Laboratoriumdiagnose van artrose

In de meeste gevallen vertonen patiënten met artrose geen veranderingen in bloed- en urineonderzoek, met uitzondering van gevallen van synovitis met significante effusie, waarbij een verhoogde bezinkingssnelheid (ESR), hypergammaglobulinemie en een verhoging van de waarden van acutefase-indicatoren - CRP, fibrinogeen, enz. kunnen optreden. Bij onderzoek van synoviaal vocht worden geen significante verschillen met normale indicatoren gevonden.

De afgelopen jaren is er intensief gezocht naar mogelijke biologische markers (BM) voor de afbraak en het herstel van gewrichtsweefsel (voornamelijk kraakbeen en bot). BM zou deze dynamische veranderingen moeten weerspiegelen, dienen als voorspellers van de prognose van artrose en als markers voor de effectiviteit van pathogene behandelingen. De ontdekking van nieuwe en meer diepgaande studies naar bekende biologische markers zal een beter begrip van de mechanismen van de pathogenese van artrose mogelijk maken. De belangrijkste taak van het gebruik van biologische markers voor het kraakbeenmetabolisme is echter het beoordelen van de chondroprotectieve eigenschappen van geneesmiddelen en het monitoren van de behandeling met geneesmiddelen die behoren tot de DMO AD-groep - "ziektemodificerende" geneesmiddelen.

Bij artrose treden pathologische veranderingen voornamelijk op in het gewrichtskraakbeen, evenals in het subchondrale bot, het synoviaal membraan en andere zachte weefsels van het gewricht. Omdat onze mogelijkheden om deze structuren direct te onderzoeken beperkt zijn, zijn bloed, urine en synoviaalvocht de belangrijkste bronnen voor het verzamelen van biologische markers.

Urineonderzoek verdient de voorkeur, omdat het geen invasieve procedures met zich meebrengt. Naar onze mening is dagelijkse urine het ideale testmateriaal. Analyse van de ochtendurine zou geschikter zijn, maar de mogelijkheid om dit te gebruiken is alleen gebaseerd op het feit dat dit type analyse wordt gebruikt om biologische markers van botmetabolisme bij osteoporose te bepalen: het is bekend dat biologische markers onderhevig zijn aan circadiane ritmes, en de piekconcentratie van biologische markers van botmetabolisme vindt 's nachts plaats. Momenteel is er geen informatie in de literatuur over de circadiane ritmes van biologische markers van zacht weefsel en kraakbeen, dus de uiteindelijke beslissing over de keuze van een geschikte urinetest zal worden genomen na het uitvoeren van de juiste studies.

Bloedonderzoek is een routinematig klinisch onderzoek. Sommige biologische markers worden al in het bloed bepaald, zoals acutefase-indices, terwijl andere in de nabije toekomst mogelijk worden opgenomen in de standaardlijst van biochemische tests. Voor elke biologische marker is het noodzakelijk om te specificeren in welke component van het bloed deze moet worden bepaald: plasma of serum. Onderzoeksresultaten wijzen uit dat de concentratie van biologische markers in bloedplasma aanzienlijk verschilt van die in serum. Biologische markers worden meestal bepaald in bloedserum. Volgens V. Rayan et al. (1998) verschillen de concentraties van biologische markers in bloed afgenomen uit een ader nabij het aangetaste gewricht en uit een verder weg gelegen ader. Deze gegevens wijzen op de noodzaak om bloedafname te standaardiseren voor het bestuderen van biologische markers.

Volgens LJ Attencia et al. (1989) maakt het kraakbeen van de synoviale gewrichten van een volwassene slechts 10% uit van de totale massa hyalien kraakbeen in het lichaam, inclusief tussenwervelschijven. De bepaling van biologische markers in bloed en urine weerspiegelt dus het systemische metabolisme in plaats van lokale veranderingen in het door artrose aangetaste gewricht. Synoviaalvocht ligt het dichtst bij de pathologische focus bij artrose en weerspiegelt waarschijnlijk het nauwkeurigst de processen die zich in het aangetaste gewricht voordoen. De concentratie biologische markers in het synoviaalvocht kan aanzienlijk hoger zijn dan in het bloed, wat betekent dat deze gemakkelijker te bepalen is. Voorbeelden zijn epitoop 846 van aggrecan - in synoviaalvocht is dit 40 keer hoger dan in bloedserum, en oligomere matrixeiwitten van het kraakbeen (COMP) - 10 keer hoger dan in bloedserum. Afbraakproducten in synoviaalvocht weerspiegelen katabole processen in gewrichtskraakbeen nauwkeuriger. Afvoer van moleculen uit de synoviale vloeistof via het lokale lymfestelsel kan leiden tot een afname van hun omvang en zelfs tot hun vernietiging.

