Forschung

Der Einsatz von Cerclagen in der Therapie von Patellafrakturen – Eine biomechanische Untersuchung

Dr. med. Adrian Deichsel
Universitätsklinikum Münster
Klinik für Unfall-, Hand-, und Wiederherstellungschirurgie

Abstract:

Einführung: 
Frakturen des distalen Patellapols, sowie mehrfragmentäre Patellafrakturen stellen eine herausfordernde Entität von Frakturen dar, welche trotz Weiterentwicklungen in den osteosynthetischen Techniken weiterhin häufig kein optimales Outcome besitzen. Zusätzlich zu winkelstabilen Plattensystemen könnten Cerclagen, entweder als McLaughlin-Cerclage, oder Äquatorialcerclage, zusätzliche Stabilität der Osteosynthese bewirken.

Ziel:
Das Ziel dieser Studie ist es den Effekt von Cerclagen auf die biomechanische Primärstabilität von Patellafrakturen, welche mit winkelstabilen Plattensystemen versorgt wurden, zu untersuchen.

Methoden:
In einem dynamischen humanen Modell der Osteosynthese von Patellafrakturen wird die Verwendung von Cerclagen, additiv zur einer winkelstabilen Platte, auf ihren Einfluss auf die Stabilität der Osteosynthese, unter zyklischer Belastung, untersucht. Die Studie besteht aus zwei Studienarmen. Im ersten Studienarm wird die Verwendung der McLaughlin-Cerclage bei Frakturen des distalen Pols der Patella untersucht. Im zweiten Studienarm wird die Verwendung einer Äquatorialcerclage bei mehrfragmentären Patellafrakturen untersucht. Jeweils die Hälfte der Studienpräparate des jeweiligen Studienarmes werden, zusätzlich zur Osteosynthese mittels winkelstabiler Platte, mit additiver Cerclage versorgt. Die Belastung der Körperspender-Kniegelenke erfolgt mit einer servohydraulischen Prüfmaschine, welche über einen Zug an der Quadrizepssehne eine zyklische Beugung und Streckung des Kniegelenks von 10 bis 400 N für 3000 Zyklen durchführt. Ein kommerzielles optisches 3D-Messsystem (ARAMIS, GOM GmbH) wird verwendet, um die Distraktion der einzelnen Patellafragmente voneinander zu visualisieren und zu quantifizieren. Die Distraktion über die zyklische Belastung wird mittels t-test / Mann-Whitney Test zwischen Osteosynthesen mit und ohne additive Cerclage verglichen.

Hypothesen:
Es wird vermutet, dass der Einsatz von sowohl McLaughlin-, als auch Äquatorialcerclagen zu einer signifikanten Verringerung der Distraktion des Frakturspaltes von osteosynthetisch versorgten Patellafrakturen unter zyklischer Belastung führen und damit ein wichtiges Zusatzinstrument in der Versorgung dieser Frakturen darstellen.

BREEZE – Biomarker für verletzungsassoziierte Pneumoien

Dr. med. Marcel Niemann
Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie (CMSC)
Charité – Universitätsmedizin Berlin

Knapp die Hälfte der Patient*innen, die aus großer Höhe stürzen, als Fußgänger*innen in Verkehrsunfälle involviert sind oder als PKW-Insassen bei Unfällen verletzt werden, erleidet schwere Thoraxverletzungen.¹ Hierbei stellen insbesondere instabile knöcherne Thoraxverletzungen (eng.: flail chest) hohe Herausforderungen für die Behandelnden dar, da sie mit einem erhöhten Schmerzniveau, längerem Krankenhausaufenthalt, prolongierter invasiver Beatmungszeit und hohen Komplikationsraten assoziiert sind.²

Die verletzungsassoziierte, nosokomiale Pneumonie gilt als eine der wesentlichen Komplikationen einer instabilen Thoraxverletzung. Bisher gibt es keinen klinischen Routinemarker zur Prädiktion oder zum Monitoring einer verletzungsassoziierten, nosokomialen Pneumonie. Das endothelial cell specific molecule 1 (ESM1, Endocan) wurde als potentieller Biomarker für die Entstehung einer nosokomialen Pneumonie beschrieben. Dabei scheint ESM1 nicht nur mit dem Schweregrad der Pneumonie zu korrelieren,³ sondern bei Schwerstverletzten prädiktiv für das Auftreten eines Acute Respiratory Distress Syndroms (ARDS) zu sein.⁴

Aufgrund inhomogener chirurgischer Strategien und kaum vergleichbarer Kollektive ist die bisherige Datenlage hinsichtlich der Indikation zur frühzeitigen Osteosynthese von Segmentverletzungen der Rippen inkonklusiv. Auch eine retrospektive Studie aus unserem Zentrum zeigte ein annähernd gleiches Outcome zwischen operativ und konservativ Behandelten.⁵ Es muss jedoch angemerkt werden, dass die Indikation zur Osteosynthese in unserem Zentrum bislang als letzte Therapieoption gestellt wird. Indikationen hierfür können bspw. ein prolongiertes Weaning, ein rezidivierendes Scheitern der Extubation oder eine mechanische Atemerschöpfung der Patient*innen sein.

Auf Basis dieser Beobachtungen postulieren wir, dass Patient*innen von einer frühzeitigen osteosynthetischen Versorgung von Segmentverletzungen der Rippen profitieren können. Darüber hinaus soll ESM1 als Marker zur Prädiktion des Auftretens verletzungsassoziierter Pneumonien bei Segmentverletzungen der Rippen untersucht werden.

Hierzu planen wir eine prospektive, randomisierte, monozentrische Studie. Patient*innen mit Segmentverletzungen der Rippen, die innerhalb von 72 Stunden nach Unfallereignis operativ versorgt sowie im Anschluss nach aktuellen klinikinternen Standards stationär weiterbehandelt werden, sollen mit einer konservativen Kontrollgruppe verglichen werden. Alle Patient*innen werden im Rahmen der klinikinternen Standards im stationären Verlauf klinisch und paraklinisch beobachtet. Dies schließt neben routinemäßig erhobenen Vitalparametern, Röntgenbildern und ärztlichen Verlaufsdokumentationen Routinelaborkontrollen (u. a. C-reaktives Protein, Procalcitonin, Leukozytenzahl) und Blutgasanalysen mit ein. Zur Analyse der Immunzellzusammensetzung im peripheren Blut werden wir eine standardisierte Multiparameter-Durchflusszytometrie (Navios, Beckman Coulter) und validierte 10-Farben-Duraclone™-Panels verwenden, die an unserem Institut in Zusammenarbeit mit Beckman Coulter entwickelt wurden. Insbesondere werden wir das Immunzellprofil der Studienteilnehmer*innen mit verschiedenen Duraclone™-Panels charakterisieren (Basisphänotypisierung [CD16, CD56, CD19, CD14, CD4, CD8, CD3, CD45], T-Zell-Untergruppen [CD45RA, CD197, CD28, CD279, CD27, CD4, CD8, CD3, CD57, CD45] und B-Zell-Untergruppen [IgD, CD21, CD19, CD27, CD24, CD38, IgM, CD45]). Die zeitlichen Veränderungen des Immunprofils werden zu den Zeitpunkten 24, 48 und 72 Stunden nach Trauma ebenfalls mit Hilfe der oben beschriebenen Duraclone™-Panels analysiert. Die Auswirkungen der osteosynthetischen Versorgung der o. g. Verletzungen auf die Plasmazytokinprofile werden in Proben von Studienteilnehmer*innen einmalig präoperativ und zu drei Zeitpunkten (24, 48 und 72 Stunden) postoperativ untersucht. Hierfür werden ultrasensitive und hoch standardisierte Multiplex-Liganden-Assays (z. B. V-PLEX human Biomarker Kit von Meso Scale Diagnostics) verwendet. Die Analyten umfassen u. a. TNF-α, G-CSF, IFN-γ, IL-6, IL-10, TGF-ß, IL-8 insgesamt; sVCAM, sE-Selektin, sICAM, SDF-1α, VEGF-Isofroms, NT-pro-BNP und ESM1.

