Osteochondrale Defektheilung - Mechanobiologische und molekularbiologische Mechanismen der Regeneration
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Osteochondrale Defekte heilen ab einer kritischen Größe nicht mehr spontan aus. Um eine Heilung dieser "kritischen" osteochondralen Defekten zu ermöglichen, ist eine Rekonstruktion des subchondralen Knochens notwendig. Annahme war, dass die Elastizität der Defektfüllung die Regeneration des Knochens und des Knorpels beeinflusst. In einem Großtiermodell wurde bei 48 weiblichen Merino-Mix Schafen ein kritischer osteochondraler Defekt in die Femorkonydle gesetzt. Aus der kontralateralen Kondyle wurde ein weiterer Zylinder entnommen, der als Spendermaterial diente. Der dadurch entstandene Defekt blieb unversorgt und diente als Kontrolle. Für die Rekonstruktion des subchondralen Knochens wurden verschiedene Füllmaterialien verwendet. Als "physiologische und steife" Rekonstruktion wurde ein autologer osteochondraler Transfer (OATS) durchgeführt, als "weiche und limitierte" Rekonstruktion wurden autologe Spongiosacluster verwendet. B iod eg radierbare Scaffolds mit einem Elastizitätmodul von 87% und einem Elastizitätmodul von 55% im Vergleich zum ovinen subchondralen Knochen wurden in zwei weiteren Gruppen eingesetzt. Der transplantierte Knorpel wies nach drei Monaten eine signifikant geringere Steifigkeit im Vergleich zum gesunden Knorpel auf. Nach sechs Monaten hatten sich die mechanischen Eigenschaften des hyalinen Knorpels regeneriert. In den Defektrandbereichen wies der Knorpel jedoch Degenerationsanzeichen auf. Der subchondrale Knochen zeigte eine Sklerotisierung, die auch histomorphometrisch durch eine signifikant erhöhte Knochendichte (mineralisierter Kochen/ Knochenfläche) bestätigt wurde. Die Defektversorgung mit den Spongiosaclusterfüllung brachte ein schlechteres Heilungsergebnis hervor, sogar im Vergleich zu den unbehandelten Kontrollen. Ursache hierfür war ein inflammatorisches Geschehen, welches entweder durch die Spongiosacluster selbst oder die Kollagenmembran verursacht wurde. Die beiden verwendeten Scaffolds zeigten aufgrund ihrer ungleichen Steifigkeit und Porosität ein unterschiedliches Degradationsverhalten, wobei der "weichere" Scaffold nach drei Monaten wesentlich stärker degradiert war. Gelenknah wurden die Defekte knöchern überbrückt, das faserknorpelige Gewebe über den partiell geschlossenen Defekten wies nach drei Monaten unter Verwendung des steiferen Scaffolds ein tendenziell höheres Elastizitätmodul im Vergleich zum weicheren Scaffold auf. Nach sechs Monaten war hinsichtlich der biomechanischen Eigenschaften des Knorpel regenerates kein Unterschied feststellen. Trotz deutlicher Unterschiede in der Heilung des subchondralen Knochens konnten keine wesentlichen Effekte auf die Regeneration des Knorpels gezeigt werden. Die mechanischen Eigenschaften des faserknorpeligen Reparaturgewebes lagen in allen Gruppen unter denen des nativen hyalinen Knorpels oder denjenigen des transplantierte n hyalinen Knorpels.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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02- 6. Oktober 2006: Deutsche Gesellschaft für Unfallchirurgie (DGU), Orthopädie- Unfallchirurgie in Berlin. Verzögerte Regeneration nach Versorgung osteochondraler Defekte mit autologer Spongiosa und Typ l-ll Kollage n me m bra n im Schafsknie Schell H., Kleemann R., Duda G., Weiler A. Degradation von Poly(D,L)Lactid/Glycolid Scaffolds nach Versorgung osteochondraler Defekte im Knie Kleemann R, Schell H, Duda G.
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19.- 22. Oktober 2005: Deutsche Gesellschaft für Unfallchirurgie (DGU), Orthopädie- Unfallchirurgie in Berlin. Steifigkeitsreduktion im Knorpel nach osteochondralen Autografts. Kleemann R., Schell H., Böse C., Ostermann A., Duda G., Weiler A.
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19.-22, März.2006: 52th Orthopaedic Research Society (ORS) Meeting in Chicago, Illinois Relevance of subchondral bone for osteochondral defect healing Kleemann, R U; Schell, H; Thompson, M; Duda, G N; Weiler, A
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2-5 März 2008: 54 th Orthopaedic Research Society Meeting in San Francisco, California Influence of scaffold stiffness on subchondral bone and cartilage regeneration in an ovine model of osteochondral defect healing. Schlichting K, Epari E, Schell H, Kleemann R, Weiler A., Duda G..
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29 - 2. Oktober 2007: Internationa) Cartilage Repair Society (ICRS) in Warschau. The influence of scaffold stiffness on subchondral bone and cartilage regeneration in an ovine model of osteochondral defect healing. Schlichting K, Epari E, Schell H, Kleemann R, Weiler A., Duda G.
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30. Sep.-1. Oktober 2005: 22. Kongress der Deutschsprachigen Arbeitsgemeinschaft für ArthrosKopie (AGA) in Frankfurt Steifigkeitsreduktion im Knorpel nach osteochondralen Autografts. Kleemann R., Schell H., Böse C., Ostermann A., Duda G., Weiler A.
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6-9- Juli 2008: 16th Congress of European Society of Biomechanics in Lucerne, Schweiz. Influence of scaffold stiffness on subchondral bone and cartilage regeneration in an ovine model of osteochondral defect healing. Schlichting K, Epari E, Schell H, Kleemann R, Weiler A., Duda G.
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8.-11. Januar 2006: International Cartilage Repair Society (ICRS) in San Diego Incomplete regeneration of osteochondral defects after crushed bone cluster treatment Kleemann, R.; Schell, H.; Thompson, M.; Duda, G.N.
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Duda GN, Kleemann RU, Bluecher U, Weiler A. A new device to detect early cartilage degeneration. Am J Sports Med. 2004 32(3}:693-8.
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Kleemann RU, Krocker D, Cedraro A, Tuischer J.Duda GN. Altered cartilage mechanics and histology in knee osteoarthritis: relation to clinical assessment (ICRS Grade). Osteoarthritis Cartilage. 2005 13: 958-63.
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Kleemann RU, Schell H, Thompson M, Epari DR, Duda GN, Weiler A. Mechanical behavior of articular cartilage after osteochondral autograft transfer in an ovine model Am J Sports Med. 2007 35(4):555-63.
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Schell H, Lienau J, Kleemann RU, Schlichting K, Taylor WR, Weiler A.Duda GN. Crushed bone grafts and a collagen membrane are not suitable for enhancing cartilage quality in the regeneration of osteochondral defects-An in vivo study in sheep. J Biomech. 2007 40:64-72.