Ondanks de invasiviteit van de techniek voor het verzamelen van synoviaalvocht, die gepaard gaat met een aantal mogelijke complicaties, is de waarde van het bepalen van biologische markers hierin duidelijk. Om problemen met het zogenaamde droge gewricht te voorkomen, kan 20 ml isotone NaCl-oplossing direct vóór de vloeistofafname in het gewricht worden geïnjecteerd. Direct na injectie met de isotone oplossing dient de patiënt het been in het gewricht 10 keer te buigen en te strekken, gevolgd door snelle aspiratie van het verdunde synoviaalvocht. Volgens EM-JA Thonar (2000) beïnvloedt een dergelijke verdunning van het synovium de stofwisseling in het gewrichtskraakbeen. De resultaten van de studie van FC Robion et al. (2001) geven echter aan dat herhaald spoelen van de kniegewrichten bij paarden geen significante veranderingen in het kraakbeenmetabolisme veroorzaakt. Deze gegevens behoeven zeker bevestiging. Daarom moet voor elke biologische marker het effect van gewrichtsspoeling op veranderingen in de concentratie ervan worden bepaald in de fase van preklinische studies bij dieren.

Het volgende belangrijke punt is het bepalen van de halfwaardetijd in synoviaalvocht en bloed voor elke biologische marker. Zonder dergelijke gegevens zal de interpretatie van de testresultaten moeilijk zijn. De halfwaardetijd van biologisch actieve stoffen in bloed is doorgaans korter dan in andere vloeibare media vanwege de effectieve klaring door de lever en de nieren. Daarom is het voor elke biologische marker ook noodzakelijk om de eliminatieroute te bepalen. Zo wordt het N-propeptide van collageen type III door de lever uitgescheiden via receptor-gemedieerde endocytose, en worden niet-geglycosyleerde collageenfragmenten voornamelijk via de urine uitgescheiden, evenals osteocalcine. Er bevinden zich receptoren voor glycosaminoglycanen op de endotheelcellen van de sinussen van de leverlobben, dus hyaluronzuur en proteoglycanen worden door de lever geëlimineerd. De halfwaardetijd van hyaluronzuur in het bloed is 2-5 minuten. De aanwezigheid van synovitis kan de verwijdering van biologische markers uit gewrichten versnellen, hoewel een onderzoek bij konijnen geen significante verschillen vond in de verwijdering van proteoglycanen met of zonder synovitis. Het effect van ontsteking op veranderingen in de concentratie van biologische markers in lichaamsvloeistoffen moet daarom verder worden onderzocht.

De nieren filteren selectief biologische markers. Hierdoor kunnen glycosaminoglycanen, die een sterke negatieve lading hebben, de basale membraan van de nier niet binnendringen, terwijl glycosaminoglycanen zoals chondroïtine-6-sulfaat en chondroïtine-4-sulfaat wel in de urine worden aangetroffen.

Naast de pathologie (met name artrose) kunnen een aantal factoren de concentratie van biologische markers in de lichaamsvloeistoffen beïnvloeden:

