Subchondrale Konzentration von Insulin-like Growth Factor-1, Insulin Growth Factor Binding Protein-3 und Transforming Growth Factor-ß1 beim arthrotischen und normalen Knie

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es zu klären, ob die Konzentration der Wachstumsfaktoren TGF-ß1 und IGF-1 sowie des Bindungsproteins IGFBP-3 im subchondralen Knochen bei Arthrose verändert ist. Weiter wurde die Korrelation zwischen deren Konzentrationen und der mechanischen Belastung infolge der Achsenfehlstellung untersucht. Es wurde bei 55 Patienten mit Gonarthrose kurz vor der Versorgung mit einer Endoprothese eine osteodensito-metrische Untersuchung des distalen Femurs und der proximalen Tibia durchgeführt (DEXA). Im gleichen Sin-ne wurde in einer Kontrollgruppe von 15 Verstorbenen ohne Arthrose die Knochendichte am Kniegelenk gemes-sen. Im subchondralen Knochengewebe der Femurkondylen wurden die Konzentrationen von IGF-1, IGFBP-3 und TGF-ß1 getrennt medial und lateral bestimmt (RIA;ELISA). Bei Varusgonarthrose lag im medialen Fermurkondylus die Knochendichte (1,43g/cm²) um 33% höher als in einer alters- und geschlechtsgepaarten Referenzgruppe(0,98g/cm²; P<0,01; ANOVA) Die IGF-1 (0,27ng/mg) und TGF-ß1 (60,9pg/mg) Konzentration lag um fast die Hälfte höher als in der Kontrollgruppe (0,19ng/mg; bzw. 30,4pg/mg; jeweils P<0,001; ANOVA). Für IGFBP-3 ergaben sich 2,8 fach niedrigere Spiegel (4 ng/mg) als in der Kontrollgruppe (12,38ng/mg; P<0,001; ANOVA). Es lässt sich ein Bezug zwischen der Achsfehlstellung mit der daraus resultierenden mechanischen Belastung und der IGF-Spiegel sowie IGFBP-3 im Knochen herstellen. Innerhalb der Arthrosegruppe lagen die IGF-1 Spiegel bei Varusgonarthrose medial (0,25ng/mg Knochen) um 31% höher als lateral (0,19 ng/mg Knochen; P=0,02; t-Test). Bei Valgusgonarthrose war dagegen lateral (0,19ng/mg Knochen) die IGF-1 Konzentration um 18% erhöht (medial: 0,16ng/mg Knochen; P=0,23; t-Test). Die IGFBP-3 Konzentration lag bei Varusgonarthrose medial (4,50ng/mg Knochen)um 25% niedriger als lateral (5,98ng/mg Knochen; P< 0,001 t-Test). Bei Valgus- fehlstellung waren die IGFBP-3 Spiegel lateral (3,06ng/mg Knochen) um 40% signifikant niedriger als im von Arthrose weniger betroffenen medialen Gelenkabschnitt (5,06ng/mg Knochen; P= 0,04 ; t-Test). Für TGF-ß1 ließ sich keine achsenabhängige Verteilung nachweisen. Zusammenfassend betrachtet konnte in dieser Untersuchung an Kniegelenken also anhand der biochemischen Messungen gezeigt werden, dass die Wachstumsfaktoren TGF-ß1 und IGF-1 im subchondralen Knochen bei Arthrose in erhöhter, das IGFBP-3 aber in geringerer Konzentration vorliegen. Weiter ließen sich für die sub-chondrale Knochendichte sowie für IGF-1 und das zugehörige Bindungsprotein IGFBP-3 eine Korrelation zur Achsendeformität und damit zur Belastung nachweisen.

The aim of this study was to quantify the concentration of the Transforming Growth Factor-ß1 (TGF-ß1), the Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1) and its Insulin-like Growth Factor Binding Protein-3 (IGFBP-3) in the subchondral bone in osteoarthrosis. The correlation between these biochemical factors and the biomechanical load because of axial deformation was determined. Osteodensitometric determination of the distal femur and the proximal tibia of 55 patients with osteoarthrosis of the knee was undertaken before total knee arthroplasty (DEXA). As well in 15 individuals without osteoarthrosis the bone mineral density of the knee joint was measured. The concentration of IGF-1, IGFBP-3 und TGF-ß1 was determined separately in the subchondral bone of the medial and lateral femoral condyle (RIA; ELISA). The bone mineral density of the medial femoral condyle (1,43g/cm²) in patients with varus gonarthrosis was elevated by 33% compared to age- and sex- matched normal controls (0,98g/cm²; P<0,01; ANOVA). The concentrations of IGF-1 (0,27ng/mg) and TGF-ß1 (60,9pg/mg) were nearly 50% higher than in the control group (0,19ng/mg; respectively 30,4pg/mg; P<0,001; ANOVA). The determination of IGFBP-3 showed 2.8-fold lower levels (4 ng/mg) than in the control group (12,38ng/mg; P<0,001; ANOVA). There is a correlation between the axial deformation with the resulting mechanical load and the levels of the IGF-1 and the IGFBP-3 in the bone. Within the osteoarthrosis group with varus gonarthrosis the medial level of IGF-1 (0,25ng/mg bone) was 31% higher than lateral (0,19 ng/mg bone; P=0,02; t-Test). In the group with valgus gonarthrosis however the concentration of IGF-1 in the lateral condyle was elevated by 18% (medial: 0,16ng/mg bone; P=0,23; t-Test). The concentration of IGFBP-3 in varus gonarthrosis was 25% lower in the medial femoral condyle (4,50ng/mg bone) than in the lateral (5,98ng/mg bone; P< 0,001 t-Test). In osteoarthrosis with valgus deformity the lateral IGFBP-3 level (3,06ng/mg bone) was by 40% significantly lower than in the less affected medial part (5,06ng/mg bone; P= 0,04 ; t-Test). There were no differences in the axial dependent determination of the TGF-ß1 concentration. In summary our study of knee joints suggests that osteoarthrosis is associated with higher concentration of the biochemical growth factors TGF-ß1 and IGF-1 and lower concentration of IGFBP-3 in the subchondral bone. The subchondral mineral bone density and the level of IGF-1 with its binding protein IGFBP-3 correlate with the axial deformity of the knee and therefore with the mechanical load.