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Bausteine des Gelenkknorpels2018-05-08T09:44:01+00:00

Knorpelaufbau und Bausteine des gesunden Gelenkknorpels

Knorpelgewebe:

Der Gelenkknorpel besteht aus einer Matrix (Zwischenzellensubstanz), in die ein 3-dimensionales Gitter aus Kollagenfasern eingebettet ist. Dazwischen liegen die Knorpelzellen, die das Eiweiß für die Kollagenfasern (Gerüsteiweiß) und die Baustoffe für die Knorpelgrundsubstanz produzieren. Die Knorpelfeinstruktur baut sich aus der Knorpelmatrix, Kollagenfasern und Knorpelzellen auf. Unsere Knorpelmatrix besteht hauptsächlich aus folgenden natürlich vorkommenden körpereigenen Bausteinen:

Gelenkschmiere:

Damit die mit Gelenkknorpel überzogenen Knochen besser aufeinander gleiten können und ein reibungsloser Bewegungsablauf möglich ist, ist der Gelenkspalt mit Gelenkflüssigkeit („Gelenkschmiere, Synovia“) gefüllt. Der Gelenkflüssigkeit kommt neben der Funktion als elastischer Stoßdämpfer zum Schutz der Gelenke eine weitere, wichtige Aufgabe zu: Sie ernährt den Knorpel und die Knorpelzellen mit wichtigen Nährstoffen für das Knorpelgewebe.

Knorpelmatrix und Knorpelgerüststoffe:

Glycosaminoglycans2

Aufbau und Struktur der Knorpelmatrix (Bild: By Mfigueiredo (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons)

Was sind GAG?

  • Biochemisch sind GlykosAminoGlykane (GAG) Kohlenhydrate aus langen unverzweigten Zuckerketten.
  • GAG bilden einen großen wasserhaltigen Molekülkomplex mit hervorragender Stoßdämpferwirkung
  • Sie bilden das Gerüst vieler faserbildender Stoffe und besitzen durch ihre Fähigkeit Wasser aufzunehmen, eine hohe Elastizität.

Biochemische Struktur:

  • Die Zuckerketten werden aus der Aneinanderreihung bestimmter Disaccharid-Einheiten gebildet.
  • Dabei ist immer ein Aminozucker (z. B. N-Acetylglucosamin) mit einer Uronsäure oder mit Galaktose verbunden.
  • In der Regel besitzen GAG eine hohe Anzahl an Sulfatgruppen, welche zusammen mit den Säureresten der Zucker zu einer starken negativen Ladung des GAG führen. In der Folge kommt es zunächst zu einer starken Anziehung von positiv geladenen Ionen, wie osmotisch aktiven Natriumionen, die wiederum eine große Anzahl an Wassermoleküle anlagern.

Schwammstruktur der GAG:

Knorpelverlust führt zu Gelenkverschleiß

Der gesunde Knorpel saugt sich voll mit Wasser – wie ein Schwamm

Durch dieses Zusammenwirken der Moleküle entsteht ein sperriger Komplex bestehend aus einer gelartigen Matrix mit hoher Elastizität und Flexibilität. Die Elastizität, verantwortlich für die Stoßdämpfer-Funktion der GAG, ist durch ihre Fähigkeit Wassermoleküle aufzunehmen und abzuspalten zu erklären.

Schutzfunktion:

  • Die GAG-Matrix wird als Schutzmantel der Gelenke angesehen, da sie durch das gebundene Wasser eine flexible, dynamische Struktur bildet, die extremem Kompressionsdruck entgegenwirkt und so die Gelenke vor mechanischer Überbelastung schützt.
  • GAG stellen neben elastischen Fasern und Kollagenfasern weitere Kernelemente der extrazellulären Matrix des Bindegewebes dar. Die Knorpelgrundsubstanz enthält 30-35 % GAG (Chondroitinsulfat und Hyaluronsäure), die zusammen mit Kollagenfasern zu sogenannten Proteoglykanen verbunden sind. Durch die extreme Länge der GAG und ihrer Fähigkeit eine große Menge an Wasser zu binden stellen GAG sehr sperrige und platzeinnehmende Moleküle dar. Zusätzlich zu der Größe bilden diese Kohlenhydrate aufgrund des hohen Wasseranteils eine gelartige Matrix.
  • Man unterscheidet vier verschiedene Hauptgruppen der Glykosaminoglykane, die sich in der Zusammensetzung der Disaccharid-Einheiten unterscheiden. Insbesondere Chondroitin und Hyaluronsäure sind wichtig für die Gelenkfunktion!
    I. Chondroitinsulfat
    II. Hyaluronsäure
    III. Keratansulfat
    IV. Heparin/Heparansulf

GAG als Schutzmantel der Gelenke:

Knorpelverlust führt zu Gelenkverschleiß

Chondroitinsulfat => wichtig für Gelenkschutz, Knorpelaufbau und -funktion
Hyaluronsäure => wichtig für Synovialflüssigkeit im Gelenkspalt und deren Gleiteigenschaften

Chondroitinsulfat – Klinische Studien belegen Schutzfunktion bei Osteoarthrose

Die positive Wirkung und Schutzfunktion von Chondroitinsulfat auf Gelenke konnte in zahlreichen Studien demonstriert werden.

