Die Arthrose ist die häufigste Gelenkerkrankung und führt zu Schmerzen und Bewegungseinschränkung bei den betroffenen Patienten. Die mangelhafte Selbstheilungskapazität des bradytrophen Knorpelgewebes nach (osteo-) chondralen Defekten als präarthrotische Deformität führte zur Entwicklung zahlreicher Behandlungsstrategien in den letzten Jahrzehnten mit vor allem langfristig nicht befriedigenden Ergebnissen. Neueste Ansätze der autologen Chondrozytentransplantation als klinisches Anwendungsgebiet des Tissue Engineering erfordern nach Knorpelbiopsie eine expansive in vitro Kultivierung isolierter Chondrozyten, die wie die meisten diploiden Zellen nach einer gewissen Anzahl von Zellteilungen ihre Proliferation einstellen und in das Stadium der zellulären Senszenz eintreten. Seneszente Zellen unterscheiden sich in zahlreichen Charakteristika von terminal differenzierten Zellen und sind unter anderem in der Pathogenese altersassoziierter Krankheiten involviert. Oxidativer Stress beeinflusst die Seneszenzentwicklung und die Effekte auf an hypoxische Umgebungsbedingungen adaptierte Chondrozyten sind weitestgehend unbekannt.
Die vorliegende Arbeit untersuchte die Effekte von akut subletaler und chronisch niedrig dosierter Wasserstoffperoxidexposition auf arthrotische Chondrozyten in Bezug auf Proliferationsverhalten, Morphologie, ß-Galaktosidaseexpression, Telomerlänge und Expression Telomer-assoziierter Gene, sowie Regulatoren des Zellzyklus und DNA-Reparaturgene.
Die chronische Applikation von 10 µM H2O2 hatte keinen Einfluss auf Proliferationsverhalten, Morphologie oder ß-Galaktosidaseexpression im Vergleich zur Kontrollgruppe. In beiden Gruppen zeigte sich mit zunehmender Kultivierungsdauer eine gleichförmige Entwicklung Seneszenz-assozierter Veränderungen: reduziertes Proliferationspotential, vergrößerte, plumpe Zellmorphologie und Zunahme der ß-Galaktosidaseexpression. Akut subletaler oxidativer Stress induzierte Zellzyklusarrest, seneszenz-assozierte morphologische Veränderungen und ß-Galaktosidaseexpression. Subletale und chronische Applikation beschleunigten den Telomerverlust, wobei dieser nach akut subletaler Schädigung erst nach einer Latenz von 4 Wochen detektierbar war. Die Effekte von akut subletaler oxidativer Schädigung bezüglich des Proliferationsverhalten und der Telomerbiologie waren in Zellen später Passagen ausgeprägter als in jungen Chondrozyten.
Akut oxidative Schädigung der Chondrozyten führte zu einem Anstieg der p21 Expression auf ein mit seneszenten Zellen vergleichbares Niveau. TRF2 als Bestandteil des Shelterin-Komplexes schützt die Telomerenden und zeigte eine erhöhte Expression als Zeichen der Zellantwort auf den oxidativen Stress. SIRT1 und XRCC5 ermöglicht Zellen, widrige Umgebungsbedingungen zu bewältigen und den Eintritt in die Seneszenz oder Apoptose zu verhindern. Deren Expression war nach akut oxidativer Schädigung ebenfalls erhöht, wobei der Anstieg in Zellen später Passagen reduziert war. Zusammenfassend beschleunigte oxidativer Stress den Telomerverlust humaner Chondrozyten und deren Seneszenzentwicklung, wobei Zellen später Passagen eine verringerte Toleranz gegenüber oxidativem Stress konstatiert werden muss.

Osteoarthritis is the most frequent joint disease and affected patients suffer from severe pain and loss of function. The limited self-healing capabilities of cartilage after (osteo)chondral lesions led to an increasing number of different treatment strategies over the past decades to stop or slow down the onset and progress of osteoarthritis, but the results - especially in the long term - are still not satisfying. Autologous chondrocyte transplantation as one of the latest and most promising cell based therapy approaches requires an expansive in vitro cultivation of isolated chondrocytes to gain a sufficient number of cells for reimplantation. However, chondrocytes only have a limited replicative life span and stop dividing after a certain number of doublings - a state termed cellular senescence. Senescent cells differ from quiescent or terminally differentiated cells in several ways and play a role in the pathogenesis of age-related disease like osteoarthritis. Chondrocytes are adapted to a low ambient oxygen level as cartilage is an avascular tissue. Oxidative stress influences the onset of cellular senescence and the effects of oxidative stress on chondrocytes are still unknown.
The aim of this work was to investigate into the proliferation potential, cytological features and the telomere linked stress response system of human osteoarthritic chondrocytes, subjected to acute or prolonged oxidant challenge with hydrogen peroxide.
Chronic low dose oxidative treatment (10 µM H2O2) had no significant effects on cell proliferation, morphology or ß-galactosidase expression. Chondrocytes from both chronic oxidative stress group and control group showed similar senescence-associated changes during cultivation: reduced proliferative potential, enlarged and flattened cell bodies and increased ß-galactosidase expression. Acute insult of sublethal doses of oxidative stress (75-100 µM H2O2) induced cell cycle arrest, senescence-associated morphological features and increased ß-galactosidase expression. Sub-lethal and prolonged low doses of oxidative stress considerably accelerated telomere attrition. The telomere attrition after sub-lethal doses was only detectable 4 weeks after the insult. The effects of sublethal oxidative stress regarding proliferation and telomere biology were more distinct in senescent cells.
Acute oxidant insult caused upregulation of p21 expression to levels comparable to senescent cells. TRF2 protects telomere ends and showed elevated expression levels. SIRT1 and XRCC5 enable cells to cope with unfavorable growing conditions and prevent senescence or apoptosis. Both were up-regulated after oxidant insult, but expression levels decreased in aging cells. Taken together, oxidative stress considerably accelerated telomere shortening and cellular aging in chondrocytes. Senescent cells showed a reduced tolerance to oxidative stress.