1. Circadiaanse ritmes zijn slechts voor een klein aantal biologische markers onderzocht. Ze zijn wel onderzocht voor markers van botmetabolisme. Zo treedt de piekconcentratie van osteocalcine 's nachts op, en die van collageencrosslinks 's ochtends – om 8 uur. Bij reumatoïde artritis treedt de piekactiviteit van IL-6 ook 's nachts op (rond 2 uur), en eerder dan die van osteocalcine. Deze gegevens zijn van belang met betrekking tot de rol van IL-6 bij ontstekingen en de fysiologie van botweefsel. TNF-α daarentegen heeft geen circadiaans ritme. De receptoren van dit cytokine kunnen er echter wel aan wennen.
2. Peristaltiek. Hyaluronzuur wordt aangemaakt door synoviale cellen (en vele andere cellen) en is een potentiële marker voor synovitis bij artrose en reumatoïde artritis. De hoogste concentratie hyaluronaat wordt echter aangetroffen in het lymfestelsel van de darmen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de concentratie circulerend hyaluronzuur na het eten kan toenemen. Daarom moet bloedafname voor het bepalen van biologische markers op een lege maag of 3 uur na het eten worden afgenomen. Het effect van peristaltiek op de concentratie biologische markers in het bloed moet verder worden onderzocht.
3. Lichamelijke activiteit in de ochtend na het slapen leidt tot een verhoging van de concentratie hyaluronzuur in het bloed, MMP-3 en het epitoop van keratansulfaat bij gezonde personen. Lichamelijke activiteit kan de concentratie van sommige markers in zowel synoviaalvocht als bloedserum veranderen. Een dergelijke stijging is sterker bij patiënten met reumatoïde artritis. Bovendien correleert de concentratie van biologische markers met de klinische toestand van deze patiënten.
4. Lever- en nierziekten. Levercirrose veroorzaakt een significante stijging van de serumhyaluronzuurspiegel en beïnvloedt waarschijnlijk de eliminatie van proteoglycanen. Van nierziekten is bekend dat ze de osteocalcineconcentratie beïnvloeden. Ook dit onderwerp vereist meer diepgaand onderzoek.
5. Leeftijd en geslacht. Tijdens de groei neemt de activiteit van groeischijfcellen toe, wat gepaard gaat met een toename van de concentratie van skeletale biologische markers in het bloedserum. Een voorbeeld is de toename van de concentratie van aggrecanfragmenten en type II collageen in het perifere bloed en de urine van groeiende dieren. De interpretatie van biologische markeranalyses bij kinderen en adolescenten met musculoskeletale aandoeningen is daarom moeilijk. Voor veel biologische markers werd een concentratietoename gevonden met het ouder worden. Bij mannen is de concentratie van biologische markers aanzienlijk hoger dan bij vrouwen in kraakbeen- en botweefsel. Bovendien kunnen bij vrouwen in de menopauze en postmenopauze veranderingen in de concentratie van biologische markers van het kraakbeenmetabolisme worden verwacht, vergelijkbaar met wat wordt waargenomen in botweefsel.
6. Chirurgische ingrepen kunnen ook de waarden van biologische markers beïnvloeden. Deze effecten kunnen enkele weken aanhouden.

Het concept van biologische markers voor artrose is gebaseerd op de aanname dat ze bepaalde aspecten van metabolische processen in gewrichtsweefsels weerspiegelen. De relatie tussen de concentraties van biologische markers in lichaamsvloeistoffen en de stofwisseling van kraakbeen, synoviaal weefsel en andere weefsels is echter zeer complex gebleken.

Zo kan de concentratie van markers voor afbraak van ECM van het gewrichtskraakbeen in synoviaalvocht niet alleen afhangen van de mate van afbraak van de matrix zelf, maar ook van andere factoren, zoals de mate van verwijdering van moleculaire fragmenten uit het synovium, die hierboven al werd genoemd, en van de hoeveelheid kraakbeenweefsel die in het gewricht achterblijft.

Ondanks bovenstaande feiten correleert de concentratie van biologische markers in synoviaalvocht over het algemeen met het metabolisme van ECM-moleculen in gewrichtskraakbeen. Veranderingen in de concentratie van aggrecanfragmenten, epitoop 846, COMB en C-propeptide van collageen II in synoviaalvocht na gewrichtsletsel en tijdens de ontwikkeling van artrose komen bijvoorbeeld overeen met veranderingen in de intensiteit van het metabolisme van aggrecan, COMB en collageen II in experimentele modellen van artrose bij dieren/en in vivo en in gewrichtskraakbeen van patiënten met artrose/en in vitro.

