Arthrose des Kniegelenkes – Grundlagen, Risikofaktoren, Diagnostik, Prävention, Defektbeurteilung
Verfasst von: Henning Madry
Im Kniegelenk ist die osteochondrale Einheit aus hyalinem Gelenkknorpel, kalzifiziertem Knorpel und subchondralem Knochen topografisch und funktionell eng mit den Menisken assoziiert. Von der Gonarthrose sind primär der hyaline Gelenkknorpel und der subchondrale Knochen betroffen, jedoch finden sich arthrotische Veränderungen auch in allen anderen artikulären und periartikulären Geweben. Die Gonarthrose ist zumeist Folge einer intra- oder extraartikulären präarthrotischen Deformität oder idiopathischer Natur. Trotz verschiedener Ätiologien ist die morphologische, biologische und klinische Endstrecke der fortgeschrittenen Gonarthrose gleich. Die klinischen Kardinalsymptome der Gonarthrose sind Ruhe- und Bewegungsschmerz sowie die progrediente Bewegungseinschränkung mit zunehmender Deformität. Die radiologische Diagnostik der Arthrose erfolgt durch röntgenologische Standardaufnahmen des Kniegelenks. Ziel der Arthroseprävention ist, durch möglichst frühzeitig angewendete nicht operative Verfahren die Progression der Arthrose zu reduzieren und bestenfalls zu stoppen und damit einen eventuell später notwendigen Gelenkersatz zu verzögern. Die gut abgegrenzten akuten fokalen nicht-arthrotischen Knorpeldefekte sind formell von den schlecht abgegrenzten chronischen großflächigen arthrotischen Knorpelschäden zu unterscheiden. Die Defektbeurteilung und Klassifikation von Knorpeldefekten sind primär für die Therapie symptomatischer fokaler Knorpeldefekte relevant.
Das Kniegelenk ist das größte Gelenk des menschlichen Körpers. Es besteht aus dem medialen und lateralen Femorotibialgelenk und dem Femoropatellargelenk. Hingegen ist das proximale Tibiofibulargelenk von einer separaten Gelenkkapsel abgegrenzt und führt nur kleine Gleitbewegungen durch. Das Kniegelenk ist ein komplexes Funktionselement, welches aus dem Gelenkknorpel und subchondralem Knochen der Femurkondylen, des Tibiaplateau und der Patella, dem Gelenkcavum mit Synovia (Synovialflüssigkeit), Innen- und Außenmeniskus und deren Wurzeln, vorderem und hinterem Kreuzband, dem Hoffa-Fettkörper sowie der umschließenden Synovialis (Synovialmembran) und benachbarten Strukturen wie Gelenkkapsel, extraartikulären Bändern und Sehnen sowie Muskeln besteht. Obwohl diese Strukturen funktionell verschieden und anatomisch gut getrennt sind, weisen sie zur Aufrechterhaltung der physiologischen Gelenkhomöostase ein hohes Maß an Kommunikation auf.
Im Begriff der osteochondralen Einheit (Abb. 1) ist die enge topografische und funktionelle Assoziation von hyalinem Gelenkknorpel, kalzifiziertem Knorpel und subchondralem Knochen reflektiert (Goldring und Goldring 2016). Innerhalb des femorotibialen Kompartiments bestehen zudem enge topografische Korrelationen zwischen den Menisken und der osteochondralen Einheit (Ziegler et al. 2015). Im Tibiaplateau können aufgrund der topografischen Lagebeziehungen zu den Menisken ein meniskusunbedeckter zentraler und meniskusbedeckter peripherer Teil unterschieden werden (Olah et al. 2019). Der humane submeniskale Knorpel ist im peripheren meniskusbedeckten Tibiaplateau ca. 50 % dünner als der zentral gelegene meniskusunbedeckte Knorpel und hat auch andere biomechanische Eigenschaften.
Abb. 1
Aufbau der osteochondralen Einheit. Im Begriff der osteochondralen Einheit ist die enge topografische und funktionelle Assoziation von hyalinem Gelenkknorpel, kalzifiziertem Knorpel und subchondralem Knochen reflektiert. Abgebildet ist eine normale humane osteochondrale Einheit (Kniegelenk). Die Tidemark trennt den hyalinen Gelenkknorpel und den kalzifizierten Knorpel. Die Zementlinie trennt den kalzifizierten Knorpel vom subchondralen Knochen. Beachte die relative Dünne der normalen subchondralen Knochenplatte. Färbung: Safranin-O-Echtgrün
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Der hyaline Gelenkknorpel
Der hyaline Gelenkknorpel ist ein zellarmes Komposit aus einer dichten und wasserhaltigen extrazellulären Matrix, in welche die Chondrozyten eingebettet sind. Kennzeichnend für den erwachsenen Gelenkknorpel ist die Tatsache, dass ihn keine Gefäße, Nerven oder Lymphgefäße durchziehen. Der Gelenkknorpel wird von der Synovia benetzt. Sie ist teils ein Dialysat des Blutes, teils wird sie von den Synovialzellen sezerniert. Die Synovia besteht hauptsächlich aus Hyaluronsäure, Proteinen und Glukose. Die dreidimensionale extrazelluläre Knorpelmatrix wird hauptsächlich durch Typ-II-Kollagen und Proteoglykane gebildet. Die hydrophilen, negativ geladenen Proteoglykane binden Wasser im Knorpel, wodurch sein relativ hoher Wassergehalt von rund 70 % resultiert. Diese Wasserbindungskapazität ist die entscheidende Grundlage für die elastischen Eigenschaften des Knorpelgewebes. Die Chondrozyten können auf mechanische und biologische Stimuli reagieren. So reduziert eine statische Belastung (beispielsweise Stehen) die Synthese von extrazellulärer Matrix, während eine intermittierende Belastung (beispielsweise Gehen) den Zellmetabolismus stimuliert. Chondrozyten werden auch durch auf sie einwirkende Faktoren reguliert. Hierbei werden anabole Faktoren, wie beispielsweise der transformierende Wachstumsfaktor β, die knochenmorphogenetischen Proteine („bone morphogenetic proteins“, BMPs) wie BMP-2 und BMP-7, sowie der insulinartige Wachstumsfaktor I (IGF-I) von katabolen Faktoren wie Interleukine (Interleukin I) und Matrixmetalloproteinasen (MMPs) unterschieden. Im physiologischen Zustand herrscht ein Gleichgewicht zwischen den matrixaufbauenden und matrixabbauenden Prozessen.
