Analyse der räumlichen osteochondralen Heterogenität bei fortgeschrittener humaner Gonarthrose - Zusammenhang zwischen mikrostrukturellen Veränderungen von Gelenkknorpel und subchondralem Knochen mit der Beinachse

Abstract

HINTERGRUND: Diese Arbeit analysiert und korreliert räumlich-strukturelle Eigenschaften der osteochondralen Einheit des medialen und lateralen humanen Tibiaplateaus bei Patienten mit fortgeschrittener Gonarthrose. Hierbei wurde ein besonderer Fokus auf topographische Assoziationen sowie den klinisch relevanten Zusammenhang mit der Beinachse gelegt. Folgende Hypothesen wurden überprüft: (1) Arthrotische Veränderungen des hyalinen Gelenkknorpels sind im subchondralen Knochen reflektiert. (2) Veränderungen im Bereich des medialen und lateralen Tibiaplateaus korrelieren miteinander. (3) Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Beinachsenfehlstellung und dem Grad der Arthrose. METHODEN: In standardisierter Weise wurden während der Implantation von Kniegelenks-Totalendoprothesen explantierte Tibiaplateaus (n = 10) in jeweils 10 Subregionen der osteochondralen Einheit des medialen und lateralen humanen Tibiaplateaus unterteilt. Hierbei wurde in jeder Subregion jeweils ein anteriores und posteriores Areal definiert. Aus diesen Arealen wurde biochemisch je der DNS- und Proteoglykan-Gehalt sowie der makroskopische und histologische Arthrosegrad des hyalinen Gelenkknorpels mittels zweier etablierter Bewertungssysteme bestimmt. Ebenso wurde die Mikrostruktur der subchondralen Knochenplatte und der subartikulären Spongiosa mittels Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) analysiert. Alle Daten wurden auf topographische Zusammenhänge und Korrelationen überprüft und mit dem Grad der Beinachse sowie der radiologischen Einteilung des Arthrosegrades nach Kellgren und Lawrence in Zusammenhang gestellt. ERGEBNISSE: Es lag ein signifikant höherer makroskopischer und histologischer Arthrosegrad im medialen Plateau gegenüber dem lateralen Tibiaplateau vor. Die biochemische Analyse deckte medial eine signifikant niedrigere Zellzahl als lateral auf. Im medialen Tibiaplateau zeigte sich eine signifikant höhere Dicke der subchondralen Knochenplatte sowie in der subartikulären Spongiosa signifikant höhere Knochenmineraldichte, Knochenvolumenanteil und Trabekelanzahl sowie ein signifikant niedrigerer Trabekelabstand und trabekulärer Knochen-Anordnungsfaktor. Die nativradiologische Evaluation wies signifikant höhere Arthrosegrade im medialen Plateau gegenüber dem lateralen Plateau auf. Korrelationsanalysen zwischen subchondralem Knochen und hyalinem Gelenkknorpel deckten zahlreiche signifikante Zusammenhänge auf. Generell war die Schwere der Beinachsenfehlstellung mit dem Grad der Arthrose und Veränderungen des subchondralen Knochens assoziiert. Im arthrotischen Knie besteht zudem bei Varusfehlstellung ein signifikanter Unterschied zwischen den Eigenschaften des medialen und lateralen Tibiaplateaus. SCHUSSFOLGERUNG: Die vorliegende Arbeit zeigt die Unterschiede innerhalb 10 Subregionen des medialen und lateralen Tibiaplateaus auf. Sie deckt ebenfalls signifikante Korrelationen zwischen Veränderungen des arthrotischen Gelenkknorpels bei Gonarthrose mit Veränderungen des subchondralen Knochens auf. Die Daten beweisen außerdem, dass der subchondrale Knochen von großer Bedeutung für die Progression der Arthrose ist. Desweiteren hat eine Beinachsenfehlstellung des Patienten einen relevanten Einfluss auf den Arthrosegrad. Diese Ergebnisse zur räumlichen osteochondralen Heterogenität in Zusammenhang mit einer varischen Beinachsenfehlstellung erweitern die wissenschaftliche Basis einer therapeutischen Umverteilung der einwirkenden Last bei fortgeschrittener medialer Varusgonarthrose.

OBJECTIVE: This study analyzes and correlates the spatiotemporal characteristics of the cartilage and the subchondral bone of the medial and lateral human tibial plateau in patients with advanced osteoarthritis (OA) of the knee. A special focus was placed on topographic associations within the osteochondral unit and on the clinically relevant correlations with axial alignment. The following hypotheses were tested: (1) Osteoarthritic alterations of the hyaline articular cartilage are reflected in the subchondral bone. (2) Alterations in the medial and lateral tibia plateaus correlate with each other. (3) A correlation exists between malalignment and the degree of OA. METHODS: Tibial plateaus that were removed during total knee arthroplasty (n = 10) were subdivided into 10 subregions containing osteochondral units of the medial and lateral tibial plateaus in a standardized procedure. In each subregion, an anterior and posterior area was topographically specified. In these areas, DNA and proteoglycan contents, as well as the macroscopic and histological degree of OA were determined using two established scoring systems. Similarly, the microstructures of the subchondral bone plate and of the subarticular spongiosa were analyzed by micro-computed tomography (micro-CT) analyses. All data were examined for topographic associations and correlations. Data were also correlated with both the degree of malalignment and the radiological grade of OA according to the Kellgren-Lawrence classification. RESULTS: A significantly higher macroscopic and microscopic degree of OA was present in the medial compared to the lateral tibial plateaus. Biochemical analysis of DNA contents indicated a significantly lower cell number in the medial compared to the lateral tibial plateaus. In the medial plateau, a significantly higher thickness of the subchondral bone plate was seen. In the subarticular spongiosa, a significantly higher bone mineral density, bone volume fraction and trabecular number and significantly lower trabecular separation and trabecular pattern factor were identified. The radiological evaluation demonstrated significantly higher degrees of OA in the medial tibial plateau than in the lateral plateau. Correlation analyses revealed numerous significant relations between subchondral bone and the cartilage. The extent of axial malalignment was associated with the degree of OA alterations of the articular cartilage and subchondral bone. In knees with varus malalignment, a significant difference between the characteristics of the medial and lateral tibial plateau exists. CONCLUSION: The present study demonstrates considerable differences in 10 subregions of the medial and lateral tibial plateaus. Equally important, significant correlations between changes of the articular cartilage and alterations of the subchondral bone in knee OA are revealed. Furthermore, the data underline the major importance of the subchondral bone in the progression of OA. Moreover, axial malalignment has a relevant influence on the degree of OA. These findings concerning the spatial osteochondral heterogeneity in relation with varus malalignment of the knee expand the scientific basis of therapeutic load redistribution in advanced medial knee OA.