Michiel Siebelt

Een gewricht is een complexe structuur in het menselijk lichaam dat beweging mogelijk maakt. Artrose is een ziekte van een gewricht waarbij pathologische veranderingen plaatsvinden in kraakbeen, subchondraal bot, gewrichtskapsel, menisci, ligamenten en tal van andere structuren. Het is vooralsnog onduidelijk waarom artrose in de ene patiënt snel progressief is en in anderen tientallen jaren stabiel blijft. Om meer inzicht te krijgen in de pathogenese van artrose en de effecten van therapeutische interventies hebben we in dit proefschrift diverse beschikbare diermodellen gebruikt. Monitoren van het ziekteproces vond plaats middels beeldvormende technieken zoals µCT en µSPECT/CT.

In Hoofdstuk 2 beschrijven we een nieuwe analysemethode om accuraat kraakbeen uit scans van µCT-arthrogrammen (µCTa) te segmenteren. In de tijd hebben we drie ratmodellen voor artrose vervolgd met behulp van µCTa. Voor elk van deze drie modellen vonden wij een eigen patroon van verergering van artrose. Bij dieren die blootgesteld werden aan hardlopen, nam de concentratie van gesulfateerde glycosaminoglycanen (sGAGs) in het kraakbeen sterk af, leidend tot een sterk verminderde kwaliteit. Echter, ook wanneer deze dieren niet meer hoefden te rennen, bleef het artrose proces onverminderd doorgaan. Dit wekt de suggestie, dat een toename van de biomechanische prikkel een cascade van gebeurtenissen in het kraakbeen initieert waarbij het natuurlijke herstelmechanisme overschreden wordt.

In Hoofdstuk 3 presenteren we in een ratmodel hoe een milder hardloopschema geen negatief effect heeft op de kwaliteit van het kraakbeen in gezonde knieën van ratten. Wanneer wij door middel van papaine injecties in deze knie de hoeveelheid sGAGs in het kraakbeen lieten afnemen, leidde dit milde hardloopschema echter tot een sterke toename van artrose met erosie van kraakbeen, sclerose in het subchondrale bot, ontsteking in het gewrichtskapsel en een forse toename van osteofyten.

Het is bekend dat tijdens progressie van artrose chondrocyten in het kraakbeen tekenen van hypertrofie aannemen en uiteindelijk sterven via een mechanisme dat apoptose heet. Het canonieke Wnt/β-catenine systeem is een belangrijke regulator van kraakbeen homeostase en heeft daarnaast invloed op de celdood via apoptose. Glycogeen synthase kinase-3β (GSK3β) reguleert in dit systeem transductie van het canonieke Wnt signaal door de afbraak van β-catenin te stimuleren. In Hoofdstuk 4 laten we zien dat remming van GSK3β leidt tot een toename van celdood van de chondrocyt door apoptose, gepaard gaande met een toename van artrose.

Een ander eiwit van invloed op apoptose is heat shock protein 70 (Hsp70), geproduceerd door chondrocyten. Een toename van Hsp70 leidt tot minder celdood en stimuleert kraakbeen kwaliteit door toename van sGAG productie. Hsp70 productie kan gestimuleerd worden door belasting van kraakbeen middels hardlopen. Echter, dit gunstige effect blijkt gelimiteerd. Mogelijk leidt co-inductie van een ander stresseiwit, Hsp90, tot een tenietdoening van het gunstige effect van Hsp70. In Hoofdstuk 5 hebben we getest of remming van de werking van Hsp90 in staat was artrose te voorkomen. Het bleek inderdaad dat Hsp90 remming een stimulans is voor chondrocyten om meer Hsp70 te produceren, met als gevolg meer productie van sGAG en minder schade aan het kraakbeen ten opzichte van onbehandelde dieren.

Zoals gezegd wordt artrose gekenmerkt door verandering van normaal fenotype van de chondrocyt naar een hypertrofe morfologie. Dit proces is geassocieerd met calcineurin (Cn) activiteit. In Hoofdstuk 6 hebben we bestudeerd of remming van Cn activiteit door behandeling met FK506 het normale fenotype van chondrocyten kan beschermen en middels die wijze artrose zou kunnen voorkomen. Onze in vitro studies lieten zien dat door behandeling met FK506 een toename van anabolische, maar afname van catabolische activiteit door chondrocyten plaatsvond. In vivo experimenten lieten zien dat behandeling met FK506 leidde tot minder afbraak van kraakbeenmatrix en vermindering van progressie van artrose in andere weefsels van het gewricht.

De interface tussen kraakbeen en bot wordt al jaren onderzocht als mogelijke ontstaansplek van artrose. Tal van verandering in deze interface leiden uiteindelijk tot een toename van een sclerotisch botfenotype en artrose. Mogelijk ontstaat deze sclerose door een verstoorde balans tussen botresorberende osteoclasten en botmakende osteoblasten. In Hoofdstuk 7 hebben we getest of het remmen van botresorptie door osteoclasten leidt tot een vermindering van artrose. In dit experiment gebruikten we alendronaat om botresorptie door osteoclasten te stoppen. Hoewel door alendronaat botsclerose niet voorkomen werd, bleek sprake van minder afbraak van kraakbeenmatrix. Dit kan duiden op een centrale rol van pathologisch toegenomen osteoclast activiteit in progressie van artrose.

Gedurende progressie van artrose worden macrofagen in het gewrichtskapsel geactiveerd. Van deze macrofagen is bekend dat zij transforming growth factor (TGF) β produceren. Dit groeihormoon induceert aanmaak van botgroei stimulerende eiwitten door synoviocyten in het gewrichtskapsel, leidend tot benige uitsteeksels (osteofyten) in een gewricht. Het is bekend dat intra-articulair geïnjecteerde corticosteroïden een sterk remmend effect hebben op de vorming van deze osteofyten. In Hoofdstuk 8 hebben we onderzocht op welke manier intra-articulaire injecties met een corticosteroïd (triamcinolon) invloed heeft op de activatie van macrofagen. Verrassend genoeg vonden wij dat triamcinolon leidt tot een forse toename van macrofaag activiteit. Deze behandeling wist wel de vorming van osteofyten volledig te voorkomen. Helaas zagen wij geen gunstige effecten op kraakbeenkwaliteit en zelfs een toename van sclerose in de behandelde dieren.

Mononucleaire beenmergcellen (BMMNCs) en mesenchymale stamcellen (MSCs) zijn cellen die anti-inflammatoire stoffen en groeifactoren kunnen uitscheiden, met allerlei immunomodulatoire en trofische eigenschappen. In Hoofdstuk 9 hebben we onderzocht of BMMNCs and MSCs een gunstig effect op artrose kunnen hebben. Daarvoor werden MSC in artrotische knieën van ratten ingespoten. Door middel van fluorescentie hebben we de aanwezigheid van MSCs tot twee weken na injectie kunnen traceren. De MSCs hadden een minimaal gunstig effect op pijn die de ratten in hun artrotische knie ervaarden. Zowel MSCs als vers geïsoleerde mononucleaire beenmergcellen bleken echter geen therapeutisch effect te hebben op artrotische veranderingen in bot, kraakbeen en gewrichtskapsel.

Conventionele afbeeldende technieken (zoals röntgenfoto’s en MRI) geven ons onvoldoende informatie om de pathologie van artrose te ontrafelen. Met nieuwe beeldvormende technieken, zoals µCTa, kunnen we mogelijk artrose in een veel vroeger stadium diagnosticeren. Om deze dierexperimentele CT techniek naar de kliniek te transleren hebben we een tweetal experimenten uitgevoerd. In Hoofdstuk 10 vergeleken we kraakbeen analyse van klinisch vervaardigde CT arthrogrammen (CTa) met ex vivo gemeten sGAG concentraties met EPIC-µCTscans. Deze vertoonden een hoge correlatie, welke aanzienlijk verbeterde wanneer naast data over sGAG, ook informatie werd toegevoegd met informatie over de collageen structuur van het kraakbeen.

Omdat beeldvormende technieken zoals CT gebruik maken van röntgenstraling, is het noodzakelijk om te onderzoeken of CTa scans met een lagere stralingsdosis nog steeds kraakbeen kwaliteit kunnen meten. In Hoofdstuk 11 beschrijven we dat 6 verschillende CTa scans met een stralingsdosis tussen de 81.33mGy en 8.13mGy betrouwbare informatie over de concentratie sGAG in kraakbeen genereerden. Deze uitkomst impliceert dat CTa laagdrempelig gebruikt kan worden bij het diagnosticeren van patiënten met artrose. Een beperking van de lagere stralingsdosis was, dat de spatiële analyse van de CTa scans minder nauwkeurig werd. Daarom is CTa met een lage stralingsdosis minder geschikt voor studies waarbij een accurate spatiële analyse noodzakelijk is.

Concluderend onderstrepen de resultaten van dit proefschrift de hypothese dat artrose een ziekte van het hele gewricht is. Meermaals laten onze uitkomsten zien dat de verschillende weefsels in gewrichten zich continue aanpassen aan wisselende biomechanische omstandigheden. Wanneer de gewrichtweefsels in kwaliteit afnemen, of wanneer de biomechanische belasting sterk toeneemt, kan het fysiologisch functioneren van het gewricht ondermijnd worden, leidend tot activatie van cascades welke artrose induceren. Door middel van verschillende (medicamenteuze) interventies is het mogelijk om afzonderlijke cellen in het gewricht te beïnvloeden, waarmee de kwaliteit van weefsels wordt beschermd en artrose voorkomen. In de toekomst zullen beeldvormende technieken voor kraakbeen (zoals het gebruik van CT arthrogrammen) en nieuwe moleculaire technieken (zoals SPECT/CT), een prominente rol gaan spelen om de pathogenese van artrose te ontrafelen. Het gebruik van dergelijke technieken stelt ons in staat specifieke artrose patiënten te selecteren die aan eenzelfde subtype van artrose lijden. Meer homogeniteit van patiëntgroepen zal leiden tot een toename van kansen om daadwerkelijk een nieuwe behandeling voor artrose te ontwikkelen.