Kniegelenksarthrose

In den letzten Jahren ist dem Glykosaminoglykan (GAG) Chondroitinsulfat (CS) eine immer größere Bedeutung bei der unterstützenden Behandlung von Arthrose bedingten Knieschmerzen zugesprochen worden. Eine Vielzahl an Studien konnte die Wirksamkeit von Chondroitinsulfat bei der Bekämpfung von Knorpelverschleiß im Kniegelenk zeigen[1][2][3][4][5]. In der Vergangenheit kontrovers diskutiert, konnte im Jahr 2015 eine Studie durch den Einsatz moderner Untersuchungsmethoden, eindeutig belegen, dass die Einnahme von Chondroitinsulfat einen schützenden Effekt auf den Gelenkknorpel hat und die krankheitsbedingte Verringerung des Gelenkspaltes unterdrückt wird1. Zusätzlich wurden Knochenmarksläsionen, die im Zusammenhang mit dem Krankheitsbild bei Osteoarthritis auftreten deutlich vermindert. Im Unterschied zu den in früheren Studien verwendeten Röntgenanalysen wurde die empfindlichere und genauere MRT-Technologie verwendet. Zusammenfassend trägt Chondroitinsulfat also zur Aufrechterhaltung und Stabilisierung des Gelenkspaltes bei und verhindert somit das Fortschreiten von Arthrose.

Handgelenksarthrose:

Nur wenige Studien haben sich bisher der Untersuchung von Handgelenksarthrose gewidmet. Dennoch konnte auch hier ein positiver Effekt von Chondroitinsulfat bei der Behandlung der Handgelenksarthrose festgestellt und dokumentiert werden[6].
Der Mechanismus hinter der positiven Wirkung von Chondroitinsulfat bei der unterstützenden Behandlung von Osteoarthrose lässt sich durch den molekularen Aufbau veranschaulichen.

Wichtig zu wissen: Hormone beeinflussen den Knochen- und Knorpelstoffwechsel

 Testosteron wirkt positiv – fördert die Eiweißsynthese und dadurch das Knorpelwachstum.
 
Oestrogen wirkt negativ – hemmt das Wachstum und sorgt dafür, dass sich die knorpelige Wachstumsfuge schließt.
 
Cortison wirkt negativ – senkt die körpereigen Produktion von Chondroitin und Kollagen.

Steckbrief Chondroitin:

Knorpelverlust führt zu Gelenkverschleiß

Biochemischer Aufbau: Chondroitin (Synonym: Chondroitinsulfat) ist eine lange Zuckerkette aus den sich wiederholenden Disacchariden N-Galactosamin und Glucuronsäure.

Chondriotinsulfat ist ein sehr langes und durch seine Struktur bedingtes sperriges Molekül, welches in der Lage ist eine extrem große Menge Wasser zu binden. Eingelagert in die Knorpelmatrix bildet es aufgrund des großen Wasseranteils eine elastische, gelartige Matrix, die enormen Druck ausgleichen kann und so den Verschleiß der Knorpelstruktur auf natürliche Weise hemmt.

So sorgt Chondroitin dafür, dass Knorpel nicht verschleißen:
Chondroitin ist in der Regel an spezielle Proteine gebunden, die in dieser Form als Proteoglykane bezeichnet werden. Chondroitin-Proteoglykane stellen neben den Kollagenfasern einen der wichtigsten Bestandteile des Knorpels und der Gelenkflüssigkeit (Synovia) dar. Die Funktion von Chondroitinsulfat ist abhängig vom jeweiligen Proteoglykan. Es hat sowohl strukturelle als auch regulierende Funktionen im Gelenk. Im Proteoglycan Aggrecan, welches einen wichtigen Bestandteil der Knorpelmasse darstellt, binden zahlreiche Chondroitinketten an ein Kernprotein.

Chondroitin „saugt“ Wasser in den Knorpel – wie ein Schwamm
Durch seine Fähigkeit Wasser wie eine Art Schwamm aufzusaugen kommt Chondroitinsulfat eine wichtige Rolle beim Ausgleich und Widerstand von Kompressionsdruck in den Gelenken zu und hat hier die Funktion eines Stoßdämpfers und verhindert zudem den Verschleiß der Knorpelmasse.Es wirkt außerdem hemmend auf gewisse knorpelabbauende Enzyme und fördert die Zufuhr von Nährstoffen, indem die Durchlässigkeit des Knorpels für Nährstoffe erhöht wird. Zusammen mit Vitamin C  hat Chondroitin auch einen positiven Effekt auf die Kollagenproduktion.

Wichtiger Hinweis: Mit zunehmendem Alter nimmt die Chondroitin-Bildung im Körper ab!
Chondroitin wird zum Teil über die Nahrung aufgenommen und zum Teil vom Körper selbst aus den Ausgangsstoffen Glucosamin, Glucose und Galactose hergestellt. Diese Fähigkeit wird mit dem Alter geringer.

Hyaluronsäue schmiert das Gelenk!

  • Hyaluronsäure stellt das einfachste GAG dar. Es besteht aus der immer gleichen, sich wiederholenden Abfolge von bis zu 3000 Disaccharid-Einheiten. Im Gegensatz zu den restlichen GAG ist Hyaluronsäure nicht sulfatiert.
  • Hyaluronsäure kommt unter anderem im Knorpelgewebe vor und ist zusätzlich ein Hauptbestandteil der Gelenkflüssigkeit (Synovialflüssigkeit), wo es durch flexible und dynamische Aufnahme und Abspaltung von Wassermolekülen wie ein Schmiermittel für die Gelenke wirkt.

Funktionen der Hyaluronsäure:

  • normalisiert die Gleitverhältnisse im Gelenkspalt
  • stimuliert die Synovia zur Produktion von Hyaluronan
  • führt zu einer Normalisierung der Matrixproteoglykan-Konzentration
  • hemmt die Leukozytenmigration
  • fungiert als thixotroper Gelbildner und beeinflusst so die Stoßdämpfereigenschaften der Gelenkflüssigkeit
  • wird z.B. aus Hühnersternum oder Hahnenkämmen gewonnen, weil diese einen sehr hohen Gehalt an natürlicher Hyaluronsäure aufweisen

Durch die Schmierung hat ein Gelenk eine 5x bessere
Gleiteigenschaft als Eis!

Knorpelverlust führt zu Gelenkverschleiß

Knorpel gleiten auf Gelenkschmiere wie auf Eis

Was ist Kollagen?

Kollagen ist das Strukturprotein des Bindegewebes. Die Nummerierung der Kollagen Typen klassifizieren die verschiedenen Kettenmoleküle, die sich in der Aminosäurezusammensetzung unterscheiden. Die Kollagentypen kommen in unterschiedlichen Körpergeweben vor:

  • Kollagen Typ I: Knochen, Sehnen, Bänder, Faszien, Haut, Faserknorpel
  • Kollagen Typ II: Knorpeliges Bindegewebe, Hyalinknorpel, elastischer Knorpel, Faserknorpel
  • Kollagen Typ III: Haut, Gefäßwände, innere Organe

Kollagen-„Hydrolysat“ ist die wasserlösliche Form von fibrillärem Kollagen Typ I, II und/oder III. (Kollagen-„Hydrolysat“ wird üblicherweise vom Schwein gewonnen).

Kollagen befindet sich im Bindegewebe der Haut und im Knorpelgewebe!

Knorpelverlust führt zu Gelenkverschleiß

Mit zunehmenden Alter zeigt sich an der Faltenbildung der Haut, dass das Bindegewebe schwächer wird. Das trifft auch auf Knorpel, Sehnen und Bänder zu!

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Quellenangaben:

[1] Wildi et al., 2015, Chondroitin sulfate reduces both cartilage volume loss and bone marrow lesions in knee osteoarthritis patients starting as early as 6 month after initiation of therapy: a randomised, double-blind, placebo-controlled pilot study using MRI. Ann Rheum Dis 2011;70:982-989
[2] Uebelhart et al., Effects of oral chondroitin sulfate on the progression of knee osteoarthritis: a pilot study. Osteoartr Cartil 1998; 6 (Suppl A): 39-46
[3] Uebelhart  et al., Intermittent treatment of knee osteoarthritis with oral chondroitin sulfate: a one-year, randomized, double-blind,multicenter study versus placebo. Osteoarthr. Cartil 2004;12:269-76
[4] Michel et al.,Chondroitins 4 and 6 sulfate in osteoarthritis of the knee: a randomized, controlled trial. Arthritis Rheum 2005;52:779-86
[5] Kahan et al., Long-term effects of chondroitin 4 and 6 sulfate on knee osteoarthritis:the study on osteoarthritis progression prevention, a two-year, randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Arthritis Rheum 2009; 60:524-33
[6] Gabay et al., Symptomatic Effects of Chondroitin 4 and Chondroitin 6 Sulfate on Hand Osteoarthritis: A randomized, double-blind, placebo-controlled clinical trial at a single center 2011; Vol.63, No. 11, 3383-3391