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This essay deals with the diseases osteoporosis and osteoarthritis in a medieval population from Visby in Sweden. The aim has been to evaluate to what extent and in what way these diseases have influenced the people of a relatively large harbour town during the Middle Ages. 24 individuals were analysed osteologicaly and 19 of them became subject for measurements of bone density through DEXA readings. Furthermore four individuals were x-rayed based on external differences due to osteoarthritis and a change in the depression at the base of the medial surface of the greater trochanter. Similar studies have been made in Trondheim, Norway and Wharram Percy, Great Britain. These were exceedingly larger than the study made for this essay and showed a higher number of individuals with the above mentioned diseases, compared to only one individual with osteopenia, a precursor of osteoporosis, and two individuals with osteoarthritis in the population from Visby. Additionally reasons for a population to be effected by the diseases has been evaluated and discussed. Climate and geology have been suggested as having an impact on the frequency of osteoporosis in a population as well as heredity.  For osteoarthritis a theoretical connection has been made to the changes in the trochanteric fossa. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Krankheiten Osteoporose und Osteoarthrose in einer mittelalterlichen Bevölkerung in Visby, Schweden. Das Ziel war zu bewerten, in welchem Umfang und in welcher Weise diese Krankheiten die Menschen in einer relativ großen Hafenstadt im Mittelalter beeinflusst haben. 24 Individuen wurden osteologisch analysierte und 19 von ihnen wurden für die Messung von Knochendichte durch DEXA Lesungen ausgewählt. Darüber hinaus wurden vier Individuen auf der Grundlage externer Unterschiede aufgrund von Arthrose und eine Änderung in der Depression an der Basis der medialen Oberfläche des Trochanter major geröntgt. Ähnliche Studien wurden in Trondheim, Norwegen, und Wharram Percy, Großbritannien, durchgeführt. Es waren umfangreichere Studien als die für diese Arbeit und sie zeigten auch eine höhere Anzahl von Individuen mit den oben genannten Erkrankungen, vergleichbar mit nur einer Person mit Osteopenie, eine Vorstufe der Osteoporose, und zwei Personen mit Osteoarthrose in der Bevölkerung von Visby. Zusätzlich wurden die möglichen Gründe dieser Krankheiten in einer Bevölkerung geklärt und diskutiert. Als Ursachen für die Häufigkeit von Osteoporose wurden Klima und Geologie sowie Vererbung vorgeschlagen. Vier gleichartige Veränderungen an Oberschenkelknochen führten außerdem zu der Hypothese dass ein Zusammenhang zwischen Veränderungen in der Fossa trochanterica  und Osteoarthrose besteht.

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Die progrediente, muskuloskelettale Erkrankung Ostheoarthrose wird aufgrund der immer älter werdenden Weltbevölkerung im Jahre 2020 einer der häufigsten Invaliditätsgründe sein. Koelling et al. beschrieb 2009 eine migrierende, chondrogene Progenitorzelllinie (CPC) im Reparaturgewebe der fortgeschrittenen Gonarthrose des Menschen, die Stammzelleigenschaften besitzt. Sie sind multipotent, klonal und besitzen ein osteochondrogenes Expressionsmuster, wodurch sie sich für neue Behandlungsmöglichkeiten bei der Ostheoarthrosetherapie eignen könnten. In dieser Arbeit wurden in vitro drei Klone einer humanen CPC-Population aus osteoarthrotisch verändertem Knorpel hinsichtlich ihrer multipotenten Eigenschaften, Proliferationsgeschwindigkeit und unterschiedlicher Phänotypen gegenübergestellt, da sich bei anderen Stammzelllinien Zusammenhänge zwischen diesen Eigenschaften zeigen, die mit fortgeschrittener Ausdifferenzierung der Stammzellen begründet wird. Die drei Klone IF-8, IIB-6 und IID-4 wurden 12 Tage unter Standardbedingungen in 2D-Flaschenkultur gehalten und anschließend ihr normaler Phänotyp ausgewertet. Dabei zeigte sich, dass IF-8 und IIB-6 eher einen fibroblastenartigen Phänotyp ausbildeten, während sich bei IID-4 erst kugelige Zellen bildeten, die später teils in eine längliche Form übergingen. Die fibroblastenartige Form entsprach der von CPCs aus heterogenen Kulturen, wohingegen der Phänotyp von IID-4 auf Dedifferenzierung oder fortgeschrittenere Differenzierung schließen ließ. Die Klone für die Differenzierungsversuche wurden mit zwei verschiedenen Zelldichten ausgesät, um auch eventuelle Einflüsse der Zelldichte mit in die Untersuchung einzubeziehen. Es wurde pro Well einmal die Anfangskonzentration von 1000 Zellen gewählt und einmal 3000 Zellen pro Well. Nach sechs Tagen wurden morphologische Veränderungen unter dem Mikroskop ausgewertet. Die Differenzierung in Adipozyten und Osteoblasten erfolgte insgesamt über zehn Tage mit anschließendem Differenzie- rungsnachweis mittels Oil-Red-Färbung von Adipozyten, bzw. der Alkalischen-Phosphatase-Reaktion der Osteoblasten. Es wurde zusätzlich mit der Immunfluoreszenzzytochemie kontrolliert, ob in den differenzierten Zellen auch spezifische Proteine exprimiert wurden und sich zwischen den Klonen ein quantitativer Unterschied ergibt, der auf einen veränderten Differenzierungsgrad der Klone schließen konnte. Für die Adipozyten wurden Antikörper gegen dieLipoproteinlipase und PPARγ gewählt, bei den Osteoblasten kamen Antikörper gegen Osteocalcin und den osteogenen Transkriptionsfaktor runx-2 zum Einsatz. Allen Differenzierungsversuchen wurden jeweils Kontrollgruppen gegenübergestellt. Die Ergebnisse zeigten morphologische Unterschiede zwischen den Klonen und den verschiedenen Zelldichten, die bei der osteogenen Differenzierung nicht so stark ausgeprägt waren wie bei der adipogenen. Der Klon-IID-4 zeigte auch hier die am Stärksten ausgeprägtesten morphologischen Unterschiede zwischen den Zellen selber und der verschiedenen Dichtegrade. Die quantitative Auswertung mittels Oil-Red und Alkalischer-Phosphatase, bzw. die Ergebnisse der Immunzytochemie ergaben hingegen keine Abweichungen zwischen den Klonen und keine Veränderung in Abhängigkeit zur Zelldichte. Dadurch konnte gezeigt werden, dass bei den CPCs ein veränderter Phänotyp kein Hinweis auf eine fortgeschrittene Zellalterung und verminderte Differenzierbarkeit ist. Auch die Zelldichte nimmt auf die Differenzierung in andere Zelllinien keinen positiven oder negativen Einfluss. Deutliche Unterschiede zwischen den Klonen zeigten sich hinsichtlich ihrer Proliferationsgeschwindigkeit und ihres osteochondrogenen Grundmusters. Für das Proliferationsassay wurden über den Zeitraum von sieben Tagen die Zellzahlen gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass sich Klon-IF-8 am langsamsten teilte, danach folgte IID-4 und am Ende IIB-6. Im Zusammenhang mit dem Western-Blot, bei dem der osteogene Transkriptionsfaktor runx-2 und der chondrogene Transkrip-tionsfaktor sox-9 miteinander verglichen wurden, konnte eine Beziehung zwischen Proliferationsgeschwindigkeit und der Ausprägung der Transkriptionsfaktoren festgestellt werden. Mit Abnahme der Proliferationsgeschwindigkeit nimmt die Expression von runx-2 zu, während die Expression von sox-9 abnimmt. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass die CPCs mit abnehmender Zellteilung in einen vermehrt osteogenen Zustand übergehen und ihren osteochondrogenen Charakter verlieren. Dieser Übergang hat jedoch keinen Einfluss auf ihre multipotenten Eigenschaften. Mit den Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass sich CPCs, ähnlich wie andere Progenitorzellen auch, in ihrer Entwicklung weiter ausdifferenzieren und sich dadurch innerhalb einer Population verschiedene Entwicklungszustände ergeben, die eine genauere Charakterisierung der CPCs weiter erschweren.

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Einleitung: Osteoarthrose (OA) ist eine der häufigsten muskuloskelettalen Erkrankungen beim Hund und wird definiert durch einen fortschreitenden Verlust der Knorpelschicht auf den Gelenksflächen. Therapeutika erster Wahl, wie nichtsteroidale Antiphlogistika, wirken rein palliativ und haben insbesondere bei der Langzeitgabe schädliche Nebenwirkungen. Bei der Suche nach Alternativen rückten Ergänzungsfuttermittel in den Focus der Forschung. Dabei zeigten mehreren Studien, dass eine Fütterung von Fischöl die klinischen Symptome von OA bei Hunden verbessert. Der dahinterliegende Wirkmechanismus ist jedoch beim Hund nicht erforscht. Ziele der Untersuchungen: Ziel dieser Studie war demnach, den genauen Wirkmechanismus von mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFA) auf ausgewählte Schlüsselfaktoren der Knorpeldegeneration in einem Modellsystem der caninen OA zu untersuchen. Material und Methoden: Wir etablierten ein Protokoll zur Isolierung von caninen Chondrozyten, kultivierten die Zellen erfolgreich bis zur Konfluenz und kryokonservierten sie für die weiteren Versuche. Um die Ansprechbarkeit der Zellen auf verschiedene Zytokine zu untersuchen, wurden die Zellen über 24 h mit 10 ng/ml Interleukin‑1β (IL‑1β) und mit 1 bis 10 ng/ml Transforming Growth Faktor‑β (TGF‑β) stimuliert und die Genexpression von Matrixproteinasen, induzierbarer Stickstoffmonoxid Synthase (iNOS) und Cyclooxygenase‑2 (COX‑2) sowie die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) und Prostaglandin E (PGE) gemessen (4 Spender, N=3). Auf Basis des etablierten Models wurden in einer zweiten Versuchsreihe die Zellen über 6 Tage mit n-3 Eicosapentaensäure (EPA), n-3 Docosahexaensäure (DHA) oder n-6 Arachidonsäure (AA) kultiviert und anschließend über 48 h mit IL‑1β stimuliert. Die Veränderung der IL‑induzierte Genexpression von Matrixproteinasen, iNOS und COX‑2 sowie die Produktion von PGE und NO unter Einfluss der Fettsäuren wurde analysiert (6 Spender, N=4). Darüber hinaus wurde die Fettsäureaufnahme und der Fettsäuremetabolismus via Gaschromatographie überprüft. Um die Wirkungen der Fettsäuren und Stimulantien zu verifizieren, wurden die Daten einer zweifachen Varianzanalyse (AV) unterzogen. Bei signifikanten Einflüssen der Faktoren folgte ein Post-hoc-Test (Dunnett’s Test für die PUFA bzw. ein Bonferroni Test für die Stimulanzien). Die Signifikanzniveaus für AV- und die Post-hoc Tests wurden auf α = 0,01 eingestellt. Ergebnisse: Unter der Stimulation mit IL‑1β kam es zu einem signifikanten Anstieg von degenerativen und entzündlichen Markern. Das Muster der Marker entsprach dabei dem Muster, welches unter natürlichen Bedingungen in erkrankten Gelenken vorzufinden ist. Somit haben wir ein simples und dennoch repräsentatives Modell für die canine OA etabliert. Im Gegensatz zu IL‑1β reduzierte TGF‑β konzentrationsabhängig signifikant den von IL‑1β induzierten Anstieg der inflammatorischen Marker und stellt sich somit als Gegenspieler zu diesem proinflammatorischen Zytokin dar. Die gegensätzliche Antwort der Zellen auf beide Zytokine bewies, dass die Chondrozyten in unserem Modell Charakteristika von differenzierten Zellen aufweisen. Alle Fettsäuren wurden konzentrationsabhängig in die Zellen aufgenommen und metabolisiert. EPA reduzierte die IL‑induzierte Expression von iNOS und die damit im Zusammenhang stehende Produktion von NO signifikant. AA reduzierte ebenfalls iNOS und NO und außerdem die Expression von Matrixmetalloproteinase‑3 signifikant. Auf der anderen Seite steigerte AA signifikant die Produktion von PGE und die Expression von Aggrecanase ADAMTS‑5. DHA hatte auf keinen der untersuchten Marker einen Effekt. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse dieser Studie die in Fütterungsversuchen dokumentierte positive Wirkung von n-3 PUFAs bei der caninen OA und bieten zudem eine Erklärung für die dahinterliegenden Mechanismen. Hervorzuheben ist, dass in dieser Studie nicht nur EPA, sondern auch AA eine positive Wirkung auf einzelne Marker erzielen. EPA scheint von allen untersuchten Fettsäuren die höchste Effektivität zu haben. Eine geringe Dosis an Fettsäuren über einen längeren Zeitraum führte nicht zu einer Akkumulation der Fettsäuren und hatte daher auf einige untersuchte Marker nur eine geringe Wirkung. Insgesamt lässt sich schlussfolgern, dass eine ausreichende Menge und ausgewogenes Verhältnis von n‑3 und n‑6 PUFA als unterstützende Therapie bei chronischen Gelenkserkrankungen beim Hund von großer Wichtigkeit ist. Besonders ein hoher Gehalt an EPA scheint dabei eine hohe Bedeutung für die Effektivität zu haben.:INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Physiologie und Anatomie des hyalinen Knorpels 3 2.1.1 Feinstruktur des Gewebes 3 2.1.2 Bedeutung der Chondrozyten 4 2.1.3 Aufbau der Extrazellulären Matrix (ECM) 5 2.2 Osteoarthrose (OA) 6 2.2.1 Pathogenese 6 2.2.1.1 Kausale Pathogenese 6 2.2.1.2 Formale Pathogenese 7 2.2.2 Die Rolle der Zytokine 9 2.2.2.1 Interleukin-1β (IL-1β) 9 2.2.2.2 Transforming Growth Factor-β (TGF-β) 10 2.2.3 Rolle der Matrixproteinasen MMP und ADAMTS 12 2.2.4 Rolle der Entzündungsmediatoren 14 2.2.4.1 Stickstoffmonoxid (NO) 14 2.2.4.2 Prostaglandin E2 (PGE2) 15 2.3 Zellkulturmodelle für OA 16 2.4 Die canine OA 17 2.4.1 Ätiologie und Diagnose 17 2.4.2 Therapieansätze in der caninen OA 18 2.5 Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) als Ergänzungsfuttermittel 20 2.5.1 Grundlagen des Fettsäurestoffwechsels 20 2.5.2 Fettsäurestoffwechsel im Knorpelgewebe 21 2.5.3 n-3 PUFAs als Therapieoption bei caniner OA 22 3 Ziel der Arbeit 25 4 Ergebnisse 26 4.1 Publikation 1 26 4.2 Publikation 2 36 5 Diskussion 47 5.1 Isolation und Anzucht von caninen Chondrozyten 47 5.2 IL-stimulierte canine Chondrozyten als Osteoarthrosemodell 51 5.3 TGF‑β als Gegenspieler von IL-1β 52 5.4 Fettsäuremetabolismus der Chondrozyten 54 5.5 Fettsäuren als Therapieoption bei der caninen OA 59 6 Schlussfolgerung 65 7 Zusammenfassung 66 8 Summary 68 9 Literaturverzeichnis 70 10 Danksagung 90 / Introduction: Osteoarthrosis (OA) is one of the most common musculoskeletal diseases in dogs and is defined by the progressive loss of the protective joint cartilage layer. First-choice treatments, like nonsteroidal anti-inflammatory drugs, act palliative only and are known to have harmful side effects especially in long-term usage. The urge to find alternative treatments moved nutraceuticals into the focus of research. In multiple trials, feeding fish oil improved the clinical symptoms of osteoarthritis in dogs. However, the underlying molecular mechanisms have not been investigated in dogs. Aim of the Study: The aim of this study was therefore to further clarify how polyunsaturated fatty acids affect key factors of cartilage degeneration in a cell culture model for canine OA. Materials and methods: We established a protocol for the isolation of canine chondrocytes, cultivated them successfully until confluency and cryoconservated them for further experiments. To examine the response of the cells to different cytokines, cells were stimulated for 24 h with 10 ng/ml Interleukin‑1β (IL‑1β) or 1 to 10 ng/ml Transforming Growth Factor‑β (TGF‑β). The gene expression of matrix proteinases, inducible nitric oxide synthase (iNOS) and cyclooxygenase‑2 (COX‑2), the production of nitric oxide (NO) and prostaglandin E (PGE) were measured (4 donors, N=3). Using the established model, cells in the second trial were incubated with eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA) and arachidonic acid (AA) for 6 days and subsequently stimulated with IL‑1β for another 48 h. The change in IL‑induced gene expression of matrix proteinases, iNOS and COX‑2 as well as the production of NO and PGE under the influence of n‑3 EPA, n‑3 DHA and n‑6 AA was analysed (6 donors, N=4). To verify the effects of the fatty acids and the stimulants, data were analysed with a two‑factorial analysis of variance (ANOVA). When there was a significant effect of the factors, a post-hoc test was performed (Dunnett’s test for PUFA, Bonferroni test for stimulants). Significance level for ANOVA- and the post hoc test was set at α = 0.01. Results: Stimulation with IL-1β led to a significant increase of degenerative and inflammatory markers. This pattern of responsiveness was comparable to the events in naturally occurring OA. We therefore have established a simple yet representative model for canine OA. In contrast to IL‑1β, TGF‑β significantly decreased the IL‑induced inflammatory markers in a dose-dependent manner and therefore could counteract IL‑1β. The response of the cells to the cytokines indicates, that in our model, the chondrocytes have characteristics of differentiated cells. All fatty acids were incorporated in a dose-dependent manner and metabolized. EPA decreased the IL-induced gene expression of iNOS and reduced the concomitant production of NO significantly. AA also decreased iNOS and NO significantly and downregulated the gene expression of matrix metalloproteinase‑3 significantly. On the other hand, AA significantly increased the production of PGE and the gene expression of the aggrecanase ADAMTS‑5. DHA had no effect on any of the markers. Conclusions: Taking together, the results of this study add further weight to the beneficial effect of n‑3 PUFAs in canine OA and furthermore provide an explanation for the underlying mechanism. It is of importance, that not only the n‑3 fatty acid EPA but also the n‑6 fatty acid AA could provide beneficial effects on several markers. EPA seems to be the most effective of all fatty acids included in this study. A low concentration of fatty acids over a long period of time did not lead to an accumulation of fatty acids and therefore had a rather small impact on some of the investigated markers. Therefore, an optimal ratio between n‑3 and n‑6 and the adequate amount of fatty acids seems to be of high importance when treating chronic degenerative joint disease in dogs. However, a high content of EPA seems to be particularly effective.:INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Physiologie und Anatomie des hyalinen Knorpels 3 2.1.1 Feinstruktur des Gewebes 3 2.1.2 Bedeutung der Chondrozyten 4 2.1.3 Aufbau der Extrazellulären Matrix (ECM) 5 2.2 Osteoarthrose (OA) 6 2.2.1 Pathogenese 6 2.2.1.1 Kausale Pathogenese 6 2.2.1.2 Formale Pathogenese 7 2.2.2 Die Rolle der Zytokine 9 2.2.2.1 Interleukin-1β (IL-1β) 9 2.2.2.2 Transforming Growth Factor-β (TGF-β) 10 2.2.3 Rolle der Matrixproteinasen MMP und ADAMTS 12 2.2.4 Rolle der Entzündungsmediatoren 14 2.2.4.1 Stickstoffmonoxid (NO) 14 2.2.4.2 Prostaglandin E2 (PGE2) 15 2.3 Zellkulturmodelle für OA 16 2.4 Die canine OA 17 2.4.1 Ätiologie und Diagnose 17 2.4.2 Therapieansätze in der caninen OA 18 2.5 Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) als Ergänzungsfuttermittel 20 2.5.1 Grundlagen des Fettsäurestoffwechsels 20 2.5.2 Fettsäurestoffwechsel im Knorpelgewebe 21 2.5.3 n-3 PUFAs als Therapieoption bei caniner OA 22 3 Ziel der Arbeit 25 4 Ergebnisse 26 4.1 Publikation 1 26 4.2 Publikation 2 36 5 Diskussion 47 5.1 Isolation und Anzucht von caninen Chondrozyten 47 5.2 IL-stimulierte canine Chondrozyten als Osteoarthrosemodell 51 5.3 TGF‑β als Gegenspieler von IL-1β 52 5.4 Fettsäuremetabolismus der Chondrozyten 54 5.5 Fettsäuren als Therapieoption bei der caninen OA 59 6 Schlussfolgerung 65 7 Zusammenfassung 66 8 Summary 68 9 Literaturverzeichnis 70 10 Danksagung 90