Der subchondrale Knochen
Der subchondrale Knochen ist in der Lage, sich relativ schnell und dynamisch an die mechanischen Kräfte, die auf das Gelenk einwirken, anzupassen. Grundlage hierfür ist die Kopplung von osteoklastischer Knochenresorption und osteoblastischer Knochenbildung. Das subchondrale Knochengewebe besteht aus einem Netzwerk von Knochenzellen (Osteozyten), die die extrazelluläre Matrix aus Mineralien, Wasser (ca. 25 %), Kollagenen (hauptsächlich Typ-I-Kollagen, ca. 95 %) und nicht kollagenen Proteinen sowie Lipiden produzieren und in sie eingebettet sind. Während die metaphysenwärts gelegene innere Oberfläche des subchondralen Knochens mit Endost überzogen ist, tritt der kalzifizierte und hyaline Knorpel an die Stelle des Periosts. Die am Endost befindliche Osteoidmatrix ist eine neu sezernierte nicht mineralisierte Matrix, die während der Osteogenese eine Mineralisierung erfährt. Hierbei dient das Typ-I-Kollagen als Gerüst für die Ablagerung von Hydroxylapatitkristallen bei der Osteoidmineralisierung. Die am Endost befindlichen mehrkernigen Osteoklasten resorbieren Knochengewebe. Während der Osteoklasten-vermittelten Knochenresorption wird transformierender Wachstumsfaktor β (TGF-β1) aus der Knochenmatrix freigesetzt und aktiviert, wodurch ein Gradient entsteht, der die Migration von mesenchymalen Vorläuferzellen zu den Knochenumbaustellen induziert, um die Knochenresorption und -bildung adaptiv zu koppeln. Die nachfolgende Neusynthese von Knochengewebe findet durch Osteoblasten statt. Sie kommunizieren über lange Zellausläufer mit benachbarten Osteoblasten. Während der Knochenbildung verändern sich die Osteoblasten zu nicht mehr teilungsfähigen Osteozyten, die extrazelluläre Matrix mineralisiert und wird mit Calcium aufgefüllt (Crane und Cao 2014).
Schichtweiser Aufbau der osteochondralen Einheit
Die oberflächliche Tangentialzone des Gelenkknorpels dient vor allem dazu, Druck- und Scherkräfte abzufangen und Reibungskräfte zu reduzieren. Hier liegt ein hoher Gehalt an parallel zur Gelenkfläche angeordneten Kollagenen und ein vergleichsweise niedriger Gehalt an Proteoglykanen vor. Die wenigen spindelförmigen Knorpelzellen in der oberflächlichen Tangentialzone sind ebenfalls parallel zur Gelenkfläche angeordnet. Sie produzieren Schmierungsproteine (Proteoglycan 4 oder Lubricin) zur optimalen Gleitfähigkeit des Knorpels. In der auf die Tangentialzone folgenden Übergangszone verlaufen die Kollagenfasern tangential und bilden Arkaden. Die Chondrozyten sind runder und teilweise in Chondronen angeordnet. Die nachfolgende Radiärzone (tiefe Knorpelzone) ist die breiteste Zone des Gelenkknorpels. In ihr sind die Kollagenfibrillen parallel zueinander und in den charakteristisch senkrecht zur Knorpeloberfläche stehenden Säulen angeordnet. Die Chondrozyten haben hier ihren größten Durchmesser, und es findet sich die höchste Konzentration an Proteoglykanen. Aufgrund dieses Aufbaus kann die Radiärzone ideal Kompressionskräfte absorbieren. Durch die Tidemark (Grenzstreifen), eine in histologischen Präparaten sichtbare basophile Linie, wird die Radiärzone von der dünnen mineralisierten (kalzifizierten) Knorpelzone abgetrennt. Hier verlaufen die Kollagenfasern aus der Radiärzone kontinuierlich in die kalzifizierte Zone und verbinden so den relativ gering verformbaren Knorpel der kalzifizierten Zone mit dem darüberliegenden weicheren Gelenkknorpel. Die kalzifizierte Zone ist neben Typ-II-Kollagen durch das zusätzliche Vorkommen von Typ-X-Kollagen gekennzeichnet. Es schließt sich dann die subchondrale Knochenplatte an die mineralisierte Knorpelzone an. Die Zementlinie grenzt hierbei den mineralisierten Knorpel vom subchondralen Knochen ab. Interessanterweise trennt die Zementlinie auch die Typ-II-Kollagenfasern des Knorpels von den Typ-I-Kollagenfasern des subchondralen Knochens. Durch ihre dreidimensional wellenförmig undulierende Form erlaubt sie dennoch eine hinreichend stabile Verzahnung des Gelenkknorpels mit dem subchondralen Knochen. Die subchondrale Knochenplatte ist relativ dünn und besitzt kleine Gefäße und Nervenfasern, welche bis in die mineralisierte Knorpelzone hineinragen können. Diaphysenwärts geht die dichte subchondrale Knochenplatte in die offenporige subartikuläre Spongiosa über (Madry et al. 2010).
