitelpunkt des medialen Rollkammes)ermittelt (Tab. 16).In der vorliegenden Arbeit konnte anhand des gepoolten Regressionskoeffizientennachgewiesen werden, dass die Knorpelsteifigkeit ohne die Positionen D1 und D2 (Trochleaossis femoris) in den Reihen 1-4 pro zunehmender Knorpeldicke in mm um 0,073 N signifikantabnimmt. Für die Reihen 1-2 mit den Positionen D1 und D2 (Trochlea ossis femoris) wurdeebenfalls eine signifikante Abnahme um 0,098 N pro mm zunehmender Knorpeldickefestgestellt. Wird die Abhängigkeit zwischen der Knorpelsteifigkeit und der Knorpeldickegenauer untersucht, zeigt sich, dass die Art der Betrachtung für diese Untersuchung einewichtige Rolle spielt. Werden die Variablenpaare Knorpelsteifigkeit und Knorpeldicke getrenntnach der Lokalisation, aber die Seiten rechts und links in einem Plot zusammengefasst,entstehen für die Positionen B1, C1, D1, D2, G2, F3, G4 signifikante lineare Korrelationen(Abb. 44). Bei der Pseudoreplikation (Abb. 45), entsteht ein nicht linearer Zusammenhang. Beidünnem Knorpel (<1,0 mm) werden hohe Werte zur Knorpelsteifigkeit gemessen. Zwischenden Bereichen 1,0-2,6 mm Knorpeldicke erscheint die Korrelation linear. Ab einer hohenKnorpeldicke (>2,6 mm) nähert sich die Kurve einem nahezu konstanten Wert von 0,3 N an.Mit zunehmendem Hydroxyprolingehalt steigen die Werte zur Knorpelsteifigkeit bei einemKorrelationskoeffizienten R=0,144 signifikant an (p<0,013; Abb. 46). Für die Reihen 1-4 ohnedie Position D (Trochlea ossis femoris) wurde festgestellt, dass pro MillimeterKnorpeldickenzunahme eine Abnahme des Hydroxyprolingehaltes um 0,816 & #956;g/mg Knorpelerfolgt. Für die Reihen 1-2 mit den Positionen D1 und D2 (Trochlea ossis femoris) entstehtanhand des gepoolten Regressionskoeffizienten eine Abnahme um 0,607 & #956;g/mg Knorpel proMillimeter Knorpeldicke.Der Vergleich zwischen Knorpeldicke und Glykosaminoglykangehalt bei den eigenenMessungen ergibt keinen nachweisbaren signifikanten Effekt. Ebenso konnte bei einerverwendeten Aufdruckraft von 3 N kein signifikanter Zusammenhang zwischen denMesswerten zur Knorpelsteifigkeit und dem Glykoaminoglykangehalt nachgewiesen werden.Abb. 48 zeigt, dass mit p>0,05 kein signifikanter Zusammenhang zwischen der Knorpeldickeund der Körpermasse gemittelt über die Seiten rechts und links existiert.Deutliche Abnahmen zur Knorpelsteifigkeit konnten zwar zwischen der Messung 1 und 2 mit2,73 % bzw. Messung 3 und 4 mit 4,48 % festgestellt werden. Beim Vergleich der131Knorpelsteifigkeit zwischen dem ersten und zweiten Durchgang ergab sich jedoch nur eineReduzierung der Werte um 0,85 %. Durch die Gliederung in zwei Durchgänge wurde die in derLiteratur angegebene Relaxationszeit für Knorpel von 1200-1800 Sekunden (Bommer et al.2006) in jedem Falle eingehalten. Anhand dieser Erholungsphase für den Knorpel könnte diegeringe Abnahme der Knorpelsteifigkeit zwischen Durchgang 1 und 2 erklärt werden. In einernachträglichen Untersuchung wurden ebenfalls geringe Abnahmen zur Knorpelsteifigkeit mit0,02 % zwischen den Messungen 1 und 3 nachgewiesen. Diese Trendveränderungen bestätigendie Vermutung, dass viele kurz hintereinander durchgeführte Messungen die Werte zurKnorpelsteifigkeit beeinflussen.Schlußfolgerung:Anhand der ermittelten Ergebnisse kann festgestellt werden, dass sich die ParameterKnorpelsteifigkeit und Knorpeldicke bei gesunden Gelenken offensichtlich an dieGelenkphysiologie anpassen. Während des Wachstums kommt es durchDifferenzierungsprozesse zu Veränderungen in der Knorpelsteifigkeit und der Knorpeldicke.Die Knorpelsteifigkeit und die Knorpeldicke verhalten sich unter Berücksichtigung derBetrachtungsweise gegensätzlich. Die Knorpeldicke beeinflußt die Werte zurKnorpelsteifigkeit entscheidend und sollte daher bei der Indentermessung immerberücksichtigt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass erst ab einer Knorpeldicke>1 mm realistische Werte zur Knorpelsteifigkeit entstehen.Mit zunehmendem Kollagengehalt stiegen in der Untersuchung die Knorpelsteifigkeitswertesignifikant an. Daraus kann auch anhand bereits bestehender Literatur abgeleitet werden, dassbei der Indentermessung eine intakte superfizielle Kollagenschicht eine entscheidende Rollespielt. Auffallend war, dass zwischen dem Glykoaminoglykangehalt und den ParameternKnorpelsteifigkeit sowie der Knorpeldicke keine signifikanten Abhängigkeiten festgestelltwurden. Auch der Einfluß der Körpermasse auf die Knorpeldicke am gesunden Kniegelenkist unwesentlich. Die eigenen praktischen Erfahrungen an Gelenkpräparaten bestätigen dieLiteraturmeinung, dass das Gerät der Firma Artscan medical innovations aufgrundzahlreicher nicht oder nur schwer beherrschbarer Fehlerquellen für die Arthroskopieungeeignet erscheint. Demgegenüber ist dieses Messsystem für wissenschaftliche Studien anPräparaten verwendbar. Für den intraoperativen Einsatz sind weitere Forschungs- undtechnische Entwicklungsstrategien notwendig.

This research had the following aim to define authoritative values to cartilage stiffness andcartilage thickness of the knee joint on the distal femur of adult healthy horses. In addition thecartilage components glycosaminoglykans and collagen were determined. These measuringresults as well as the correlation of the single measuring data should be used as a basis in equineArthrosis research. My research has the following aim position:1.) Defining of authoritative values to cartilage stiffness and cartilage thickness indifferent areas of the femoropatellar- and femorotibial joint on distal femur of the horse.2.) The results were checked, how high cartilage stiffness and cartilage thickness are in differentareas of the knee joint.3.) In the area of the measured articular cartilage the amount of glycosaminoglykans andcollagen should be determined quantitatively.4.) The correlation between cartilage stiffness and cartilage thickness was suggested to beexamined as well as the cartilage components glycosaminoglykans and collagen (fig. 1).5.) The results were checked, which influence the measuring method of a fourfold measurementhas to the same point on the measuring results to cartilage stiffness.The healthy joint cartilage of the femoropatellar- and the femorotibial joint on distal femur of 15euthanised warmblood horses was examined. For this study a succession model (Artscan ®200) developed by the working group around Lyyra with the computer program Artscan ® 200versions 1.0 was used.The joint surfaces on distal femur were determined in 26 measuring points with regard tocartilage stiffness and the cartilage thickness (fig. 15). Ultrasound measurement of cartilagethickness was defined as the distance between the cartilage surface and the visiblehyperechogene reflex zone of subchondralen bone on the monitor. For ultrasonographicmeasurement the real time ultrasound scanner TM LOGIQ 500 pro Series of Medical system,Milwaukee, Wisconsin (USA) was used. Utilizing a linear sound head of the type 739L (fig. 17)for cartilage thickness. When measuring the glycosaminoglycans we examined quantitativelythe content of sulphated glykosaminoglycans, being conducted on the study of Farndale. Thisexperiment occurred in 10 different measuring points (fig. 19). The content of hydroxyprolinewas also determined in 10 positions (fig. 19) based on Woessner s procedure (1961). In this casethe model of Stegemann and Stalder (1967) was used. The quantitative collagen contentwas calculated from the hydroxyproline with the factor 7.4.For the right part of the distal femur the cartilage stiffness varied between 0.264 Newton in thepoint E4 (caudal area of the medial femoral condyle) and 1.065 Newton in the point A1 (abaxialin the proximal area of the lateral rolling comb) (tab. 6). It was surprising, that the minimumvalue in the left femur of 0.202 Newton was measured in the point E4 (caudal in the area of themedial femoral condyle) as well as the maximum value of 0.834 Newton in the point A1(abaxial in the proximal area of the lateral rolling comb) (tab. 7). Both graphic representations(fig. 26/27) showed a "tub-shaped" course. The cartilage stiffness was significantly higher in thearea of the lateral condyle than the medial (fig. 28/29).The cartilage thickness in the right knee varied between 0.704 mm in the point A1 (abaxial inthe proximal area of the lateral rolling comb) and 2.838 mm in the point E3 (cranial area of themedial femoral condyle). Measurement of cartilage thickness in the left knee was between0.682 mm in the point G1 (abaxial in the proximal area of the media rolling comb) and 2.824mm in the point E3 (cranial area of the medial femoral condyle). The values to the cartilagethickness showed that the cartilage in the femoropatellar joint is lateral significantly thicker thanmedial. In the femorotibial joint the cartilage is thicker in the area of the medial femoral condylethan lateral (fig. 34/35).In the right knee the measurement of glycoaminoglycans was between 23.128 μg/mg ofcartilage in the point F2 (distal apex of the medial rolling comb) and 37.484 μg/mg of cartilagein the point F4 (caudal area of the medial femoral condyle) (tab. 12). In the left knee the valuesvaried between 21.638 μg/mg of cartilage in the point F2 (distal apex of the medial rollingcomb) and 37.896 μg/mg of cartilage in the point B3 (cranial area of the lateral femoralcondyle) (tab. 13).The measurement of hydroxyproline in the right knee was between 8.449 μg/mg of cartilage inthe point F4 (caudal area of the medial femoral condyle) and 13.862 μg/mg of cartilage in thepoint B2 (distal apex of the lateral rolling comb) (tab. 15). In the left knee the values weredetermined between 8.987 μg/mg of cartilage in the point D1 (proximal area of the trochleaossis femoris) and 14.423 μg/mg of cartilage in the point F2 (distal apex of the medial rollingcomb) (tab. 16).This research was able to prove with the pooled regression coefficient that cartilage stiffnessdecreases excluding the positions D1 and D2 (trochlea ossis femoris) in the rows 1-4 whileincreasing cartilage thickness in mm about 0,073 Newton significantly. For the rows 1-2including the positions D1 and D2 (Trochlea ossis femoris) a significant decrease was alsoascertained about 0,098 Newton per mm of increasing cartilage thickness. If the dependence ismore exactly examined between cartilage stiffness and the cartilage thickness, it appears that thekind of consideration plays an important role for this study. If the variable pairs of cartilagestiffness and cartilage thickness are separated after the localisation, but the sides right and left ina plot are summarised, there are significant linear correlations for the points B1, C1, D1, D2,G2, F3, G4 (fig. 44). With the pseudoreplication (fig. 45), there is a not linear correlation. Highvalues of cartilage stiffness were measured with thin cartilage (<1.0 mm). Between the area of1.0-2.6 mm of cartilage thickness the correlation is linear. At high cartilage thickness values (>2.6 mm) the curve approaches to a nearly steady value of 0.3 Newton.With increasing content of hydroxyproline the values rise to cartilage stiffness with a correlationcoefficient R = 0,144 significantly (p <0,013; fig. 46). For the rows 1-4 excluding point D(trochlea ossis femoris) it was found out that per millimetre of increasing cartilage thickness adecrease of hydroxyproline occurs around 0,816 μg/mg of cartilage. For the rows 1-2 includingpoint D1 and D2 (trochlea ossis femoris) there is a decrease with the help of the pooledregression coefficient around 0,607 μg/mg of cartilage per millimetre of cartilage thickness.The comparison between cartilage thickness and glycosaminoglycans showed no provablesignificant effect. No significant correlation could be proved with a used pressure by 3 Newtonbetween the measuring values to cartilage stiffness and glycosaminoglycans.Fig. 48 showed that with p> 0.05 no significant correlation exists between cartilage thicknessand the body mass averaged from the right and left side.Cartilage stiffness decreases significantly between the measurement 1 and 2 with 2,73 % ormeasurement 3 and 4 with 4,48 %. Nevertheless, with the comparison of cartilage stiffnessbetween the first and second passageway a not significant reduction of the values arose about0,85%. By the arrangement in two passageways the time of relaxation suggested in the literaturefor cartilage of 1200-1800 seconds (Bommer et al. In 2006) was kept in every case. With thehelp of this recreational phase for cartilage the low decrease of cartilage stiffness could beexplained between passageway 1 and 2. In an additional study low decreases were also provedto cartilage stiffness between the measurements 1 and 3. These trend changes confirm thesupposition that many briefly measurements influence the values to the cartilage stiffness.Conclusion:The parametres of cartilage stiffness and cartilage thickness adapt themselves with healthy joints obviously to the joint physiology. While growing there are changes to cartilage stiffness and cartilage thickness by differentiation processes.Cartilage stiffness and cartilage thickness behave oppositional taking the approach into account.The cartilage thickness influences the values to cartilage stiffness decisively and, hence, should always be considered with the indenter measurement. The study showed that only from a cartilage thickness > 1 mm there are realistic values to cartilage stiffness.With increasing content of collagen the values of cartilage stiffness rose in the study significantly. It can be derived with the help of already existing literature that an intact superficial collagen layer plays a determining role for the indenter measurement. It was surprising that no significant dependence was ascertained between glycosaminoglycans and theparameters of cartilage stiffness as well as cartilage thickness. Also the influence of the body mass on cartilage thickness is inessential in the healthy knee.My own practical experiences in joint preparations confirm the literature opinion that the device of the company Artscan medical innovations seems not or only hardly controllable on account of more numerous sources of error for the arthroscopy. On the other hand this measuring system of scientific studies is usable in preparations. Other research and technical developing strategiesare necessary for the operative application.
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