Het identificeren van specifieke bronnen van moleculaire fragmenten is een complex proces. Een verhoogde afgifte van moleculaire fragmenten kan zowel optreden als gevolg van een algemene toename van afbraakprocessen die niet gecompenseerd worden door synthetische processen, als door een verhoogde afbraak met een gelijktijdige toename van de synthese-intensiteit van dezelfde ECM-moleculen; in het laatste geval verandert de concentratie ECM-moleculen niet. Het is daarom noodzakelijk om te zoeken naar markers die specifiek zijn voor afbraak en synthese. Een voorbeeld van het eerste zijn fragmenten van aggrecan, en het laatste is het C-propeptide van collageen 11.

Zelfs als een biologische marker geassocieerd is met een specifiek aspect van het metabolisme, is het noodzakelijk rekening te houden met de specifieke kenmerken van dit proces. De geïdentificeerde fragmenten kunnen bijvoorbeeld gevormd worden als gevolg van de afbraak van een de novo gesynthetiseerd molecuul dat nog niet geïntegreerd is in de functionele ECM, een molecuul dat net geïntegreerd is in de ECM, en ten slotte een permanent ECM-molecuul dat een belangrijk functioneel onderdeel vormt van de mature matrix. Een ander probleem is de definitie van de specifieke matrixzone (pericellulaire, territoriale en interterritoriale matrix) die diende als bron van biologische markers die werden gedetecteerd in synoviaalvocht, bloed of urine. In-vitrostudies geven aan dat de intensiteit van het metabolisme in individuele zones van de ECM van het gewrichtskraakbeen kan verschillen. De studie van bepaalde epitopen die geassocieerd zijn met chondroïtinesulfaatsulfatering kan helpen bij het identificeren van de populatie van de novo gesynthetiseerde aggrecanmoleculen.

Aangenomen kan worden dat de aanwezigheid van fragmenten van moleculen die normaal gesproken aanwezig zijn in de kraakbeen-ECM in de synoviale vloeistof verband houdt met het metabolisme van de kraakbeenmatrix. Dit is echter niet altijd het geval, omdat dit afhangt van een aantal factoren, met name van de mate waarin de concentratie van een bepaald molecuul in het gewrichtskraakbeen die in andere gewrichtsweefsels overschrijdt en de mate waarin de intensiteit van het metabolisme ervan in het kraakbeen die in andere gewrichtsweefsels overschrijdt. Zo is de totale massa van aggrecan in het gewrichtskraakbeen aanzienlijk groter dan bijvoorbeeld die in de meniscus van het kniegewricht, terwijl de totale massa van COMB in de meniscus praktisch niet verschilt van die in het gewrichtskraakbeen. Zowel chondrocyten als synovocyten produceren stromelysine-1, maar het totale aantal cellen in het synoviale membraan overschrijdt dat in het kraakbeen, waardoor een aanzienlijk deel van de stromelysine-1 in de synoviale vloeistof hoogstwaarschijnlijk van synoviale oorsprong is. Daarom is het uiterst moeilijk en vaak onmogelijk om de specifieke bron van biologische markers te identificeren.

Bij het bestuderen van biologische markers in bloedserum en urine rijst het probleem van het bepalen van de mogelijke extra-articulaire bron. Bovendien kunnen bij monoarticulaire schade biologische markers die door het aangetaste gewricht worden afgescheiden, zich vermengen met markers die door intacte gewrichten worden afgescheiden, inclusief contralaterale gewrichten. Gewrichtskraakbeen maakt minder dan 10% uit van de totale massa hyalien kraakbeen in het lichaam. De bepaling van biologische markers in bloed en urine kan daarom eerder gerechtvaardigd zijn bij polyarticulaire of systemische aandoeningen (in relatie tot artrose - bij gegeneraliseerde artrose).

De eisen voor biologische markers zijn afhankelijk van of ze worden gebruikt als diagnostische, prognostische of evaluerende test. Een diagnostische test bepaalt bijvoorbeeld de verschillen tussen gezonde personen en patiënten met artrose, wat wordt uitgedrukt in termen van sensitiviteit en specificiteit van de test. Een prognostische test identificeert personen in een cohort die de ziekte waarschijnlijk snel zullen ontwikkelen. Ten slotte is een evaluerende test gebaseerd op het vermogen van de marker om veranderingen in de loop van de tijd bij een individuele patiënt te monitoren. Daarnaast kunnen biologische markers worden gebruikt om de gevoeligheid van patiënten voor een bepaald geneesmiddel te bepalen.