Definition der Arthrose
Die Arthrose (Arthrosis deformans, degenerative Gelenkerkrankung; engl.: Osteoarthritis) ist eine chronisch fortschreitende, oftmals schmerzhafte Gelenkerkrankung, die zu einem zunehmenden Funktionsverlust des betroffenen Gelenks führt. Obwohl sich im Sprachgebrauch auch der Anglizismus „Osteoarthritis“ als Synonym für Arthrose findet, erscheint seine Verwendung weniger zutreffend, da die Endung „-itis“ eine primär entzündliche akute Gelenkerkrankung suggeriert und somit der komplexen Natur der Arthrose nicht gerecht wird. Die Arthrose ist ein dynamischer Prozess, welcher primär zur Destruktion des Gelenkknorpels (Abb. 2) führt. Von der Arthrose sind primär der hyaline Gelenkknorpel und der subchondrale Knochen betroffen. Jedoch finden sich arthrotische Veränderungen auch in den Menisken, der Synovialmembran, der Gelenkkapsel, dem Hoffa-Fettkörper, den Bändern und Sehnen des Gelenks sowie in der periartikulären Muskulatur (Schrenker et al. 2019).
Abb. 2
Histopathologischer Schweregrad der Arthrose. Der histopathologische Schweregrad der Arthrose kann nach der OARSI in verschiedene Stufen eingeteilt werden. Der hier gezeigte Grad 1 entspricht einer intakten Oberfläche, die jedoch Unebenheiten und oberflächliche Auffaserungen aufweist. Bei Grad 3,5 ist bereits ein Großteil der gelenkseitigen Knorpelsubstanz verloren. Vertikale Risse der extrazellulären Matrix ziehen sich bis über die mittlere Zone hinweg bis in die Übergangszone. Die Matrixanfärbbarkeit mit Safranin-O ist reduziert, die Chondrozyten haben Haufen (Cluster) gebildet oder sind bereits abgestorben. Bei Grad 4 erreicht die Erosion die kalzifizierte Knorpelschicht. Bei Grad 6 befindet sich der freigelegte subchondrale Knochen in einem Umbauprozess
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Ätiologie der Gonarthrose
Per definitionem ist die Arthrose das Ergebnis mechanischer und biologischer Ereignisse, welche die physiologische Balance zwischen Knorpelaufbau und Knorpelabbau entkoppeln. Generell wird zwischen der idiopathischen primären Gonarthrose und der sekundären Gonarthrose unterschieden. Bei der primären Arthrose wird eine genetische Prädisposition vermutet. Genetische Studien legen allerdings nahe, dass mehrere Gendefekte eine Rolle spielen, die unterschiedliche Subpopulationen der Arthrose und verschiedene arthrotische Phänotypen bedingen. Eine genetische Prädisposition kann zudem den kritischen Unterschied zwischen einem Patienten ausmachen, welcher eine traumatische Knorpelverletzung erleidet und sich davon erholt und einem Patienten, welcher als deren Folge eine Früharthrose entwickelt. Obwohl Arthrose ebenfalls eng mit dem Lebensalter korreliert, ist sie kein schicksalhafter „Abnutzungsprozess“, der jeden Patienten im hohen Lebensalter erfasst (Grassel et al. 2021).
Die sekundäre Arthrose ist zumeist Folge einer intra- oder extraartikulären präarthrotischen Deformität (Hackenbroch 1957). Präarthrotische Deformitäten werden als angeborene oder erworbene Störung der Gelenkstruktur definiert, die ihre Funktion beeinträchtigen. Hierbei kommt es zu einem Missverhältnis zwischen der Belastbarkeit des Gelenkknorpels und seiner tatsächlichen Belastung, welches eine lokale Störung des Knorpelstoffwechsels nach sich zieht. Wichtige kniespezifische intraartikuläre Faktoren sind Meniskusreduktion und -verlust, großflächige fokale Knorpeldefekte, Kreuzbandrupturen, und Gelenkfrakturen. Jedoch schädigt auch eine bakterielle Gonitis durch die freigesetzten bakteriellen Kollagenasen die extrazelluläre Knorpelmatrix und kann so eine Gonarthrose induzieren. Extraartikuläre Ursachen stellen angeborene bzw. posttraumatische Achsabweichungen, muskuläre Dysbalance sowie Kontrakturen dar. Trotz dieser unterschiedlichen Ätiologien ist die morphologische, biologische und klinische Endstrecke der fortgeschrittenen Gonarthrose gleich.
Pathogenese der Arthrose
Die Degeneration des hyalinen Knorpels ist das Kernelement der Gonarthrose (Abb. 2, Tab. 1). Nach einer initial hypertrophischen Reparaturphase mit teilweiser Knorpeldickenzunahme aufgrund einer gesteigerten Produktion von wasserbindenden Proteoglykanen, die zur Gewebsschwellung führt, setzt der progressive Verlust der Knorpeloberfläche ein. Dieser beginnt zunächst als Aufrauhung und Auffaserung der Oberfläche, gefolgt von größer werdenden Rissen bis hin zu dem progredienten schichtweisen Verlust der Verbundstruktur der Knorpelmatrix mit immer mehr verminderter Widerstandsfähigkeit. Der Reibungswiderstand und dadurch auch die mechanische Schädigung nehmen zu, was zur Entstehung von Rissen in der Knorpelsubstanz führt. Die Reparaturmechanismen des Gelenkknorpels auf diese Schäden sind nur sehr eingeschränkt (Madry et al. 2012).
