Bewertung verschiedener Serumknorpel-Biomarker bei der akuten Reaktion auf Gehen und Radfahren bei gesunden männlichen Probanden

Biomarker können zur Überwachung des Knorpelstoffwechsels eingesetzt werden und dienen als prognostische oder diagnostische Marker zur Erkennung von Veränderungen in der Gelenkstruktur (8). Die meisten dieser Biomarker sind wesentliche Bestandteile der extrazellulären Knorpelmatrix (ECM). Die Messung von Knorpelbiomarkern basiert auf dem Prinzip, dass osmotische und mechanische Belastung den Ausfluss proteolytisch produzierter ECM-Fragmente in die Gelenkflüssigkeit und dann aus der Gelenkkapsel auslöst. So können Biomarkerkonzentrationen durch Immunoassays in Synovialflüssigkeit, Blut und Urin gemessen werden. In ähnlicher Weise wurden Biomarkerkonzentrationen verwendet, um die akuten oder langfristigen Auswirkungen von körperlicher Betätigung auf die Gesundheit und den Stoffwechsel des Gelenkknorpels zu untersuchen.

Der am häufigsten untersuchte Serumknorpel-Biomarker ist das oligomere Knorpelmatrixprotein (COMP). COMP, auch Thrombospondin-5 genannt, ist ein pentameres Glykoprotein, das aus fünf identischen Untereinheiten besteht. Das C-terminale Ende jedes Monomers interagiert mit zahlreichen KDHM-Proteinen wie Kollagen II, Kollagen IX, Matrilinen und Proteoglykanen (9). Darüber hinaus beeinflusst COMP die Kollagensekretion und Fibrillogenese und beeinflusst dadurch die Geschwindigkeit der Fibrillenbildung, -organisation und -durchmesser (10). Aufgrund dieser Wechselwirkungen mit anderen KDHM-Proteinen spielt COMP eine wichtige Rolle beim Aufbau und der Struktur der Knorpelmatrix und bestimmt deren mechanische Eigenschaften.

Aufgrund dieser Eigenschaften wurde COMP im Hinblick auf akute Belastung umfassend untersucht und hat sich als mechanosensitiv erwiesen (11). Es wurde festgestellt, dass der Serum-COMP-Spiegel nach 30 Minuten moderater Laufeingriffe zwischen -16 % und +39 % schwankt (12). Als Reaktion auf andere akute Übungen wie Kniebeugung oder wiederholte Beugung/Streckung der Lendenwirbelsäule wurde jedoch kein Anstieg der Serumkonzentration festgestellt (13). Dies legt nahe, dass die akute COMP-Reaktion im Serum von den Gelenkbelastungseigenschaften abhängt.

Weitere interessante Biomarker sind proteolytische Enzyme, die am Abbau von Knorpel-KDHM-Komponenten beteiligt sind. Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) sind eine Familie von Enzymen, die sich in Substratspezifität und Primärstruktur unterscheiden.

Einige Mitglieder der MMP-Familie spielen sowohl beim KDHM-Umbau als auch beim pathologischen Abbau eine Rolle. Beispielsweise baut MMP-3 (Stromelysin) die meisten Bestandteile von KDHM ab und aktiviert andere MMPs wie MMP-9 (Gelatinase B), das selbst eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Arthrose spielt (14).

YKL-40 ist ein weiteres KDHM-Protein, das an der Knorpelpathogenese beteiligt ist. Obwohl die Funktion von YKL-40 nicht im Detail definiert wurde, wurde gezeigt, dass es als Glykosylase am allgemeinen Gewebeumbau und an Entzündungsprozessen beteiligt ist (15). Der YKL-40-Spiegel steigt während einer Gelenkentzündung an, und auch der Resistinspiegel wird durch Entzündungsreize erhöht. Resistin ist ein Adipokin, das ursprünglich mit Fettleibigkeit und Insulinresistenz bei Nagetieren in Verbindung gebracht wurde.

Die Reaktion von MMPs, YKL-40 und Resistinkonzentrationen auf körperliche Betätigung wurde bereits zuvor untersucht. Es hat sich gezeigt, dass Marathonlauf die Serumkonzentrationen von MMP-3 (+142 %), YKL-40 (+56 %) und Resistin (+107 %) unmittelbar nach dem Marathon im Vergleich zu den Ausgangswerten erhöht (16).

Kollagen Typ II ist ein Hauptbestandteil des Gelenkknorpels. Der Abbau von Kollagen Typ II erfolgt über die Aktivität von Kollagenasen und MMP-9. Coll2-1 ist ein spezifisches Peptidepitop, das sich auf der Dreifachhelix von Typ-II-Kollagenmolekülen befindet und ein Marker für Knorpeldegeneration ist.

Die nitrierte Form von Coll2-1 wird Coll2-1 NO2 genannt und spiegelt den oxidativen Abbau der Knorpelmatrix wider. Es wurde gezeigt, dass die Serumkonzentrationen von Coll2-1 (-13 %) und Coll2-1 NO2 (-19 %) nach einem Marathonlauf abnehmen (17).

Nagaoka et al. (18) untersuchten den Kollagenstoffwechsel im Knorpel von Sportlern, die einer intensiven Gelenkbelastung ausgesetzt waren. Sie maßen sowohl die Synthese als auch den Abbau von Kollagen Typ II im Urin. Die Ergebnisse zeigten, dass der Abbau von Kollagen Typ II als Reaktion auf Ausdauerübungen mit intensiver Gelenkbelastung zunahm, insbesondere bei Sportlern, die häufig Sprungbewegungen ausführten, wie z. B. Volleyball, Basketball und Handball.

Das Ziel unserer Studie war es, die akute Wirkung von zwei häufig verwendeten Trainingsinterventionen (Gehen und Radfahren) auf die Korrelation von Serumbiomarkern zu untersuchen, die den Stoffwechsel der extrazellulären Knorpelmatrix widerspiegeln: COMP, YKL-40 und MMP3.