Aanvankelijk werd aangenomen dat biologische markers konden dienen als diagnostische tests die zouden helpen bij het onderscheiden van een gewricht met artrose van een intact gewricht, en ook differentiële diagnostiek met andere gewrichtsaandoeningen. Het bepalen van de concentratie keratansulfaat in het bloedserum werd daarom beschouwd als een diagnostische test voor gegeneraliseerde artrose. Latere studies toonden echter aan dat deze biologische marker slechts in bepaalde situaties de afbraak van kraakbeenproteoglycanen kan weergeven. De concentraties biologische markers in het bloedserum bleken afhankelijk te zijn van de leeftijd en het geslacht van de onderzochte persoon.

Mogelijke biologische markers van het gewrichtsweefselmetabolisme in synoviaalvocht en bloedserum van patiënten met artrose

Biologische marker	Proces	In synoviaal vocht (links)	In bloedserum (links)
1. Kraakbeen
Aggrecan
Kernproteïnefragmenten	Aggrecan-degradatie	Lohmander LS. et al., 1989; 1993	Thonar EJMA et al., 1985; Campion GV et al., 1989; MehrabanF. et al., 1991; Spector TD et al., 1992; Lohmander LS., Thonar EJ-MA, 1994; Poole AR et al., 1994) (Poole AR et al., 1994)
Kernproteïne-epitopen (splitsingszone-specifieke neo-epitopen)	Aggrecan-degradatie	Sandy JD et al., 1992; LomanderLS. et al., 1993; LeeuwerikM.W. et al., 1997
Epitopen van keratonische sulfaten	Aggrecan-degradatie	Campion GV et al., 1989; Belcher C et al., 1997
Epitopen van chondroïtinesulfaten (846, ЗВЗ, 7D4 en DR.)	Synthese/afbraak van aggrecaan	Poole AR et al., 1994; HazellP.K. et al., 1995; Slater RR Jr. et al., 1995; Plaas AHK et al., 1997; 1998; Lohmander LS. et al., 1998
De verhouding van chondroïtine-6 en chondroïtine-4 sulfaten	Synthese/afbraak van aggrecaan	Shinme iM. et al. 1993
Kleine proteoglycanen	Afbraak van kleine proteoglycanen	Witsch-Prehm P. et al., 1992
Matrixeiwitten van kraakbeen
HOMP	Afbraak van HOMP	Saxne T., Heinegerd D., 1992"; LohmanderLS. et al., 1994; Petersson IF et al., 1997	Sharif M. et al., 1995
Kraakbeencollageen
C-propeptide van type II collageen	Collageen II-synthese	ShinmeiM. et al., 1993; Yoshihara Y. et al., 1995; LomanderLS. et al., 1996
Fragmenten van de alfa-keten van collageen type II	Afbraak van collageen II	Hollander AP et al., 1994; Billinghurst RC et al., 1997; AtleyLM. et al., 1998
MMP's en hun remmers	Synthese en secretie	Van synovium of gewrichtskraakbeen?
II. Menisci
HOMP	Afbraak van HOMP	Van gewrichtskraakbeen, menisci of synovium?
Kleine proteoglycanen	Afbraak van kleine proteoglycanen
III. Synoviaal membraan
Hyaluronzuur	Synthese van hyaluronzuur		Goldberg RL et al., 1991; Hedin P.-J. et al., 1991; Sharif M. et al., 1995
MMP's en hun remmers
Stromelysine (MMP-3)	MMP-3-synthese en -secretie	LohmanerLS et al., 1993	ZuckerS. et al., 1994; Yoshihara Y. et al., 1995
Interstitiële collageenase (MMP-1)	MMP-1-synthese en -secretie	Clark IM et al., 1993; Lohmander LS. et al., 1993	Manicourt DH et al., 1994
TIMP	Synthese en secretie van TIMP	Lohmander LS. et al., 1993; Manicourt DH et al., 1994	Yoshihara Y. et al., 1995
N-propeptide van type III collageen	Synthese/afbraak van collageen III	Sharif M. et al., 1996	Sharif M. et al., 1996

