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Dissertation: Nina Hamann


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Dissertation: Nina Hamann

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Biomechanik und Orthopädie
Hamann, Nina (2012): Growth and adaptation to mechanical loading 
of immature bone and articular cartilage Zusammenfassung:
Zusammenfasssung
Mechanische Belastung beeinflusst die Zusammensetzung, Struktur und mechanische Beschaffenheit von Knochen und Gelenkknorpel speziell während des Wachstums und bildet damit die Basis für ihre adäquate Funktion im späteren Alter. Ein tiefgehendes Verständnis belastungsabhängiger Knochen- und Knorpeladaptationen stellt insbesondere im Hinblick auf die zunehmend alternde Population und damit verbundenen Erkrankungen des muskuloskelettalen Bewegungssystems eine hohe sozialökonomische Relevanz dar. Bisher ist ungeklärt, wie unterschiedliche Arten von Muskelkontraktionen auf den Knochen und den Gelenkknorpel wirken. Das primäre Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es daher, den Effekt unterschiedlicher Laufbelastungen mit ihren unterschiedlichen Anteilen an exzentrischen und konzentrischen Belastungen auf den unreifen Knochen und Gelenkknorpel zu untersuchen. Ein Sekundärziel dieser Arbeit stellte die Erforschung allein wachstumsbedingter Veränderungen und Zusammenhänge zwischen Gelenkknorpel und subchondralem Knochen dar. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Bergablaufen mit seinem hohen Anteil an exzentrischen Belastungen als potenter Stimulus erwies, die trabekuläre Knochenmineraldichte innerhalb der Femurmetaphyse zu erhöhen, wohingegen ebenes Laufen mit ähnlichen Anteilen von exzentrischen und konzentrischen Belastungen zu keiner Adaptation in diesem Bereich führte. Weder in der Dia-, noch in der Epiphyse konnten laufinduzierte Veränderungen auf struktureller Ebene nachgewiesen werden. Innerhalb des femoralen Gelenkknorpels konnten durch das Bergablaufen lokale Erhöhungen in der Knorpelhöhe und der COMP-Expression aufgezeigt werden, wohingegen die Knorpeldicke, die mechanischen Eigenschaften und die Proteinexpression von Kollagen II, Kollagen IX, COMP und Matrilin-3 des tibialen Gelenkknorpels unbeeinflusst blieben. Weiterhin wies der Gelenkknorpel keine degenerativen Veränderungen auf, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Laufbelastungen standen. Wachstum führte wiederum zu einer deutlichen Umverteilung von COMP innerhalb des Gelenkknorpels. Außerdem reduzierte es die Knorpeldicke, sowie die Verteilung und Expression der Matrixproteine Kollagen II, Kollagen IX und Matrilin-3 und dadurch bedingt auch die Kompressionseigenschaften des Knorpels. Sowohl der subchondrale trabekuläre Knochen, als auch die subchondrale Knochenplatte in der Epiphyse verdichteten sich funktionell mit zunehmendem Alter, was wiederum nicht die mechanischen Eigenschaften des darüberliegenden Knorpels beeinflusste. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorliegende Arbeit erste in vivo Erkenntnisse bezüglich des Einflusses unterschiedlicher Laufbelastungen, mit ihren unterschiedlichen Anteilen an exzentrischen und konzentrischen Belastungen, auf das wachstumsabhängige Knochen- und Gelenkknorpelmodelling aufzeigt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Bergablaufen mit seinen überwiegend exzentrischen Belastungen nicht nur einen positiv osteogenen Effekt besitzt, sondern auch in der Lage ist funktionell die lokale Knorpelmorphologie und -zusammensetzung zu verändern. Damit könnte Bergablaufen einen auf den Knochen und Gelenkknorpel schützenden und erhaltenden Effekt haben. Schlussendlich sind die Erkenntnisse der vorliegenden Doktorarbeit bedeutsam, um belastungsinduzierte Knochen- und Gelenkknorpelveränderungen besser einschätzen und bewerten zu können. Des Weiteren konnten wichtige Einblicke in die durch das Wachstum bedingten strukturellen, biochemischen und mechanischen Zusammenhänge von Gelenkknorpel und subchondralen Knochen gewonnen werden.

Abstract
Mechanical loading is well known for its capacity to influence the composition, structure, and mechanical performance of bone and articular cartilage, particularly during growth; thereby laying the basis for tissue quality, function, and maintenance at advanced ages. Especially with regard to the increasing aged population and the economic burden related to musculoskeletal disorders, comprehensive understanding of loading-related bone and articular cartilage alterations is of high social economic relevance. Little is known about the influence of different types of muscle loading on immature bone and articular cartilage. Therefore, the primary aim of this thesis was to examine the effect of different running modes, which are characterized by different proportions of eccentric and concentric loadings, on immature bone and articular cartilage. Furthermore, investigation and association of solely growth-related changes in articular cartilage and subchondral bone was a secondary aim of this work. The osteogenic response due to different running modes was greatest in the femoral metaphysis. In particular, solely downhill running with high proportions of eccentric loadings was able to increase femoral trabecular bone mineral density in the metaphysis, while level running with similar amounts of concentric and eccentric loadings failed to induce an osteogenic response in this area. In contrast, neither in the dia- nor in the epiphysis any running mode-related structural alteration could be found. Moreover, downhill running increased femoral cartilage height and COMP staining height in a site-specific manner, while level running was insufficient to induce such alterations. These changes were not accompanied by any signs of degeneration. In contrast, cartilage thickness, mechanical properties, and expression of major cartilage network proteins (i.e., collagen II, collagen IX, COMP, and matrilin-3) in tibial cartilage remained unaffected by the different running modes. Growth was associated with high modeling of the morphology, biochemical composition, mechanical properties of articular cartilage, and structure of subchondral bone. COMP showed a profound redistribution throughout the cartilage. Moreover, growth diminished cartilage thickness, distribution and amounts of the matrix proteins collagen II, collagen IX, and matrilin-3 and related to this decreased its compressive properties. Functional condensation of the subchondral trabecular bone and subchondral plate due to enchondral ossification was also found to occur with increasing age, which did not seem to affect cartilage mechanical properties. In conclusion, these are the first in vivo data illustrating the effect of different running modes with different proportions of eccentric and concentric loadings on immature bone and articular cartilage in such a physiological and systematic manner. The results demonstrate a functional adaptation of bone and cartilage in response to downhill running with high proportions of eccentric loadings by local enhancement in bone mineral density, cartilage morphology, and cartilage biochemical composition, which might be bone- and chondroprotective. Finally, the findings of the present work are important for the understanding and interpretation of loading-related changes that may preserve from or lead to degenerative bone and cartilage diseases. Moreover, this thesis provides important insight into the growth-related structural, biochemical, and mechanical reorganization and interaction of articular cartilage and subchondral bone.


13.12.2017 - 03:16