Determination of the in vivo loads of the sheep spineIs the sheep a suitable model to study new treatment strategies for the intervertebral disc?
Final Report Abstract
Das Ziel des DFG-Projekts war es, detaillierte Erkenntnisse über die in vivo wirkenden Belastungen in der zervikalen und lumbalen Bandscheibe zu gewinnen. Zur näheren Charakterisierung des Schafes als In-vivo-Modell für wissenschaftliche Fragestellungen im Bereich der Bandscheibenforschung wurden die biomechanischen Messdaten der untersuchten Segmente während unterschiedlicher Aktivitäten analysiert. Diese Daten werden zukünftig in eine Datenbank der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt, die es ermöglicht, die Eignung des Schafes als Modell für den Menschen zu bewerten und weitere Forschungsvorhaben an der Bandscheibe des Schafes genauer abwägen zu können. Es konnte gezeigt werden, dass der Bandscheibendruck beim Schaf höher ist als beim Menschen. Niedrigste Drücke wurden intraoperativ, höchste Druckwerte für Losrennen oder Aufstehen gemessen. Für präklinische Studien ist es essentiell, das möglichst genaue Ausmaß der zu erwartenden Belastung zu kennen, der ein Implantat - gleich welcher Form - in vivo ausgesetzt ist. Unterbelastungen von Implantaten im Rahmen der präklinischen Erprobung beispielsweise könnten zu weitreichenden Konsequenzen bezüglich der Risikobewertung der Therapiestrategie am Patienten führen, während durch Überbelastungen gegebenenfalls neue Behandlungsstrategien verworfen werden, die innovativ und als Therapieansatz erfolgversprechend sein könnten. Ferner ist es essentiell die Belastungen zu kennen, um eine möglichst physiologische In-vitro- Testung zu gewährleisten. Aus diesem Grund war es das Ziel, physiologische Lastprotokolle aus den In-vivo-Ergebnissen abzuleiten. Der Vergleich zwischen den In-vivo- und In-vitro-Ergebnissen zeigte allerdings bemerkenswerte Diskrepanzen im viskoelastischen Verhalten der Bandscheibe zwischen beiden Modellansätzen. Während in vivo der intradiskale Druck in Ruhephasen kontinuierlich anstieg, blieb der Druck in vitro unter Entlastung aufgrund eines verminderten Fluideinstroms in die Bandscheibe konstant. Diese Unterschiede können deutliche Auswirkungen auf die Biomechanik der Bandscheibe sowie auf die Lebensfähigkeit der Zellen und den Transport von Antibiotika / Nährstoffen in in vitro Organkultur-Systemen haben. Es bleibt daher ein weiteres Ziel, die Ursachen der Diskrepanz zwischen In-vivo- und In-vitro-Ergebnissen besser zu verstehen. Die Kenntnis solcher realitätsnahen Bedingungen ist für ein breites Anwendungsspektrum in der Bandscheibenbiomechanik erforderlich. So können beispielsweise zukünftig bessere Ernährungsbedingungen für Bandscheibenzellen geschaffen oder verschiedene regenerative Strategien im Tissue-Engineering evaluiert werden. Die Untersuchungen geben zudem Aufschluss über die bestgeeignete Spezies, deren Bandscheiben das In-vivo-Verhalten der humanen Bandscheibe bestmöglich repräsentiert.
Publications
-
(2014) Activities of Everyday Life with High Spinal Loads. PLoS ONE 9(5): e98510
Rohlmann A, Pohl D, Bender A, Graichen F, Dymke J, Schmidt H, Bergmann G
-
Estimation of loads on human lumbar spine: A review of in vivo and computational model studies. Journal of Biomechanics 49(2016)833–845
Dreischarf M, Shirazi-Adl A, Arjmand N, Rohlmann A, Schmidt H
-
Fluid-flow dependent response of intervertebral discs under cyclic loading: On the role of specimen preparation and preconditioning. Journal of Biomechanics 49(2016)846–856
Schmidt H, Schilling C, Puente Reyna AL, Shirazi-Adl A, Dreischarf M
-
Preload substantially influences the intervertebral disc stiffness in loading–unloading cycles of compression. Journal of Biomechanics 49(2016)1926–1932
Schmidt H, Shirazi-Adl A, Schilling C, Dreischarf M
-
Review of the fluid flow within intervertebral discs-How could in vitro measurements replicate in vivo? Journal of Biomechanics 49(2016)3133–3146
Schmidt H, Reitmaier S, Graichen F, Shirazi-Adl A
-
Separate the Sheep from the Goats - Use and Limitations of Large Animal Models in Intervertebral Disc Research. J Bone Joint Surg Am. 2017 Oct 4;99(19):e102
Reitmaier S, Graichen F, Shirazi-Adl A, Schmidt H
