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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-83735
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8373/


Dirhold, Barbara Maria

Der Einfluss von nichtselektiven Cyclooxygenase-Inhibitoren auf das Proliferations- und Differenzierungsverhalten von humanen artikulären Chondrozyten unter IL-1 beta Exposition

The influence of unselective cyclooxygenase-inhibitors on proliferation and differentiation of human articular chondrocytes following exposure to IL-1 beta

Dokument1.pdf (2.892 KB) (md5sum: 5f6d1472f12bb17e470850bdca3520ab)

Kurzfassung in Deutsch

COX-Inhibitoren sind die orthopädisch-traumatologischen Standardanalgetika. Sie werden im perioperativen Schmerzmanagement und der Therapie akuter Pathologien des muskuloskelettalen Systems, wie Trauma und Exazerbation einer Osteoarthritis (OA) verordnet. Ob und welchen Einfluss die COX-Inhibition auf den artikulären Knorpel hat ist noch nicht komplett verstanden und wird kontrovers diskutiert. Eine klinische Empfehlung zur COX-inhibierenden Therapie bei Pathologien des artikulären Knorpels, kann bislang nicht gegeben werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von COX-Inhibitoren auf den artikulären Knorpel unter Entzündungsbedingungen.

Während der endoprothetischen Versorgung medialer Schenkelhalsfrakturen wurden Hüftköpfe asserviert. Die, mittels Kollagenaseverdau isolierten, Chondrozyten wurden in 3D-Alginate Beads und 2D-Monolayer kultiviert. Durch IL-1 beta wurde eine Entzündungsreaktion provoziert und mit den drei meistverordneten nichtselektiven COX-Inhibitoren Ibuprofen (Ibu), Paracetamol (PCM) und Diclofenac (Diclo) behandelt. Nach 14 Tagen erfolgten die Analysen zu metabolischer Zellaktivität, Proliferation, Apoptoserate und bFGF-Sekretion sowie die Bestimmung des chondrogenen Markerprofils auf mRNA-Ebene.

IL-1 beta erhöhte, unabhängig von der chondrozytären Differenzierung, die metabolische Zellaktivität um das Vierfache. Die DNA-Amplifikation wurde um 51 % gesteigert (p<0,05). Weiter induzierte IL-1 beta ein bis zu 30 % erhöhtes Apoptosegeschehen. Die nichtselektiven COX-Inhibitoren erwiesen sich als kompetente, vom Zelldifferenzierungsstadium unabhängige Antagonisten mit Ibu -15,8 %, PCM -18,6 % und Diclo -23,6 % (p<0,05) erniedrigtem Apoptosegeschehen. Einhergehend mit gesteigerter Proliferation wurden in den Mediumüberständen, der mit IL-1 beta behandelten Samples, am 3. Tag 2,85-fach erhöhte bFGF-Konzentrationen gemessen. Der bFGF-Level blieb bis zum 14. Tag erhöht. Die Behandlung mit nichtselektiven COX-Inhibitoren führte zu einem weiteren bFGF-Anstieg zwischen 84 % und 245 % (p<0,05). Die Real-Time PCR zeigte die komplette Suppression des chondrogenen Markers Kollagen Typ II und eine um 70 % erniedrigte Aggrecanexpression (p<0,05) durch IL-1 beta. Die COX-Inhibition hatte keinerlei Einfluss auf die chondrozytäre Genexpression.

IL-1 beta induziert, positiv mit dem chondrozytären Differenzierungsstadium korrelierend, Apoptose. Des Weiteren wird die bFGF-Sekretion aktiviert, womit wiederum ein gesteigerter Stoffwechsel einhergeht. Von der Differenzierung unabhängig antagonisieren nichtselektive COX-Inhibitoren den pro-apoptotischen Effekt von IL-1 beta. Dies dürfte auf ihren bFGF-aktivierenden Einfluss zurückzuführen sein. Negative Effekte von Seiten der nichtselektiven COX-Inhibitoren konnten nicht festgestellt werden. Somit legitimieren die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit die klinische Anwendung nichtselektiver COX-Inhibitoren im orthopädisch-traumatologischen Bereich in Verbindung mit akuten Pathologien des artikulären Knorpels. Aufgrund der bFGF-aktivierenden Wirkung der nichtselektiven COX-Inhibitoren sollte weiteres wissenschaftliches Interesse auf deren Interaktion mit mesenchymalen Stammzellen (MCS) gerichtet werden. Im Rahmen der interventionellen Wiederherstellung der intakten Gelenkfläche und der Frakturheilung könnten diese Wechselwirkungen klinisch relevant sein.


Kurzfassung in Englisch

COX-inhibiting drugs are the standard analgetic medication in orthopedics and trauma surgery. They are prescribed in the peri-operative pain management and therapy of acute pathologies of the musculoskeletal system, as are trauma and exacerbation of osteoarthritis (OA). The effects of COX-inhibition on joint cartilage is not yet completely understood and controversially discussed. A clinical recommendation for COX-inhibiting therapy in pathologies of joint cartilage cannot be given so far. This study was carried out to investigate the effects of COX-inhibitors on joint cartilage under inflammatory conditions.

Chondrocytes were isolated by enzyme digestion from human femoral heads obtained during hip arthroplasties following medial femoral neck fractures. The cells were cultured in 3D-alginate beads and 2D-monolayer. An inflammatory reaction was provoked by exposition to IL-1 beta and treated with the three most common unselective COX-inhibitors ibuprofene (Ibu), paracetamol (PCM) and diclofenac (Diclo). Metabolic cell activity, proliferation, rate of apoptosis and bFGF-secretion as well as the mRNA-expression of chondrogenic markers were analyzed after 14 days of exposure.

Exposure of chondrocytes to IL-1 beta resulted in a 4-fold increase of cell activity and an amplification of DNA-content by 51% (p<0,05), independent from the chondrogenic differentiation. Further, IL-1 beta induced a significant increase of apoptosis by 30%. COX-inhibitors significantly antagonized the pro-apoptotic effect of IL-1 beta by Ibu -15.8%, PCM -18.6% and Diclo -23,6% (p<0,05), also independent of cell differentiation. Despite enhanced proliferation, bFGF concentrations in cell culture supernatants increased 2.85-fold following IL-1 beta-treatment at day 3, elevated levels were maintained up to day 14. The treatment with unselective COX-inhibitors led to a further increase of bFGF-secretion between 84 % and 245 % (p<0,05). Real time PCR showed the complete suppression of the chondrogenic marker collagen type II by IL-1 beta, as well as a significant reduction of the expression of aggrecan by 70 % (p<0.05). COX-inhibition had no influence on the chondrogenic gene expression pattern.

Positively correlating with the chondrogenic differentiation, IL-1 beta induced apoptosis. In addition, IL-1 beta activated the bFGF-secretion, this resulted in an increased cell metabolism. Independent from the cell differentiation, the pro-apoptotic effect of IL-1 beta was antagonized by unselective COX-inhibitors. This could be ascribed to their bFGF-activating mechanism. COX-inhibitors showed no negative effect. Therefore, our results legitimate a clinical recommendation for the application of unselective COX-inhibitors in the acute management of pain as consequence of trauma, exacerbation of OA or following operative intervention regarding cartilage repair. Based on the bFGF-activating effect of unselective COX-inhibitors, further interest should be focussed on the interaction with mesenchymal stem cells (MSCs). Within the framework of interventional reconstruction of the intact joint area and fracture healing, these interactions could be clinically important.


SWD-Schlagwörter: Hyaliner Knorpel , Knorpelzelle , Nichtsteroidales Antiphlogistikum , Differenzierung , Proliferation , Apoptosis , Interleukin 1-beta
Freie Schlagwörter (deutsch): COX-Inhibition
Freie Schlagwörter (englisch): Chondrocyte , COX inhibition , non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAID) , differentiation , proliferation , apoptosis , interleukin 1 beta
Institut: Department Orthopädie und Traumatologie
Fakultät: Medizinische Fakultät / Universitätsklinikum
DDC-Sachgruppe: Medizin und Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Schmal, Hagen (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.01.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 29.11.2011
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