Tab. 1
Histopathologische Veränderungen der osteochondralen Einheit bei Arthrose
Oberflächliche Tangentialfaserzone intakt, ggf. oberflächliche Fibrillierung. Zelltod/Proliferation und/oder Hypertrophie in der oberflächlichen Zone
2. Oberflächen-diskontinuität
Wie Grad 1, aber mit einer Matrixschädigung innerhalb der oberflächlichen Tangentialfaserzone, ggf. mit einer Verringerung der kationischen Matrixanfärbbarkeit mit Safranin-O, Toluidinblau in den oberen 2/3 des Gelenkknorpels, ggf. disorientierte Anordnung der Chondrozyten mit Zelltod, Proliferation und/oder Hypertrophie
3. Vertikale Fissuren (Zerklüftung)
Wie Grad 2, jedoch vertikale Fissuren der extrazellulären Matrix bis in die Übergangszone, Verlust der Matrixanfärbbarkeit in die Tiefen 2/3 des Knorpels. Chondrozyten: Zelltod, Regeneration (Clusterbildung), Hypertrophie
4. Erosion
Signifikanter Verlust der Knorpelmatrix mit Delamination der oberflächlichen Schichten, möglicher Zystenbildung in den mittleren Schichten und einer generellen Exkavation des Knorpelgewebes als Folge des Knorpelmatrixverlustes im Bereich der oberflächlichen und mittleren Zone
5. Denudierung
Sklerotischer subchondraler Knochen oder fibrocartilaginäres Reparaturgewebe erscheint auf der vom Knorpel befreiten Oberfläche. Mögliche spontane Mikrofrakturen mit begrenzten spontanen fibrocartilaginären Reparaturarealen
6. Deformation
Makroskopischer Umbau des subchondalen Knochens, mit Mikrofrakuren und fibrocartilaginärer Spontanreparatur sowie Knochenreparaturvorgängen, welche über die originale Knorpeloberfläche in den verloren gegangenen Knorpel hineinragen
Frei im Gelenk zirkulierende abgescherte Knorpelfragmente führen zu einer schmerzhaften Abriebsynovialitis mit Freisetzung weiterer knorpelzerstörender Faktoren aus synovialen Zellen, welche als Circulus vitiosus den Knorpelabbau verstärken. Das abgeriebene Knorpelmaterial gelangt bereits in den Frühstadien in die Gelenkflüssigkeit. Es reizt die sensible Synovialmembran und löst eine Entzündungsreaktion aus. Diese Detritussynovialitis ist durch eine synoviale Zottenbildung mit Gefäßeinsprossungen gekennzeichnet, und es kommt zur intrasynovialen Einlagerung von Knorpelfragmenten mit einer reaktiven resorptiven Reaktion mit Fibrosierung bzw. Hypertrophie. Die Detritussynovialitis greift auch auf die Gelenkkapsel und periartikuläre Muskeln über und kann so zu gelenkspezifischen Bewegungseinschränkungen führen. Eine vermehrte Zytokinproduktion der Synovialmembran kann wiederum die Matrixsynthese der Chondrozyten hemmen und durch ihre vorhandenen Nozizeptoren für die Schmerzsymptomatik mitverantwortlich sein.
Diese strukturellen Veränderungen des gesamten Gelenks werden von komplexen katabolen zellulären, molekularbiologischen und biochemischen Veränderungen im Knorpel und subchondralen Knochen begleitet. Knorpelabbauende Faktoren führen zu einer Veränderung der Genexpression mit Schädigung der zellulären Homöostase. Es kommt zu einer verminderten Produktion physiologischer Matrixkomponenten (Proteoglykane, Typ-II-Kollagen) und zur vermehrten Produktion matrixabbauender Enzyme wie Matrixmetalloproteasen (MMP) oder Adamalysine. Dieses Ungleichgewicht zwischen anabolen und katabolen Stoffwechselvorgängen führt auch zur Veränderung der Chondrozyten. Hierbei stehen die Brutnester von proliferierenden und später apoptotischen oder absterbenden Zellverbänden der Chondrozyten („Cluster“) im Vordergrund (Rolauffs et al. 2011). Parallel findet ein von der Oberfläche zunehmender Verlust der Proteoglykane (und Kollagenfasern) statt, dadurch ist die Wasserbindungskapazität vermindert, und damit die biomechanischen Eigenschaften herabgesetzt.
Der subchondrale Knochen reagiert auf die vermehrten Druckverhältnisse mit zunehmender Mineralisierung und Verengung der intertrabekulären Räume. Im frühen Stadium der Arthrose findet ein erhöhter Knochenumbau mit einhergehendem Knochenverlust statt (Burr und Gallant 2012). Durch Mikrorisse (microcracks) im subchondralen Knochen kommt es zur osteoklastären Resorption sowie zur Aktivierung von sekundären Ossifikationszentren mit osteoblastärer Knochenbildung (Burr und Radin 2003). Im späteren Arthrosestadium ist eine Abnahme des Knochenumbaus mit Verdickung und Sklerosierung der subchondralen Knochenplatte sowie Zunahme des kalzifizierten Knorpels bei gleichzeitiger Abnahme der Knochenmineralisierung und Verlust des Gelenkknorpels zu beobachten (Burr und Gallant 2012). Diese subchondrale Sklerosierung ist ein weiteres wichtiges röntgenologisches Kriterium (Abb. 2). Die erhöhte Dichte des subchondralen Knochens kann negative mechanische Auswirkungen auf die Stoßdämpferfunktion des Knochens haben und so die Schädigung des darüberliegenden Knorpels weiter beschleunigen. Unterhalb der Gelenkfläche kommt es zur Zystenbildung (Geröllzysten). Der Knochen adaptiert sich an die veränderten intraartikulären Druckverhältnisse durch die Bildung von Osteophyten im Übergangsbereich vom Periost zum Gelenkknorpel. Diese Osteophyten vergrößern zwar die Auflagefläche, sie können jedoch, je nach Lokalisation, zu knöchernen Bewegungseinschränkungen führen. Ihre Anwesenheit ist ein wesentliches röntgenologisches Kriterium zur Diagnostik einer Gonarthrose.
Im Kniegelenk kommt es durch diese Prozesse zu einer einseitigen Überlastung des bereits unter normalen Verhältnissen stärker belasteten medialen tibiofemoralen Kompartiments (Haberkamp et al. 2020). Der progrediente Verlust von medialer Knorpelsubstanz und -dicke sowie der Umbau des subchondralen Knochens resultiert in einer konsekutiven medialen Instabilität aufgrund der so zunächst gelockerten Spannung des Innenbands. Es entsteht ein Circulus vitiosus mit arthrosefördernder relativer Instabilität und Überdehnung des lateralen Seitenbandes, welcher den Grad der Achsfehlstellung und damit die mediale Überlastung sukzessive vergrößert.
Die strukturelle Ursache des klinisch wichtigen Arthroseschmerzes kann aufgrund seiner Aneuralität nicht der Knorpelverlust sein. Es kann theoretisch von allen innervierten Geweben des Gelenks verursacht werden (McDougall 2019). Im Vordergrund stehen hierbei die Synovialmembran, die Gelenkkapsel, die intrakapsulären Ligamente, die periartikuläre Muskulatur mit ihren Faszien und Sehnen sowie das umgebende Weichteilgewebe und Periost. Eine wesentliche Rolle spielt ebenfalls der subchondrale Knochen, u. a. durch seine Innervierung und pathologische Knochenmarködeme.
Epidemiologie der Arthrose
Arthrose ist eine Hauptursache für verminderte Lebensqualität und chronische Behinderung (Hunter und Bierma-Zeinstra 2019). Weltweit leiden mehr als 500 Millionen Menschen (~15 % der erwachsenen Weltbevölkerung) an den klinischen Symptomen. Die Gesamtzahl der altersstandardisierten behindertengerechten Lebensjahre (DALY) stieg zwischen 1990 und 2015 aufgrund der alternden Bevölkerung und der Epidemie der Fettleibigkeit, insbesondere in wirtschaftlich stärker entwickelten Ländern (Diseases und Injuries 2020), erheblich um 35 % und attestiert damit ihre wachsende klinische, epidemiologische und gesundheitspolitische Priorität. Arthrose kann ein oder mehrere Gelenke involvieren, am häufigsten ist das Kniegelenk befallen.
Im Kniegelenk finden sich verschiedene Lokalisationen und korrespondierende Häufigkeiten der Arthrose. Während zwischen medialer und lateraler tibiofemoraler und patellofemoraler Arthrose unterschieden wird, bezeichnet eine Pangonarthrose hierbei die Erkrankung aller drei Kompartimente. Eine populationsbasierte Analyse von 819 Patienten (> 50 Jahre) mit Knieschmerzen identifizierte 40 % kombiniert tibiofemorale und patellofemorale Arthrose, 24 % isoliert patellofemorale Arthrose, 4 % isoliert tibiofemorale Arthrose und 32 % Normalbefund (Duncan et al. 2006). Im Rahmen der Framingham-Arthrose-Studie (970 Kniegelenke, Personen zwischen 51–92 Jahren) fanden sich isolierte arthrotische Schäden im Patellofemoralgelenk in 15–20 % und isolierte tibiofemorale Schäden in 8–17 % der Gelenke (Stefanik et al. 2013). Die Multicenter-Osteoarthritis (MOST)-Studie (339 Knie von Personen zwischen 50–79 Jahren zu Studienbeginn mit Gonarthrose oder mit hohem Risiko für Gonarthrose) zeigte, dass 80 % der Knorpelschäden nach 7 Jahren weiterhin nur im ursprünglichen Kompartiment zu finden waren, und nur 20 % der Patienten mit isoliertem vollschichtigen patellofemoralen oder tibiofemoralen Knorpelverlust einen vollschichtigen Knorpelverlust in einem anderen Kompartiment entwickelten (Stefanik et al. 2016). Neuere Analysen im Magnetresonanztomografen (MRT) decken sogar eine räumliche Heterogenität des arthrotischen Knorpelverlusts im involvierten Kompartiment auf (Eckstein et al. 2017).
