Basic cell metabolism of articular cartilage Manometric studies

Journal/Book: Zeitschrift für Rheumatologie Band 50 (1991); Heft 5; S. 304 - 312. 1991;

Abstract: Prof. Dr. med. Paul Otte Clinic for Orthopedic Surgery University of Mainz Mainz FRG Zusammenfassung: Der Basisstoffwechsel dient der Energiegewinnung durch anaerobe oder aerobe Metabolisierung von Glucose. Vom Gelenkknorpel werden Substrat und Sauerstoff der Synovia entnommen. Die dort herrschenden Konzentrationen vermindern sich bis zu der basalen Schicht an der Knochenknorpelgrenze. Die Gradienten werden von der Zelldichte und vom Verbrauch durch die Zellen bestimmt. Der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks (PO2) stellt die Bedingungen für den Pasteur-Effekt dar der aber noch nicht eindeutig beobachtet werden konnte. Nach metabolischen Reaktionen der Chondrozyten auf den Glucose-Gradienten wurde bisher nicht gesucht. Sie sind Gegenstand der vorliegenden Studie. Am Gelenkknorpel von Schweinen wurde manometrisch (Warburg Technik) der Sauerstoffverbrauch (QO2) ohne und mit Glucose in Konzentrationen von 1 25 bis 10 0 mM gemessen. Zwischen dem QO2 und der Glucose-Konzentration bzw. dem Glucoseverbrauch ergab sich ein enger Zusammenhang im Sinne einer Glucose-induzierten Atemsuppression (Crabtree-Effekt). Der Glucose-Verbrauch stieg nicht proportional der Konzentration an und erreichte als Höchstmaß 15 7 µmol/gTG/h. Die maximale Lactat-Produktion von 20 bis 23 µmol/gTG/h wurde schon bei 5 mM Glucose erreicht und stieg bei höheren Substratkonzentrationen praktisch nicht mehr an. Dieses stöchiometrische "Lactatdefizit" besagt daß die aufgenommene aber nicht glycolysierte Glucose in Synthese- und Speichervorgänge eingeleitet wird. Lactat wurde bei Glucose-freier Inkubation trotz aerober Bedingungen von den Chondrocyten nur bei unphysiologisch hohen Konzentrationen über 10 mM als exogenes Substrat aufgenommen. KCN reduzierte den QO2 nur um 80%-90% als Zeichen für die Aktivität nicht-mitochondrialer Oxidasen. Unter Monojodacetat ging die Atmung innerhalb der vierstündigen substratfreien Inkubation drastisch zurück. Die Ergebnisse lassen den Schluß zu daß unter physiologischen Bedingungen der Glucose-Spiegel der Synovia den Sauerstoff-Verbrauch in der gut versorgten oberen Schicht des Gelenkknorpels drosselt und damit in der basalen Zone die oxidative Kompensation der abebbenden Glycolyse ermöglicht. Der hier erstmals an Chondrocyten nachgewiesene Crabtree-Effekt scheint demnach die Rolle eines essentiellen Regelmechanismus für den Energiestoffwechsel des Knorpels zu spielen. Summary: Basic metabolism generates energy by the anaerobic or aerobic metabolization of glucose. The articular cartilage obtains the substrate and oxygen from the synovial fluid. Their concentrations within the cartilage diminish with increasing proximity to the basal layer at the bone-cartilage boundary The gradients depend upon the cell density and the consumption by the cells. The gradient of the partial oxygen pressure (PO2) could provide the conditions for the Pasteur effect which however has not yet been clearly observed. Metabolic reactions of chondrocytes to positive or negative glucose gradient have not hitherto been examined and are the object of the present study. The oxygen consumption (QO2) in the articular cartilage of pig femoral heads was measured manometrically (Warburg technique) in the absence of glucose and in its presence in concentrations of 1.25 to 10.0 mM. There was a close correlation between the QO2 and the concentration and consumption of glucose having the nature of a glucose-induced respiratory suppression (Crabtree effect). The consumption of glucose which did not rise in proportion to its concentration did not exceed 15.7 µmol/gdw/h. The maximum lactate production of 20 to 23 µmol/gdw/h was attained at 5 mM glucose and showed no further increase at higher substrate concentrations. This stoichiometric "lactate deficiency" means that the absorbed but not glycolyzed glucose is channeled into synthesizing and storage processes. In glucose-free incubation despite aerobic conditions lactate was utilized by the chondrocytes only at unphysiologically high concentrations > 10 mM. Postassium cyanide reduced the QO2 by only 80-90% as a sign of the activity of non-mitochondrial oxidases. With monoiodoacetate (MIA) respiration fell dramatically during the 4 h of substrate-free incubation. It can be concluded from the results that under physiological conditions the glucose level in the synovia reduces the consumption of oxygen in the well-glucose-supplied upper layer of the articular cartilage thus allowing an oxidative compensation of the diminishing glycolysis in the basal zone. The Crabtree effect which is demonstrated for the first time in chondrocytes thus seems to have the role of an essential regulatory mechanism in the basic metabolism of the cartilage. Key words: Articular cartilage; glycolysis; oxygen consumption; Crabtree effect ab

Keyword(s): Gelenkknorpel Glycolyse Sauerstoffverbrauch Crabtree-Effekt

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