Een aantal studies heeft verschillen aangetoond in de concentraties van aggrecanfragmenten, HOMP en MMP en hun remmers in de gewrichtsvloeistof van de kniegewrichten van gezonde vrijwilligers, patiënten met reumatoïde artritis, reactieve artritis of osteoartrose. Hoewel de auteurs significante verschillen aantonen in de gemiddelde concentraties van biologische markers, is de interpretatie van de gegevens lastig, aangezien de vergelijkende analyse zowel profiel- als retrospectief was. De prognostische eigenschappen van deze testen moeten in prospectieve studies worden bevestigd.

Biologische markers kunnen worden gebruikt om de ernst van de ziekte of de stadia van het pathologische proces te beoordelen. Bij artrose worden de ernst van de ziekte en de stadia ervan beoordeeld aan de hand van de resultaten van röntgenonderzoek en artroscopie, evenals de ernst van het pijnsyndroom, de functiebeperking van de aangetaste gewrichten en het functionele vermogen van de patiënt. L. Dahlberg et al. (1992) en T. Saxne en D. Heinegard (1992) stelden voor om enkele moleculaire markers van het gewrichtskraakbeenmetabolisme te gebruiken voor aanvullende karakterisering van de stadia van artrose. Verder onderzoek in deze richting is echter noodzakelijk om dergelijke biologische markers in de medische praktijk te introduceren.

Er zijn rapporten over het mogelijke gebruik van biologische markers als prognostische tests. Zo werd bijvoorbeeld aangetoond dat de concentratie hyaluronzuur (maar niet keratansulfaat) in het serum van patiënten met knieartrose aan het begin van de studie wijst op progressie van gonartrose gedurende 5 jaar observatie. In dezelfde patiëntenpopulatie werd aangetoond dat een verhoogd COMB-gehalte in het serum van patiënten met gonartrose gedurende het eerste jaar na aanvang van de studie geassocieerd was met radiografische progressie gedurende 5 jaar observatie. Studies naar biologische markers bij patiënten met reumatoïde artritis hebben aangetoond dat de concentratie van COMB, epitoop 846, chondroïtinesulfaat in het serum geassocieerd is met een snellere ziekteprogressie. Deze resultaten, verkregen bij kleine groepen patiënten, tonen vaak niet de sterkte van het verband aan tussen het niveau van biologische markers en ziekteprogressie; d.w.z. verdere studies, prospectief en met grotere cohorten patiënten, zijn nodig.

TD Spector et al. (1997) vonden een lichte stijging van serum-CRP bij patiënten met beginnende artrose en rapporteerden dat CRP een voorspeller kan zijn van progressie van artrose. In dit geval weerspiegelt de stijging van CRP de processen van gewrichtsweefselschade en kan deze geassocieerd zijn met een toename van hyaluronzuur, wat ook wijst op ziekteprogressie. Het is mogelijk dat het synoviale membraan verantwoordelijk is voor het grootste deel van het hyaluronzuur dat in het serum wordt aangetroffen, wat wijst op de aanwezigheid van milde synovitis. Verhoogde concentraties stromelysine MMP in synoviaalvocht en serum van patiënten met artrose en na een gewrichtsblessure kunnen ook geassocieerd zijn met milde synovitis.

Ten slotte kunnen biologische markers worden gebruikt als werkzaamheidscriteria in klinische studies met geneesmiddelen, en ook voor het monitoren van pathogene behandelingen. Er zijn echter twee onderling samenhangende problemen: het gebrek aan geneesmiddelen met bewezen "structuurmodificerende" of "ziektemodificerende" eigenschappen is grotendeels te wijten aan het ontbreken van betrouwbare biologische markers, en omgekeerd, het gebrek aan specifieke markers voor het gewrichtsweefselmetabolisme is grotendeels te wijten aan het gebrek aan gecontroleerde studies naar geneesmiddelen in deze groepen.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ]