Biomechanische Auswirkungen der chirurgischen Muskelschädigung auf die Wirbelsäulenstabilität und die Beanspruchung der Nachbarsegmente nach einer lumbalen Wirbelsäulenfusion

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Joachim Wilke
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558083832

Die beschleunigte Degeneration der Anschlusssegmente nach einer operativen Fusion, auch bekannt als Adjacent Segment Degeneration (ASD), ist eine der häufigsten postoperativen Komplikationen in der Wirbelsäulenchirurgie. In vielen Fällen ist eine zusätzliche Operation nötig, um die Folgen einer ASD zu behandeln. Zudem stellen die Entstehungsmechanismen der ASD ein noch ungelöstes Problem in der Wirbelsäulenforschung dar. Während diverse Ursachen diskutiert werden, ist die gängigste Hypothese, dass eine segmentale Versteifung zu erhöhten Bewegungen und Belastungen in den benachbarten Segmenten führt, wenn der Patient sich post-operativ im selben Ausmaß bewegt wie vor der Operation. Ungeklärt ist bisher jedoch, welche Rolle die durch den operativen Eingriff verletzte Muskulatur für die Entwicklung der ASD spielt. Um Strategien zur Prävention der ASD entwickeln zu können, werden deshalb biomechanische Modelle benötigt, die die komplexe Belastung der einzelnen Segmente durch Muskelkräfte und Körpergewicht adäquat berücksichtigen. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist daher, Einflüsse der gesunden und geschädigten Rückenmuskulatur auf die Stabilität der Lendenwirbelsäule und die Relevanz der Muskulatur für die ASD klinisch, experimentell und numerisch zu untersuchen. Hierfür werden klinische MRT-Aufnahmen von ASD-Patienten hinsichtlich ihrer Muskelintegrität mit Hilfe von künstlicher Intelligenz analysiert und dabei mit einer Kontrollgruppe von Freiwilligen ohne vorherigen Wirbelsäulenoperationen verglichen. Darüber hinaus werden In-vitro-Studien an humanen Spenderpräparaten durchgeführt, um den Einfluss von Muskelkräften und den Einfluss von fusionierenden und bewegungserhaltenden Implantaten auf die Stabilität und Kinematik der Wirbelsäule zu untersuchen. Dabei werden die Erkenntnisse aus der klinischen Datenanalyse zur Muskelintegrität experimentell simuliert, um den Einfluss des operativ verursachten Muskeltraumas biomechanisch zu untersuchen. Zudem werden die In-vitro-Studien genutzt, um Präparate-spezifische Finite-Elemente-Modelle zu erstellen und deren biomechanische Eigenschaften zu validieren. Durch die numerische Replikation der In-vitro-Studien ist es möglich, die Spannungen und Dehnungen in den Wirbelsäulenstrukturen detailliert analysieren zu können und Rückschlüsse auf mögliche Überbelastungen ziehen zu können. Die für die In-vitro- und In-silico-Studien notwendigen Muskelkräfte werden im Rahmen einer Kollaboration mit der University of British Columbia anhand von muskuloskelettalen Mehrkörpermodellen berechnet, um physiologische Belastungen der Wirbelsäule zu garantieren. Durch den multimodalen Ansatz dieses Forschungsprojekts sollen die Entstehungsmechanismen der ASD genauer verstanden und biomechanische Grundlagen für die Prävention von ASD geschaffen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen