The Role of Muscles in Knee Joint Osteoarthritis

Abstract

Recent advances have fostered our understanding on the mechanisms related to osteoarthritis onset and progression, shifting from a paradigm based on a “wear and tear”, to mechanisms involving biomechanical, metabolic and inflammatory components. When reviewing all risk factors for knee osteoarthritis, one might reach the conclusion that muscle function is a common denominator. Besides the ability to produce force, and the interplay between strength and joint health, muscles are major controllers of body metabolism and might perform a central role in preventing joint damage resulting from systemic factors. In this manuscript, we discuss the potential role of muscles on three pre-clinical models of knee osteoarthritis that deal with modifiable risk factors: i) a post-traumatic knee osteoarthritis model, ii) a muscle weakness/imbalance induced osteoarthritis model, and iii) an obesity/metabolic disease associated model. The results obtained from these animal models provide evidence that muscle weakness (induced experimentally or associated with trauma) and imbalance is a risk factor for the onset and progression of knee osteoarthritis. Similarly, diet induced obesity (high fat and sucrose diet- HFS) is associated with muscle atrophy relative to body mass, fat infiltration, fibrosis, and local inflammation in the quadriceps muscles of rats that precedes knee joint degeneration, all of which may be preventable with an oligofructose-based fibre diet supplementing a HFS diet, and/or aerobic exercise. To date, the possible interplay between muscle and joint health in post-traumatic, muscle weakness and obesity models of knee joint osteoarthritis remains elusive but the strong associations between muscle and joint degeneration suggests an intricate relationship that may contain crucial information for rehabilitation programs for people at risk of knee joint osteoarthritis. Jüngste Forschungsergebnisse haben in unserem Verständnis von Mechanismen, die in Verbindung mit dem Beginn und dem Fortschreiten von Arthrose stehen, einen Paradigmenwechsel weg vom Verschleiß und hin zu biomechanischen, metabolischen und entzündlichen Mechanismen vollzogen. Die Gesamtschau auf alle Risikofaktoren für Kniearthrose legt die Schlussfolgerung nahe, dass ein gemeinsamer Nenner in der Muskelfunktion liegt. Neben ihrer Fähigkeit, Kraft zu erzeugen und dem Zusammenspiel von Stärke und Gelenkgesundheit sind Muskeln in erster Linie für die Metabolismuskontrolle verantwortlich und könnten eine zentrale Rolle bei der Vermeidung von Gelenkschädigungen aufgrund systemischer Faktoren spielen. In der vorliegenden Arbeit diskutieren wir die potentielle Rolle der Muskulatur anhand von drei vorklinischen Kniearthrose-Modellen mit veränderbaren Risikofaktoren: i) ein Modell für post-traumatische Kniearthrose, ii) ein Modell für durch Muskelschwäche / Schiefstand verursachte Arthrose und iii) ein Modell mit Bezug zu Adipositas und metabolischem Syndrom. Die anhand dieser Tiermodelle gewonnenen Ergebnisse belegen, dass Muskelschwäche (experimentell induziert oder trauma-assoziiert) und Schiefstand Risikofaktoren für den Beginn und das Fortschreiten von Kniearthrose darstellen. Gleichermaßen steht ernährungsinduzierte Fettleibigkeit (fett- und zuckerreiche Ernährung) in Verbindung mit einem Rückgang von Muskulatur bezogen auf die Körpermasse sowie zu Fetteinlagerungen, Fibrose und lokaler Entzündung der Quadrizeps-Muskulatur bei Ratten, die die Vorstufe zur Kniegelenkdegeneration darstellt. All diesen Risikofaktoren könnte durch eine ballaststoffreiche, Oligofructose-basierte Ernährung ergänzend zur fett- und zuckerreichen Ernährung und/oder durch Aerobic-Sport vorgebeugt werden. Modelle für post-traumatische bzw. aus Muskelschwäche oder Fettleibigkeit resultierende Kniegelenksarthrose liefern bis zum jetzigen Zeitpunkt nur vage Aussagen zum möglichen Zusammenspiel von Muskulatur und Gelenkgesundheit. Allerdings weist die enge Verknüpfung von Muskel- und Gelenkdegeneration auf ein komplexes Zusammenwirken hin, das sich in Bezug auf die Gestaltung von Rehabilitationsmaßnahmen für Menschen mit einem Risiko für Kniegelenksarthrose als als bedeutsam erweisen könnte.