Biomechanische Veränderungen

Die biomechanischen Veränderungen bei Degeneration am Knie sind komplex und betreffen multiple Strukturen, die in einer Kaskade von Fehlbelastung, Funktionsverlust und pathologischen Kompensationsmechanismen enden.

Morphologische Veränderungen

Schmerzen sind das Leitsymptom der Arthrose, doch Röntgenaufnahmen liefern wichtige morphologische Informationen zur Gelenkdegeneration. Arthrotisch schmerzhafte Verläufe treten etwa halb so häufig auf wie radiologische Arthrose, und eine radiographische Arthrose muss nicht klinisch manifest sein. Bereits Kellgren und Lawrence haben radiologische Veränderungen in ihrer morphologischen Klassifikation systematisch erfasst [12]. Auf dieser Grundlage basieren moderne dreidimensionale Klassifikationen der Knochenstruktur, die mit Statistical Shape Models aus 3D-Bildgebungen arbeiten [19]. Diese Modelle ermöglichen es, in milden bis moderaten Arthrosefällen die dreidimensionale Morphologie zu analysieren und eine Progredienz der Arthrose vorherzusagen [8]. Zur Differenzierung zwischen entzündlichen und degenerativen Ursachen einer Gelenkspaltverengung im Röntgenbild können spezifische radiologische Merkmale herangezogen werden. Eine entzündlich bedingte Synovitis kann kortikale Knochenschäden verursachen und in der Folge zu einer erosiven Arthrose führen. Typische Hinweise auf einen entzündlichen Prozess sind Knochenerosionen, periartikuläre Osteopenie und Weichteilschwellungen. Demgegenüber sprechen das Vorhandensein von Osteophyten, subchondraler Sklerose und subchondralen Zysten mit glatt begrenzten Knochenrändern für eine primär biomechanisch-degenerative Arthrose [10].

Moderne MRT-Sequenzen ermöglichen die Darstellung biochemischer Veränderungen des Knorpels

Verschiedene Methoden zur Bewertung der Kniearthrose stehen anhand von Merkmalen in der Magnetresonanztomographie (MRT) zur Verfügung, insbesondere zur Analyse der dreidimensionalen Knorpelmorphologie. Quantitative Methoden messen hauptsächlich das Volumen, die Oberfläche und die Dicke des Knorpels. Diese Parameter zeigen eine gute Korrelation mit den klinischen Symptomen und liefern Informationen zur Vorhersage des Bedarfs an einer totalen Knieprothese [4]. Darüber hinaus ermöglichen neue MRT-Sequenzen wie das T1ρ- und T2-Mapping die Darstellung biochemischer Veränderungen im Knorpel, noch bevor strukturelle Schäden sichtbar werden. T1ρ-Mapping ist besonders sensitiv für Veränderungen in der Proteoglykan-Konzentration, während das T2-Mapping Wassergehalt und Kollagenstruktur des Knorpels erfasst. Diese Techniken erlauben eine präzise Differenzierung zwischen frühem arthrotischen Knorpelschaden und gesundem Knorpel, da sie Veränderungen in der Knorpelzusammensetzung identifizieren, die morphologischen Veränderungen zeitlich vorausgehen. Dadurch bieten sie ein wichtiges Instrument für die frühzeitige Diagnose und das Monitoring von Kniearthrose [26].

Knorpeldegeneration und Lastübertragung

Mit zunehmender Degeneration des Kniegelenks kommt es zum Abbau des hyalinen Knorpels sowie zu einer Verringerung der Radiärspannung des Meniskus, bedingt durch Risse und eine Atrophie von Kollagen Typ I. Diese Strukturen spielen eine zentrale Rolle in der gleichmäßigen Verteilung der Gelenkbelastung, und mit fortschreitender Degeneration wird die Lastübertragung asymmetrisch. Nun erfahren überbeanspruchte Bereiche vermehrte Druckspitzen, und die Degeneration nimmt schneller zu. Da das mediale Kompartiment 70 % der Gesamtlast übernimmt, ist Kniearthrose 4‑mal häufiger im medialen Kompartiment [22]. Druckspitzen verursachen mikrostrukturelle Veränderungen im subchondralen Knochen, die sich in Form von subchondraler Sklerose und einer Reduktion der trabekulären Dichte manifestieren. Die veränderte Kinematik resultiert in unphysiologischen Scherkräften, die das Fortschreiten der Knorpeldegeneration zusätzlich beschleunigen.

Subchondrale Sklerose, Osteophytenbildung und schmerzhafte Kapselspannung

Auf den zunehmenden Knorpelverlust reagiert der subchondrale Knochen mit einer vermehrten Sklerosierung und verstärkten Osteophytenbildung. Mit der Verdickung und Sklerose des subchondralen Knochens verliert dieser seine Fähigkeit, Stöße und Kräfte effektiv abzufangen. Dies führt zu einer höheren Belastung des Gelenkknorpels und trägt zur weiteren Schädigung des Knorpels bei. Zudem wird durch die subchondrale Sklerose die subchondrale Ernährung des Knorpels gestört. Beides verstärkt den Teufelskreis der Degeneration weiter. Osteophyten entstehen primär in den Randzonen des Gelenks, um die Auflagefläche zu vergrößern und die Gelenkstabilität zu gewährleisten. Biomechanisch führt die Osteophytenbildung jedoch zu einer verminderten Beweglichkeit und einer eingeschränkten Funktionalität, vor allem in den terminalen Bewegungsstadien. Dies verändert die Kapselspannung und kann zu kontraktilen Verkürzungen der periartikulären Weichteile führen. Klinisch manifestiert sich dies als Schmerzen und in Bewegungseinschränkungen, die wiederum die funktionelle Stabilität des Kniegelenks weiter beeinträchtigen.

Alignment-Veränderungen

Durch die meist asymmetrische Abnahme des Gelenkspalts kommt es zur progredienten Ausbildung von Achsfehlstellungen, insbesondere die Varusdeformität. Diese Achsabweichung verändert die biomechanischen Hebelverhältnisse des gesamten Gelenks, wodurch die Lastverteilung auf dem Gelenk sich ändert und zu einer weiteren Verschlechterung der Kniearthrose führt [6] sowie eine chronische Fehlbelastung der ligamentären Strukturen entsteht. Insbesondere das laterale Kollateralband wird durch die fortschreitende Varusdeformität chronisch überdehnt, während die medialen Bandstrukturen an Funktionalität und Spannung verlieren. Diese ligamentären Veränderungen destabilisieren das Kniegelenk weiter, was die Anfälligkeit für sekundäre Verletzungen und die Progredienz der Arthrose verstärkt. Daher ist es bei allen knorpeltherapeutischen Maßnahmen unerlässlich, die Beinachsenverhältnisse in die Diagnostik einzubeziehen. Bei relevanten Abweichungen der Beinachse sollte eine Korrekturosteotomie in Erwägung gezogen werden.

Muskel- und Sehnenatrophie

Lineare Muskelatrophie beginnt im Alter von ca. 50 Jahren aufgrund eines Verlusts von Muskelfasern und Abnahme an Motoreinheiten [11, 16]. Allerdings beeinflusst Muskelatrophie auch in jüngerem Alter die biomechanische Funktion des Kniegelenks. Der Quadrizeps-dominante Bewegungsmechanismus im Knie wird durch die Degeneration zunehmend gestört, was zu einer Dysbalance zwischen dem Quadrizeps und den ischiokruralen Muskeln führt. Diese Dysbalance begünstigt eine verstärkte Posteriorisierung der Tibia relativ zum Femur, was wiederum zu einer erhöhten Belastung der Kreuzbandstrukturen und einer Instabilität im anteromedialen sowie anterolateralen Bereich des Kniegelenks führt. Studien zeigten, dass die Quadrizepskraft und die Muskelaktivierung bei Patienten mit Arthrose geringer ist [9, 21], aber ob die Quadrizepsatrophie nun eine Ursache oder eine Folge der Kniearthrose ist, bleibt ungeklärt.

Muskelfasern und Motoreinheiten schwinden, Sehnenkollagen verliert an Festigkeit und Elastizität

Im Gegensatz zu Skelettmuskelfasern bleiben die Anzahl der Kollagenfasern, die Querschnittsfläche und die Größe der Sehnenfibrillen im Alter konstant. Mit zunehmendem Alter sinkt jedoch die Dichte der Querbindungen, und es treten vermehrte Lipidablagerungen, Verkalkungen und eine Ansammlung von PGE2 [25] auf, was mit einer verminderten Zugfestigkeit einhergeht [23]. Ältere Menschen haben zudem einen geringeren Gehalt an extrazellulärem Wasser, was die Steifigkeit der Sehnen weiter erhöht [27]. Dies kann ebenfalls zu Kräftedysbalancen im Kniegelenk und konsekutivem Fortschreiten der Arthrose führen.

Resultierende kinematische Veränderungen

Patienten mit degenerativen Knieveränderungen zeigen typische biomechanische Auffälligkeiten beim Gehen. Sie weisen eine verkürzte Schrittlänge auf und haben einen eingeschränkten Range of Motion. Zudem ist der Knieflexionswinkel beim Fersenauftritt erhöht [28]. Während der Standphase treten größere Schwankungen des Kniewinkels auf, was auf eine veränderte Stabilität des Gelenks hindeutet. Ein weiteres Merkmal ist die Veränderung des Knieadduktionsmoments. Bei Patienten mit degenerativen Veränderungen ist dieses Moment vergrößert [2], was die Belastung der medialen Kniegelenkkompartimente erhöht. Bereits eine Zunahme des Varus-Alignments von 4–6° kann die mediale Belastung bei einbeinigen Übungen um bis zu 70–90 % steigern [5]. Diese erhöhte Belastung kann langfristig zur Progression der Arthrose beitragen, da eine Erhöhung des Peak-Adduktionsmoments um 20 % das Risiko für die Entwicklung einer Kniearthrose erheblich steigern kann [13].

Biochemische Veränderungen

Biochemische Veränderungen spielen eine wesentliche Rolle bei der Entstehung und dem Fortschreiten der Arthrose. Die biochemische Knorpeldegeneration bei Arthrose umfasst zwei Prozesse: In der biosynthetischen Phase versuchen die Chondrozyten, die beschädigte extrazelluläre Matrix zu reparieren. In der degenerierenden Phase bauen von Chondrozyten produzierte Enzyme die Matrix ab. Gleichzeitig wird die Matrixsynthese gehemmt, was die Erosion des Knorpels beschleunigt. Leider kann die biosynthetische anabole Aktivität irgendwann nicht mehr mit der abbauenden katabolen Aktivität Schritt halten, was zur Degeneration des Gewebes führt. Lokale Immunprozesse führen zu chronischer, niedriggradiger Entzündung, die zur Gelenkdegeneration beiträgt. Eine übermäßige Expression von Zytokinen und abbauenden Enzymen sowie ein Ungleichgewicht zwischen entzündungsfördernden und entzündungshemmenden Substanzen verschärfen die Erkrankung weiter. Systemische Entzündungen, insbesondere im Zusammenhang mit Erkrankungen wie rheumatoider Arthritis, chronischen-entzündlichen Erkrankungen und metabolischem Syndrom, fördern weiter die Entzündung und das Ungleichgewicht zwischen entzündungsfördernden und entzündungshemmenden Substanzen. Zusätzlich führen posttraumatische Ereignisse wie Verletzungen des vorderen Kreuzbands (VKB) zu biochemischen Veränderungen im Kniegelenk, welche die Entwicklung der Arthrose weiter verstärken.

Gleichgewicht von Zytokinen und Wachstumsfaktoren

Im gesunden Knorpel von Erwachsenen synthetisieren Chondrozyten die Matrixkomponenten sehr langsam. Die Biosynthese wird durch verschiedene anabole Zytokine und Wachstumsfaktoren angeregt, wie Transforming Growth Factor beta (TGF-β), Bone Morphogenetic Protein (BMPs), Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (FGFs) und Insulin-like Growth Factor (IGF-I). Diese stimulieren die Synthese der extrazellulären Matrix. Dem entgegen wirken katabole entzündungsfördernde Zytokine wie der Tumornekrosefaktor alpha (TNF-α) und Interleukin 1 (IL-1), welche sowohl von der Synovialmembran als auch von den Chondrozyten selbst produziert werden. Die entzündlichen Zytokine wirken, indem sie die Synthese von Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) erhöhen. Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) spielen eine zentrale Rolle im katabolen Prozess, indem sie den Abbau von Kollagen Typ II und Proteoglykanen im Gelenkknorpel katalysieren, was zu dessen strukturellem Zerfall führt. Bei Arthrose ist die Aktivität der MMPs stark erhöht, was folglich das Gleichgewicht zwischen Knorpelabbau und -neubildung stört. Auch mechanische Reize können die MMPs aktivieren, da freigelegte Fibronektinfragmente die Expression von MMPs und den Matrixabbau in Chondrozyten induzieren können [7]. Im normalen Knorpel wird der Matrixumsatz streng reguliert, es besteht ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Synthese und Abbau. Bei Arthrose ist dieses Gleichgewicht jedoch gestört, wobei sowohl der Abbau als auch die Synthese in der Regel verstärkt sind.

Biochemische Marker sollen eine frühzeitige Prognoseeinschätzung ermöglichen

Eine klinische Anwendung dieser Signalwege besteht darin, Marker zu finden, die mit der Entstehung von Arthrose zusammenhängen. Diese Marker sollen eine frühzeitige Diagnose und ein Vorhersage des Krankheitsverlaufs ermöglichen. Sie könnten helfen, Patienten mit erwarteter Krankheitsprogression zu identifizieren, bevorstehende strukturelle Veränderungen oder Schmerzen vorherzusagen und die Wirksamkeit von Behandlungen zu überwachen.

Schweregradindikatoren

Schweregradmarker sind spezielle Biomarker, die anzeigen, wie stark die Arthrose ausgeprägt ist. Liem et al. erkannten, dass 4 Biomarker (s-Coll2-1NO2, s‑CS846, s‑COMP und u‑CTXII) mit Anzeichen der Kniearthrose auf Röntgenbildern und klinischen Symptomen zusammenhängen. Diese Biomarker liefern zusätzliche Vorhersagen, die über bekannte Risikofaktoren wie Alter, Geschlecht, Körpergewicht und Herkunft hinausgehen [17]. Interessanterweise spielen neben Knorpel und Synovium auch der Meniskus und der Hoffa-Fettkörper Beiträge zur arthrosespezifischen Proteinzusammensetzung der Synovialflüssigkeit des Kniegelenks [24]. Das Serum-Lipopolysaccharid-Bindungsprotein (LBP) steht im Zusammenhang mit Meniskusschäden, und das CD14-Protein in der Gelenkflüssigkeit war mit Flüssigkeitsansammlungen im Knie verbunden. Serum-Interleukin 6 (IL-6) wurde mit Osteophyten, Entzündungen und Meniskusschäden in Verbindung gebracht. Auch TNF‑α im Blut war mit Knorpelverlust, Entzündungen und Flüssigkeitsansammlungen im Knie verbunden [20].

Prognostische Marker

Ein prognostischer Marker zeichnet sich dadurch aus, dass er vorhersagen kann, ob Menschen ohne Arthrose die Krankheit in Zukunft entwickeln oder ob sich die Arthrose bei bereits Betroffenen verschlimmern wird. Biochemische Marker können frühzeitig zeigen, wie sich der Stoffwechsel im Gelenk verändert, bevor sichtbare Schäden auftreten oder Schäden weiter fortschreiten. Sie helfen dabei, Patienten zu identifizieren, die ein hohes Risiko für Arthrose haben [14].

Bihlet et al. [3] fanden, dass der Baselinewert von u‑CTX-II mit einem erhöhten Risiko für radiographische Fortschritte über 2 Jahre hinweg assoziiert war. Sie entwickelten ein Modell, das u‑CTX-II zusammen mit Faktoren wie Alter, Geschlecht, Body-Mass-Index (BMI) und Grad nach Kellgren-Lawrence (KL) einbezieht. Dieses Modell konnte vorhersagen, ob innerhalb von 2 Jahren ein totaler Gelenkersatz nötig wird. Veränderungen von Biomarkern über die Zeit sind stärkere Prädiktoren für idiopathische Kniearthrose im Vergleich zu einer einmaligen Bewertung [15].

Im posttraumatischen Setting werden erhöhte Serumprofile von Monocyte Chemoattract Protein 1 (MCP-1) und Cartilage Oligomeric Matrix Protein (COMP) in den ersten 6 Monaten nach einer VKB-Rekonstruktion mit einer schlechteren Zusammensetzung des tibiofemoralen Gelenkknorpels auf MRT-Scans in Verbindung gebracht, was auf eine niedrige Proteoglykandichte 12 Monate nach der Operation hindeutet [18].

Aber auch die generelle Überlebensdauer kann mit Hilfe von Biomarkern eingeschätzt werden. Arnold et al. [1] fanden, dass GDF-15 bei Personen mit Arthrose ein starker Prädiktor für eine verminderte Überlebensdauer über einen Zeitraum von 20 Jahren ist, unabhängig von herkömmlichen kardiovaskulären Risikofaktoren, Nieren‑, Herz- und Entzündungsmarkern sowie Gehbehinderung, die zuvor mit erhöhter Mortalität und Osteoarthrose der unteren Extremitäten in Verbindung gebracht wurden.

Gezielte Patientenselektion für erfolgreiche rekonstruktive Therapien

Die oben beschriebenen degenerativen Veränderungen haben durch die Beeinflussung der Biomechanik und Biochemie auch entscheidende Auswirkungen auf die Erfolgsraten rekonstruktiver Eingriffe. Bei Patienten mit Früharthrose sind rekonstruktive Eingriffe häufig weniger erfolgreich als bei Patienten ohne arthrotische Veränderungen, da strukturelle Schäden, entzündliche Prozesse und Veränderungen im subchondralen Knochen die Heilung und Funktionalität des Gelenks beeinträchtigen. Eine frühzeitige Diagnostik und gezielte Patientenselektion sind daher essenziell, um individuell angepasste Therapieentscheidungen zu treffen. In Zukunft könnten die o. g. spezifischen Biomarker und sensitive Bildgebung dazu beitragen, jene Patienten zu identifizieren, die noch von gelenkerhaltenden Maßnahmen profitieren, bevor degenerative Prozesse irreversibel fortschreiten und rekonstruktive Eingriffe keine Aussicht auf Erfolg mehr bieten.

Fazit für die Praxis

  • Degenerative Veränderungen können die Erfolgsraten rekonstruktiver Eingriffe verringern, daher ist eine frühzeitige Erkennung für die korrekte Patientenselektion entscheidend.

  • Die Therapiewahl richtet sich danach, ob degenerative Veränderungen primär biologisch oder biomechanisch bedingt sind.

  • Biologische und biomechanische Faktoren beeinflussen sich gegenseitig. Ein frühzeitiges Eingreifen kann fortschreitenden Schaden verlangsamen.

  • Biomechanische Veränderungen führen schrittweise zur Gelenkdestabilisierung, Fehlbelastungen und Funktionsverlust.

  • Mit fortschreitender Knorpeldegeneration wird die Lastübertragung im Knie asymmetrisch. Eine Evaluation der Beinachse ist in allen Phasen essenziell.

  • Biologische Veränderungen resultieren aus einem Ungleichgewicht biosynthetischer und abbauender Prozesse; systemische Erkrankungen können eine Rolle spielen und medikamentös beeinflussbar sein.

  • Die Sequenzen T1ρ- und T2-Mapping in der Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglichen eine frühzeitige Diagnose degenerativer Gelenkveränderungen, bevor strukturelle Schäden sichtbar werden.