Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Analysis of the pathogenesis and progression of osteoarthritis in canine stifle joints considering three bone healing markers

Diekmann, Hanna Ursula

Osteoarthritis (OA) still is a worldwide problem in both human and veterinary medicine. Although there are numerous therapeutic strategies to reduce OA progression and its symptoms, no healing approach is available. Furthermore, it is not clear why, how and where exactly OA emerges. Comparing fracture healing in a bone to the progression of OA, several similarities become obvious: both processes begin with inflammation, involve bone remodeling and end with a stability or immobilization that is caused by new bone tissue. Therefore, it seems possible that both processes are accompanied by the same biochemical reactions.   The aim of this study was to measure the bone healing markers sRANKL, chordin and osteocalcin in serum and synovial fluid of dogs with different stages of OA to find out more about the initiation of OA. All three markers have been found in fracture healing but they all accomplish different tasks. Additionally, a radiographic OA scoring system for dog stifles was established: following a human example, a 5-stage scoring system was elaborated, including a description of diagnostic points as well as exemplary images from mediolateral and craniocaudal point of view. Besides, clinical data of the study population were correlated to OA progression.   For these purposes, 75 canine stifles from surgery patients and 12 stifles from deceased dogs were involved. Some of the dogs were sampled twice as both stifles were affected. If possible, both synovial fluid and serum were taken from surgery patients; from deceased patients, synovial fluid was taken from both stifles. An extraction of serum was not possible.   Concentrations of sRANKL, chordin and osteocalcin were measured by using enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA).Serum concentrations of sRANKL, chordin and osteocalcin concentrations showed no relevant differences regarding the grade of OA or clinical parameters, only sRANKL and chordin were significantly higher in hybrids than in purebred dogs.   By contrast, concentrations of sRANKL and osteocalcin in synovial fluid displayed a significant increase from OA grade 0 to grade 2. In case of osteocalcin this increase continued to grade 3, although it was not significant. sRANKL decreased noticeably from OA grade 2 to 3. Both markers showed a trend of higher concentrations with a longer duration of lameness. All three markers had a tendency of higher concentrations in dogs of less weight; nevertheless, this was only significant with chordin. Lastly, all three markers were significantly higher in synovial fluid of hybrids than in purebred dogs.   The comparison of OA evaluation via radiograph and the intraarticular view during surgery revealed a slightly higher sensitivity of the elaborated radiographic scoring system. As expected, the grade of OA rose with a longer duration of lameness after injury, but most involved patients were of middle age and weight. Breeds examined in this study were mainly muscular dogs like Bulldogs and Mastiffs as well as hunting and sporting breeds. Even some toy breeds were represented. No sighthounds appeared.   The results of this study demonstrate that mainly dogs of medium age and weight suffer from stifle trauma and related osteoarthritis; the breed, the build and the level of activity seem to be of importance.   Detected higher concentrations of sRANKL and osteocalcin in synovial fluid of advanced osteoarthritis indicate that those markers play a role in osteoarthritis development. These results may represent another step towards combatting osteoarthritis. For this purpose, further research needs to focus on the inhibition of those markers.

Arthrose stellt weltweit sowohl in der Humanmedizin als auch in der Tiermedizin immer noch ein großes Problem dar. Es gibt viele therapeutische Ansätze, um den Krankheitsverlauf und die Symptome zu mildern, aber eine Heilung ist nicht möglich. Zudem ist noch nicht vollständig erforscht, warum, wie und wo eine Arthrose entsteht. Vergleicht man eine Frakturheilung im Knochen mit dem Verlauf einer Arthrose so finden sich viele Parallelen: Beide Prozesse beginnen mit einer Entzündung, gehen mit Knochenumbau einher und schließlich sorgt Knochengewebe für eine Stabilisierung bzw. Unbeweglichkeit. Daher wäre es möglich, dass beide Prozesse von den gleichen biochemischen Reaktionen begleitet sind.   Ziel dieser Studie war es, die Biomarker RANKL, Chordin und Osteocalcin in Serum und Synovia von Hunden mit unterschiedlichen Arthrosegraden zu untersuchen, um mehr über die Arthroseentstehung herauszufinden. Alle drei Marker wurden während der Frakturheilung nachgewiesen, erfüllen dort aber unterschiedliche Aufgaben. Zudem sollte für die Arthrosebewertung ein röntgenologischer Arthrosescore entwickelt werden, der spezifisch für Hundeknie ist: dafür wurde, angelehnt an ein Beispiel aus der Humanmedizin, ein System mit 5 Kategorien erstellt. Dieses beinhaltet sowohl eine Beschreibung der diagnostischen Punkte als auch exemplarische Bilder aus mediolateraler und craniocaudaler Sicht. Ferner sollten in dieser Studie klinische Daten der Hunde mit dem Arthroseverlauf korreliert werden.   In diese Studie wurden Kniegelenke von 75 caninen Patienten, die sich einer Knieoperation unterschiedlicher Ätiologie unterzogen, und von 12 verstorbenen Hunden einbezogen. Einige Hunde wurden doppelt beprobt, da beide Knie betroffen waren. Wenn möglich, wurde den Operationspatienten Serum und Synovia entnommen, während von den verstorbenen Hunden möglichst beide Knie beprobt wurden. Eine Serumentnahme war hier nicht möglich.   Die Konzentrationen von sRANKL, Chordin und Osteocalcin im Serum und der Synovia wurden mittels Enzyme Linked Immunosorbant Assay (ELISA) bestimmt. Die Ergebnisse der Serumkonzentrationen von RANKL, Chordin und Osteocalcin zeigten keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich Arthrosegrad oder klinischen Parametern, lediglich konnten signifikant höhere Konzentrationen von sRANKL und Chordin in Mischlingen als in reinrassigen Hunden festgestellt werden.   Die Konzentrationen in der Synovia hingegen zeigten bei sRANKL und Osteocalcin einen signifikanten Anstieg vom Arthrosegrad 0 zu Grad 2, der sich bei Osteocalcin ohne Signifikanz fortsetzte, wohingegen bei sRANKL die Konzentrationen in Grad 3 wieder deutlich sanken. Bei beiden Markern war zudem ein tendenzieller Anstieg der Konzentrationen mit längerer Lahmheitsdauer zu sehen. Alle 3 Marker zeigten eine Tendenz zu höheren Konzentrationen bei Hunden mit geringerem Körpergewicht, dieses war jedoch nur bei Chordin signifikant. Ebenfalls waren alle drei Marker signifikant höher in Mischlingen.   Der Vergleich der Arthrosebewertung auf Röntgenbildern und während der Operation zeigte eine leicht höhere Sensitivität für die röntgenologische Beurteilung nach dem eigens erstellten Scoring System. Wie zu erwarten war, stieg der Arthrosegrad mit zunehmender Dauer der Lahmheit nach dem Knietrauma an, jedoch waren hauptsächlich Hunde mittleren Alters und mittleren Gewichts von einer Operation betroffen. Vorkommende Rassen beinhalteten hauptsächlich stämmige Hunde wie Bulldoggen und Doggen, aber auch viele Sport- und Jagdhunde waren vertreten wie auch einige Toy-Rassen, Windhunde hingegen kamen nicht vor.   Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass in erster Linie Hunde mittleren Alters und Gewichts an Knietrauma und damit verbundenen Arthrosen leiden, wobei Rasse, Körperbau und Aktivität eine Rolle zu spielen scheinen.   Die nachgewiesenen höheren synovialen Konzentrationen von sRANKL und Osteocalcin während der Arthroseentwicklung deuten auf eine Beteiligung dieser Marker beim Krankheitsverlauf hin. Diese Ergebnisse könnten einen weiteren Schritt in der Bekämpfung der Arthrose bedeuten, indem die zukünftige Forschung sich auf die Inhibition dieser Marker konzentriert.

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Diekmann, Hanna Ursula: Analysis of the pathogenesis and progression of osteoarthritis in canine stifle joints considering three bone healing markers. Hannover 2018. Tierärztliche Hochschule.

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