Risikofaktoren der Arthrose
Das Lebenszeitrisiko für symptomatische Gonarthrose liegt bei fettleibigen Personen (Körpermasseindex; body mass index, BMI > 30 kg/m2) bei ~20 % im Vergleich mit ~11 % bei nicht adipösen Personen (Losina et al. 2013). Vorherige Gelenktraumata, wie z. B. Riss des vorderen Kreuzbands, erhöhen das Risiko und machen ~12 % der Gonarthrosefälle aus (Brown et al. 2006). Die Prävalenz symptomatischer, radiologischer Gonarthrose liegt zwischen 10–19 % bei Frauen und 7–14 % bei Männern (Katz et al. 2021). Im Vergleich zu Männern haben Frauen schwerere radiologische Befunde und Symptome. Hohes Alter und weibliches Geschlecht sind Risikofaktoren für Gonarthrose (Katz et al. 2021). Das Gonarthrose-Risiko steigt mit zunehmendem Alter deutlich an. Gonarthrose ist selten bei Personen unter 30 Jahren, während ein Drittel von Personen, die älter als 75 Jahre sind, symptomatische Gonarthrose haben. Ein westliches Ernährungsmuster (Getreide, Fleischprodukte) ist ebenfalls mit einem erhöhten Risiko für Gonarthrose verbunden, während ein mediterranes Ernährungsmuster hingegen mit einem verringerten Gonarthroserisiko verbunden ist, obwohl diese Assoziationen teilweise durch den BMI vermittelt werden (Xu et al. 2021).
Speziell am Kniegelenk stellen fokale Knorpeldefekte, Meniskusläsionen, Kreuzbandrupturen, Achsabweichungen und auch die patello-femorale Instabilität sehr gut definierte Ursachen sekundärer Arthroseformen dar. Fokale Knorpeldefekte (vgl. „Ätiologie der Gonarthrose“) können, insbesondere bei großflächigen Schäden, ein Ausgangspunkt für die Arthroseentstehung sein. Eine 16-Jahres-Nachuntersuchungsstudie von Patienten mit Osteochondritis dissecans (OD) fand eine erhöhte Arthroserate insbesondere nach initialer Fragmententfernung und ausgebliebener osteochondraler Defektrekonstruktion. Ein BMI > 25 kg/m2, höheres Alter bei Diagnosestellung und die Fragmententfernung waren relevante prädiktive Faktoren für die Arthroseentstehung (Sanders et al. 2017). Die starke Assoziation zwischen Meniskusschaden und unikompartimentaler Gonarthrose ist ebenfalls sicher belegt. 20 bis 30 Jahre nach Meniskektomie haben fast 75 % der Patienten radiologische Zeichen einer tibiofemoralen, 25 % einer patellofemoralen Arthrose (Paradowski et al. 2016). Selbst eine Meniskus-Teilresektion führt mit zunehmendem Volumenverlust des Meniskus zu größeren Kontaktdrücken und veränderter Kniebiomechanik (Feeley und Lau 2018). Zehn Jahre nach arthroskopischer Innen- oder Außenmeniskusteilresektion kommt es in 24 % der Fälle im medialen Kompartiment und in 40 % im lateralen Kompartiment zur Arthrose (Rockborn und Gillquist 1995; Chatain et al. 2003). Diese Ergebnisse betonen die Bedeutung von Meniskusschäden auch bei der Arthroseprogression (Antony et al. 2017).
VKB-Rupturen stellen einerseits durch die primäre Verletzung von Gelenkstrukturen durch das einwirkende Trauma, andererseits durch chronische Schäden aufgrund veränderter Kniekinematik einen weiteren Risikofaktor dar. Der Verlust der antero-posterioren translationalen Stabilität und der Rotationsstabilität verändert das räumliche Muster des tibiofemoralen Kontakts und geht mit einer erhöhten posttraumatischen Gonarthroseinzidenz einher (Nishimori et al. 2008; Sutter et al. 2019). Arthrotische Knorpelschäden nach VKB-Ruptur fanden sich im lateralen Femurkondylus (87 %) und im posterioren lateralen Tibiaplateau (74 %), und sind fast immer (87 %) mit Außenmeniskushinterhornläsionen assoziiert (Nishimori et al. 2008; Stein et al. 2012; Johnson et al. 2017).
Das Patellofemoralgelenk ist häufig von Arthrose betroffen (McAlindon et al. 1996). In 23 % von Patienten älter als 50 Jahre, die an vorderem Knieschmerz litten, fand sich eine isolierte Patellofemoralgelenkarthrose (Duncan et al. 2009). Die Framingham-Arthrosestudie (Personen zwischen 51–92 Jahren) deckte isolierte Patellofemoralgelenk-Schäden in 15–20 % aller Gelenke auf (Duncan et al. 2009). Ursächlich ist hierbei häufig eine multifaktoriell bedingte Instabilität des Streckapparates. Unter dem Terminus patello-femorale Instabilität sind hierbei verschiedene Aspekte wie Trochleadysplasie, Patella alta oder übermäßige laterale Patellakippung und/oder Lateralisierung zusammengefasst. Obwohl auch gesunde, nicht-arthrotische Gelenke ohne patellofemorale Instabilität bereits eine sehr variable patellofemorale Morphologie haben (Hochreiter et al. 2020), treten bei Patienten mit isolierten, nicht arthrotischen fokalen Knorpelläsionen im Patellofemoralgelenk signifikant häufiger auch eine Trochleadysplasie, Patella alta oder übermäßige laterale Patellakippung auf (Mehl et al. 2016; Ambra et al. 2019). Gelenke mit einer abgeflachten lateralen Trochlea haben mehr als eine 2-fache Wahrscheinlichkeit von Knorpelschäden und Knochenmarkläsionen im Vergleich zur steileren lateralen Trochlea (Stefanik et al. 2012), da der muskulär einwirkende seitliche Kraftvektor die Patella nach lateral verschiebt. Kniegelenke (Patienten-Durchschnittsalter 62 Jahre, BMI ~ 30 kg/m2) mit einem hohen Insall-Salvati-Index, der auf eine Patella alta hinweist, weisen mehr strukturelle Arthrosehinweise im Patellofemoralgelenk und ein erhöhtes Risiko für ihre Verschlechterung auf (Stefanik et al. 2010; Madry 2020).
Diagnostik der Arthrose
Klinische Kardinalsymptome der Gonarthrose sind (1) Ruhe- und Bewegungsschmerz, (2) progrediente Bewegungseinschränkung sowie (3) eine zunehmende Deformität. Während anfangs die Beschwerden nur episodenhaft mit beschwerdefreien Intervallen auftreten, nimmt im Verlauf ihre Häufigkeit zu. Bei Phasen der aktivierten Arthrose findet sich zudem ein intraartikulärer Erguss mit Kapselschwellung, Überwärmung sowie einer schmerzbedingten Verminderung des Bewegungsumfanges. Osteophyten bedingen eine deformierte und verplumpte Gelenksilhouette.
Röntgenologische Kriterien der Gonarthrose sind die Verdickung der subchondralen Knochenplatte und subchondrale Sklerose, eine zunehmende Verschmälerung und schließlich Aufhebung des Gelenkspalts, Bildung subchondraler Zysten sowie Osteophyten. Die drei Standardaufnahmen des Kniegelenkes sind: a.p., seitlich, Patella tangential in 45° Kniebeugung. Da ein Streckdefizit den Gelenkspalt im a.p.-Bild „verringert“, und somit Verbesserungen der Streckbarkeit (z. B. aufgrund geringerer Schmerzen) zu einer radiologischen Gelenkspaltvergrößerung führten, die nicht als „Therapieerfolg“ im Sinne einer „Knorpelregeneration“ fehlgedeutet werden dürfen, ist die Belastungsaufnahme bei 45° gebeugtem Kniegelenk [auch als Lyoneser „Schuss“ (franz.; eine direkte Abfahrt auf Skiern entlang einer steilen Piste mit entsprechender Kniebeugung) oder Rosenbergaufnahme (nach T. D. Rosenberg) bezeichnet] zum sicheren Erkennen einer Gelenkspaltverschmälerung essenziell (Merle-Vincent et al. 2007). Zusätzliche Untersuchungen sind die Ganzbeinaufnahme zum Verifizieren der Beinachse sowie die Patella-Défilée-Aufnahmen (in 30°/60°/90° Kniebeugung) zur Darstellung des Femoropatellargelenks. Die röntgenologische Klassifizierung der Arthrose erfolgt weiterhin nach Kellgren und Lawrence (Kellgren und Lawrence 1957). Die Klassifikation erfasst in kategorischen Werten die Kriterien Gelenkspalt, Sklerosierung, Deformation und Osteophytenbildung.
Die MRT besitzt im klinischen Routinealltag weiterhin keinen Stellenwert bei der primären Gonarthrosediagnostik. Sie ist nur in speziellen Fällen (z. B. zur Differenzialdiagnose von Meniskusläsionen) indiziert. Im Rahmen klinischer Studien wird die Knorpeldicke per MRT gemessen (Eckstein et al. 2021).
Prävention der Arthrose
Ziel der Arthroseprävention ist, durch möglichst frühzeitig angewendete nicht operative Verfahren die Progression der Arthrose zu reduzieren und bestenfalls zu stoppen und damit einen eventuell später notwendigen Gelenkersatz zu verzögern. Somit spielt die Prävention insbesonders für die Patientenpopulation, die zu jung für einen endoprothetischen Oberflächenersatz ist, eine entscheidende Rolle. Ziel der konservativen Therapie ist es, durch die Kombination von Lebensstiladaptation, Sportanpassung, Gelenkshomöostase und muskuläre Balance die Mobilität zu erhalten und zu verbessern (Nehrer und Neubauer 2021). Speziell für die sekundären Arthroseformen erscheinen spezielle konservative und operative Präventionsmaßnahmen sinnvoll.
Entsprechend der Risikofaktoren ist vor allem die Reduktion des BMI sinnvoll. Eine Studie an 112 adipösen Probanden (BMI ≥ 30 kg/m2) ergab, dass nach durchschnittlich 2,3 Jahren eine prozentuale Gewichtsveränderung mit einer linearen Veränderung des medialen tibialen Knorpelvolumens verbunden war, die über das gesamte Gewichtsverlustspektrum bis zu leichter Gewichtszunahme hin vorlag. Die prozentuale Gewichtsveränderung war mit einer Veränderung wesentlicher klinischer Parameter wie Schmerz, Steifigkeit und Funktion verbunden. Interessanterweise fanden sich keine Effekte im lateralen oder femoropatellaren Kompartiment. Diese Daten zeigen eindrücklich, dass Gewichtsverlust zu einem verringerten Verlust des medialen Knorpels und verbesserten Symptomen führt, während eine Gewichtszunahme das Gegenteil bewirkt. Somit haben bereits geringe Gewichtsveränderungen bei adipösen Patienten das Potenzial, Struktur und auch Symptome zu modifizieren. Zudem ist nicht nur die Gewichtsabnahme, sondern selbst die Vermeidung einer weiteren Gewichtszunahme klinisch sinnvoll (Teichtahl et al. 2015).
Eine Längsschnittstudie untersuchte im Kontext von Innenmeniskusläsionen die Auswirkungen von Gewichtsveränderung auf den Kniegelenksknorpel und Schmerzen in einer Kohorte von 250 asymptomatischen Erwachsenen. Per MRT wurden in 18 % der Kohorte Innenmeniskusrisse diagnostiziert. Nach 2 Jahren fand sich eine signifikante Assoziation der prozentualen Gewichtsveränderung mit der prozentualen Veränderung des Knorpelvolumens im medialen Tibiaplateau und der Knieschmerzen. Speziell war pro 1 % Gewichtszunahme ein um 0,2 % erhöhter Verlust des medialen Knorpelvolumens und eine ~12 %ige Zunahme der Schmerzen zu verzeichnen. Bei Probanden ohne Innenmeniskusrisse hatte eine Gewichtsveränderung keinen Effekt auf Knorpelvolumina oder Schmerzen. Somit geht Gewichtszunahme mit erhöhtem Knorpelverlust und Schmerzen einher, während Gewichtsverlust mit dem Gegenteil verbunden ist. Diese Daten sind von großer Bedeutung für die Therapie von Patienten mit den klinisch häufigen Innenmeniskusläsionen (Teichtahl et al. 2014).
Die gut abgegrenzten akuten fokalen nicht arthrotischen Knorpeldefekte, wie sie nach einem Trauma auftreten können, müssen formell von den schlecht abgegrenzten chronischen großflächigen arthrotischen Knorpelschäden unterschieden werden, obwohl in der klinischen Realität oftmals chronische fokale, nicht arthrotische Knorpeldefekte bereits periläsionale Arthrosezeichen wie Rissbildung und Oberflächenunebenheiten aufweisen. Bei 1000 Kniearthroskopien fanden sich 28 % fokale nicht arthrotische Knorpeldefekte, während arthrotische Knorpelschäden bei 44 % der Fälle auftraten (Hjelle et al. 2002). Obwohl der spontane Verlauf eines unbehandelten Knorpeldefekts schwer vorherzusagen ist, kann die Läsionsgröße sowohl bei symptomatischen (Davies-Tuck et al. 2008) als auch bei asymptomatischen Patienten (Cicuttini et al. 2005) zunehmen und eine Osteoarthrose induzieren (Guermazi et al. 2017; Sanders et al. 2017). Experimentelle Daten im Schafmodell belegen, dass Knorpeldefekte am medialen Femurkondylus auch degenerative Veränderungen des periläsionalen und gleichseitigen tibialen Gelenkknorpels induzieren (Schinhan et al. 2012). Somit zielt die Therapie symptomatischer umschriebener nicht arthrotischer Knorpeldefekte zwar immer primär auf die Defektauffüllung mit einem funktionellen Reparaturgewebe ab, sie soll jedoch immer auch die Entstehung einer perifokalen und kompartimentalen Arthrose verhindern (Jungmann et al. 2019).
Defektbeurteilung und Klassifikation von Knorpeldefekten
Definitionsgemäß sind chondrale Defekte auf den Gelenkknorpel beschränkt. Aufgrund ihrer Tiefenausdehnung werden sie als teilschichtige oder vollschichtige Defekte klassifiziert. Osteochondrale Defekte hingegen erstrecken sich auf den subchondralen Knochen und kompromittieren somit die gesamte osteochondrale Funktionseinheit (Abb. 3).
Abb. 3
Einteilung der Knorpeldefekte. Chondrale Defekte sind auf den Gelenkknorpel beschränkt und können als teilschichtige oder vollschichtige Defekte klassifiziert werden. Osteochondrale Defekte überschreiten die Zementlinie und erstrecken sich auch auf den subchondralen Knochen
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Die Defektbeurteilung und Klassifikation von Knorpeldefekten ist primär für die Therapie symptomatischer fokaler Knorpeldefekte relevant (Madry 2004). Sie hat im klinischen Alltag nur einen sehr eingeschränkten Wert bei der Arthrosediagnostik und -therapie. Die Darstellung von Knorpeldefekten findet präoperativ durch das MRT (oder Arthro-CT) statt. Die definitive Klassifikation geschieht intraoperativ makroskopisch, zumeist während des diagnostischen Teils der Kniearthroskopie. Die Defektfläche und -tiefe sind die wesentlichen Parameter für die Entscheidungsfindung zur Therapie symptomatischer Knorpeldefekte. Die Tiefe des Knorpeldefekts wird kategorisch abgestuft (vollschichtig oder teilschichtig). Die Fläche des Knorpeldefekts wird initial im MRT und anschließend intraoperativ gemessen und in kontinuierlichen Daten (cm2) ausgedrückt. Das System der International Cartilage Regeneration & Joint Preservation Society (ICRS) (Brittberg und Winalski 2003), welches auf der arthroskopischen Klassifikation von Noyes und Stabler aufbaut (Noyes und Stabler 1989), bewertet die Tiefe der Läsion (Abb. 4). Das traditionelle kategorische Outerbridge-System ist hierbei von reduziertem Wert, da es weniger präzise Informationen zur horizontalen Defektausdehnung (Kategorien: weniger oder mehr als 1,5 cm Durchmesser) erlaubt. Die genaue Angabe der Defektfläche ist eine essenzielle Grundlage zur Therapiefindung (Niemeyer et al. 2016).
Die Osteoarthritis Research Society International (OARSI) definiert den Grad einer Arthrose als ihre Tiefenausdehnung in den Knorpel. Der Arthrosegrad ist ein Gradmesser der Schwere bzw. der biologischen Progression des Arthroseprozesses, unter den Voraussetzungen, dass die zunehmende Involvierung tieferer Knorpelstrukturen eine fortgeschrittene Erkrankung anzeigt. Zusätzlich kann das horizontale Ausmaß der Knorpeldestruktion [unabhängig vom Grad (grade)] bestimmt werden (stage) (Pritzker et al. 2006). Die OARSI-Klassifikation wird oft für experimentelle Fragestellungen und selten in der klinischen Knorpel- und Arthrosetherapie verwendet.
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