Primärer Endpunkt stellt die Rate an verletzungsassoziierten nosokomialen Pneumonien dar. Dies soll in Zusammenhang mit der Immunprofil-Basischarakterisierung sowie der zeitlichen Variabilität der Plasmazytokinprofile der Studienteilnehmer*innen gestellt werden, wobei ein besonderes Augenmerk auf ESM1 als prädiktiver Biomarker für das Auftreten einer nosokomialen Pneumonie liegen soll.

Diese Studie soll als Pilotstudie die Grundlage für die Planung und Durchführung einer Multicenterstudie werden, in der wir die Überlegenheit der frühzeitigen osteosynthetischen Stabilisierung von instabilen Thoraxverletzungen gegenüber einer konservativen Therapie zeigen wollen.

Referenzen

1. Topp T, Müller T, Kiriazidis I, Lefering R, Ruchholtz S, Trauma Registry of the German Trauma Society, et al. Multiple blunt trauma after suicidal attempt: an analysis of 4,754 multiple severely injured patients. Eur J Trauma Emerg Surg. 2012 Feb;38(1):19–24.
2. Kerr-Valentic, M.A.; Arthur, M.; Mullins, R.J.; Pearson, T.E.; Mayberry, J.C. Rib fracture pain and disability: Can we do better? J. Trauma Acute Care Surg. 2003, 54, 1058-1064. [CrossRef]
3. Laloglu E, Alay H. Endocan as a potential marker in diagnosis and predicting disease severity in COVID-19 patients: a promising biomarker for patients with false-negative RT-PCR. Ups J Med Sci. 2022 Jan 24;12. doi: 10.48101/ujms.v127.8211. PMID: 35140869; PMCID: PMC8788653.
4. Mikkelsen ME, Shah CV, Scherpereel A, Lanken PN, Lassalle P, Bellamy SL, Localio AR, Albelda SM, Meyer NJ, Christie JD. Lower serum endocan levels are associated with the development of acute lung injury after major trauma. J Crit Care. 2012 Oct;27(5):522.e11-7. doi: 10.1016/j.jcrc.2011.07.077. Epub 2011 Sep 29. PMID: 21958978; PMCID: PMC3790584.
5. Niemann, M.; Graef, F.; Tsitsilonis, S.; Stöckle, U.; Märdian, S. Retrospective Analysis of the Clinical Outcome in a Matched Case-Control Cohort of Polytrauma Patients Following an Osteosynthetic Flail Chest Stabilization. J. Clin. Med. 2020, 9, 2379.

Untersuchung des Einflusses von Rippenfrakturen und deren Osteosynthese auf die Thoraxexkursion in einem neuen biomechanischen Modell mit negativem intrathorakalen Druck.

Dr. med. Michael Hülskamp
Universität Münster
Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie

Einleitung: Das schwere Thoraxtrauma ist eine häufige und Outcome-relevante Pathologie nach Polytraumatisierung. Hierbei stellt neben Analgesie, intensivmedizinischer Betreuung und bei Bedarf invasiver mechanischer Ventilation im Sinne einer „internen pneumatischen Stabilisierung“ auch die chirurgischen Stabilisierung von Rippenfrakturen (surgical stabilisation of rib fractures, SSRF) eine wichtige Therapieoption dar [1]. Klinisch zeigte SSRF vor allem bei schwerst-verletzten Patienten und bei Patienten, die auf Grund ihrer Verletzung beatmungspflichtig waren, Vorteile [2].

Pathomechanistisch sind sowohl Fraktur-assoziierte Schmerzen als auch ein mechanisch bedingtes Atemversagen zu diskutieren. Auf Grund des negativen intrathorakalen Drucks, der durch die elastischen Rückstellkräfte der Lunge entsteht und je nach Atemlage variiert, kann es bei Vorliegen von Rippenfrakturen und insbesondere bei einer „Flail Chest“ Deformität (drei oder mehr Rippenstückfrakturen in Folge) zu paradoxen Bewegungen der Rippen nach innen beim Einatmen und somit zu einer mechanisch ineffektiven Atmung kommen.

Fragestellung/Ziel der Studie: Trotz zunehmender Evidenz, dass SSRF in bestimmten Situationen von Vorteil sein kann, ist noch nicht geklärt welche operative Strategie dieses mechanische Versagen am besten adressiert. Beispielsweise bleibt unklar welche Implantate (z.B. Platten versus intramedulläre Verfahren) im Gesamtkonstrukt die besten biomechanischen Eigenschaften besitzen oder ob „Flail Chest“ Deformitäten jeweils, ventral, dorsal oder kombiniert adressiert werden sollten. Zur Beantwortung dieser Fragen sind biomechanische Untersuchung am gesamten Thorax erforderlich. Ein bereits publiziertes biomechanisches Model berücksichtigt den negativen intrathorakalen Druck nicht und kann die Pathologie somit nicht ausreichend abbilden [3]. Ziel dieser Studie ist somit die Etablierung eines humanen biomechanischen Thoraxmodells unter Simulation des variablen negativen intrathorakalen Drucks.

Methoden: Zur Simulation des negativen intrathorakalen Drucks werden Kabelzüge verwendet werden, um eine einwärts wirkende Kraft auf den Rippen aufzubringen (siehe Grafik). Exkursionsdistanz des Sternums und die dafür erforderliche Kraft werden mittels einer biomechanischen Materialtestmaschine erfasst/kontrolliert werden. Gleichzeitig wird ein 3D Kamerasystem zur Erfassung von Bewegungen der Rippen und Frakturenden verwendet werden. Mithilfe dieses Kamerasystems wird auch eine Echtzeitbestimmung des intrathorakalen Volumens erfolgen und basierend darauf eine Volumen-kontrollierte Exkursion des Thoraxmodells gesteuert werden.

Insgesamt wird dieses Projekt somit das erforderliche biomechanische Modell unter Berücksichtigung des negativen intrathorakalen Drucks etablieren und validieren. Unter Verwendung dieses Modells werden zukünftig die verschiedenen operativen Strategien zur Versorgung schwerer knöcherner Thoraxverletzungen detailliert erforscht werden können. Dies wird zur Schaffung Evidenz-basierter operativer Strategien der SSRF beitragen. 

Abbildung: Illustration des Mechanismus zur Simulation des negative intrathorakalen Drucks. Es ist ein Querschnitt durch den Thorax (schwarz) gezeigt. Eine zentrale Strebe (grauer Block) hält zentral positionierte Umlenkrollen, die das Spannen von Drähten in einem zickzack Muster zwischen den Rippen und dem Zentrum ermöglichen. Die Drähte werden nah an den Rippen durch Umlenkrollen, welche mittels Cerclagen (rot) an den Rippen fixiert sind, umgelenkt. Gelbe Linien zeigen Rippenfrakturen und orangene Linien repräsentieren Osteosyntheseplatten.

1. Bemelman M, Poeze M, Blokhuis TJ, Leenen LPH. Historic overview of treatment techniques for rib fractures and flail chest. Eur J Trauma Emerg Surg. 2010 Oct 23;36(5):407–15.
2. Sawyer E, Wullschleger M, Muller N, Muller M. Surgical Rib Fixation of Multiple Rib Fractures and Flail Chest: A Systematic Review and Meta-analysis. J Surg Res. 2022 Aug 1;276:221–34.
3. Myers DM, McGowan SP, Taylor BC, Sharpe BD, Icke KJ, Gandhi A. A model for evaluating the biomechanics of rib fracture fixation. Clin Biomech. 2020;80:105191.
   
   
   
   
   

Begleitverletzungen des hinteren Tibiakantenfragmentes bei Tibiaschaftspiralfrakturen. Eine biomechanische Untersuchung des Verletzungsmechanismus.

Dr. med. Leonard Lisitano
Universitätsklinikum Augsburg
Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie, Plastische und Handchirurgie

Fragestellung und Hintergrund:

In einer retrospektiven Studie konnte eine statistisch hochsignifikate Häufung von begleitenden Frakturen des hinteren Tibiakantenfragmentes (Volkmann) bei Tibiaschaft-Spiral-Frakturen mit einem Verlauf im a.p. Röntgen von proximal-lateral nach distal-medial gezeigt werden.(1) Diese begleitenden Frakturen können im konventionellen Röntgen nicht zuverlässig erkannt werden, sind jedoch klinisch hoch relevant.(2)

Als zugrundeliegender Unfallmechanismus wird eine Innenrotation des Fußes unter Belastung des Beins angenommen (Ausschluss von Eversion). Hierbei kommt es – je nach Drehrichtung (Innen vs. Außen) – zu dem oben beschriebenen Frakturverlauf. Es wird angenommen, dass die begleitenden Frakturen des hinteren-Tibia-Kantenfragmentes durch einen Zug der hinteren Syndesmose verursacht werden (knöcherner Ausriss).

Um diese Hypothese zu überprüfen wird eine biomechanische Studie an Humanpräparaten durchgeführt.

Methodik:

Es werden 10 Paar fresh-frozen humane Unterschenkelpräparate in einem 1:1-Verhältnis randomisiert. Eine Gruppe wird nach innen, die andere nach außen rotiert.

Die Humanpräparate werden zunächst proximal im Kniegelenk sowie distal an den Zehen-Grundgelenken abgesetzt. Anschließend erfolgt die Präparation und Einbettung unter Erhalt und Aussparung des Bandapparates des oberen Sprunggelenks insbesondere der Syndesmose. Achilles Sehne, Peroneal Sehnen, sowie Tibialis anterior und posterior Sehne werden mit Suture-Tape an der proximalen Einbettung befestigt. Nach vollständigem Aushärten der Einbettung erfolgt die biomechanische Testung mit Rotation bis zur Fraktur unter axialer Belastung mit den Körpergewicht des Spenders. Die Auswertung erfolgt optisch und röntgenologisch.

Zu den Endpunkten der Studie gehören Frakturverlauf und -länge, Fraktur- und Fragment Größe des hinteren-Tibia-Kantenfragments sowie Verletzungen der Bänder.

Ergebnisse:

In einem Vorversuch an 4 Kunstknochen konnte der Frakturverlauf im a.p. Röntgen durch die Drehrichtung reproduziert werden. Bei Innenrotation des Fußes zeigte sich eine Spiralfraktur mit Verlauf von proximal-lateral nach distal-medial, bei Außenrotation mit entgegengesetztem Verlauf.

In einem ersten Versuch an Humanpräparaten, ohne Einbindung der Sehnen, trat eine Luxation im OSG auf, sodass keine Tibiaschaftfraktur erzeugt wurde. Ein Versuch mit der doppelten axialen Belastung lieferte dasselbe Ergebnis. Der Versuchsaufbau wurde daher wie oben beschrieben angepasst.

Ziele:

Die Studie soll wesentlich zur Verständnisverbesserung des Frakturmechanismus beitragen und damit eine differenzierte Diagnose und zielgerichtete Therapie von Tibiaschaft-Spiralfrakturen und begleitenden Verletzungen des hinteren Tibiakantenfragmentes ermöglichen.

Literatur:

1. Lisitano L, Mayr E, Rau K, Wiedl A, Reuter J, Foerch S. Accompanying injuries in tibial shaft fractures: how often is there an additional violation of the posterior malleolus and which factors are predictive? A retrospective cohort study. Eur J Trauma Emerg Surg. Published online January 25, 2022. doi:10.1007/s00068-021-01866-y
2. Lisitano L, Röttinger T, Wiedl A, et al. Plain X-ray is insufficient for correct diagnosis of tibial shaft spiral fractures: a prospective trial. Eur J Trauma Emerg Surg. Published online June 3, 2023. doi:10.1007/s00068-023-02285-x

Makroskopische Darstellung nekrotischer Knochenareale mithilfe der ossären Autofluoreszenz (VELscope®) zur Verbesserung des knöchernen Debridements – Eine experimentelle Studie

Dr. med. Leopold Henßler
Universitätsklinikum Regensburg, Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie

Abschlussbericht:

Fraktur-assoziierte Infektionen, infizierte Pseudarthrosen und chronische Osteomyelitiden stellen weiterhin schwerwiegende Komplikationen der Frakturen insbesondere Im Bereich der langen Röhrenknochen dar. Bei deren Behandlung ist das adäquate Debridement insbesondere im Hinblick auf nekrotisches Knochengewebe entscheidend für den Therapieerfolg. Aufgrund unsicherer intraoperativer Zeichen der knöchernen Vitalität stellt genau dieses knöcherne Debridement und die Bestimmung der richtigen Resektionsgrenzen weiterhin eine große Herausforderung für behandelnde Chirurgen dar. Zur Verbesserung des ossären Debridements könnte ggf. eine Autofluoreszenz-basierte intraoperative Darstellung des Knochens (VELscope®) angewandt werden, welche bereits bei aseptischen Kiefernekrosen erfolgreich eingesetzt werden und hierbei vitalen von avitalem Knochen unterscheiden konnte.

In diesem Projekt wurde daher in einem ex-vivo Modell untersucht, wodurch die Unterschiede in der Autofluoreszenz des Knochens bedingt werden, um einen möglichen Einsatz im Gebiet der fraktur-assoziierten Knocheninfektionen zu erlauben.

Hierzu wurden Hüftköpfe von Hüft-TEP-Implantationen asserviert und kortikale Proben (0,5 x 0,5 cm) vom Schenkelhals der Explantate präpariert. Die Proben wurden über einen Zeitraum von 3 Monaten in PBS ohne Nährstoffzusatz bei Körpertemperatur inkubiert, um eine aseptische Nekrose zu induzieren. Der Zelluntergang wurde im Resazurin-Assay zur Zellviabilität sowie histologisch in HE-Färbung dokumentiert. Die Autofluoreszenz aller Proben wurde in regelmäßigen Abständen unter standardisierten Bedingungen fotographisch dokumentiert und die Pixelintensität der Aufnahmen semi-automatisiert quantifiziert.

Die Intensität der Autofluoreszenz der kortikalen Knochenproben nahm innerhalb von 4-6 Wochen linear ab (p<.05). Die histologische Untersuchung zeigte in Knochenproben nach 4-wöchiger Alterung eine deutliche Abnahme der extrazellulären Matrix im Vergleich zu vergleichbaren Proben zum Ausgangszeitpunkt. Eine erhöhte zelluläre Nekroserate konnte zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht beobachtet werden (s. Abb. 2). Insbesondere bei mit Kollagenase-versetzten Knochenproben nahm die Intensität des Autofluoreszenzsignals schneller ab, sodass angenommen werden kann, dass die Fluoreszenz eher mit der Degradation der extrazellulären Matrix als mit der osteozytären Vitalität assoziiert ist.

Zusammenfassend korrelierte die verwendete Autofluoreszenz-Methode nicht mit dem Ausmaß der osteozytären Nekrose. Die Degradation der EZM konnte teilweise anhand der Fluoreszenzdarstellung nachvollzogen werden. Weitere Untersuchungen zur Verbesserung der Technologie sind notwendig. Hierfür ist eine weitere Untersuchung der Technologie am AO Research Institute in Davos geplant.

Ein herzlicher Dank gilt daher der AO Trauma Deutschland für die Anschubfinanzierung im Rahmen der Nachwuchsförderung sowie der AO Foundation und den Verantwortlichen am AO Research Institute Davos für die Möglichkeit die Technologie hier weiter untersuchen zu können.

Abbildung 1: Punktediagramm zur Darstellung des Rückgang der Autofluoreszenz der Knochenproben über die Zeit der Inkubation. Signifikante Unterschiede wurden mit * dargestellt.

Abbildung 2: HE-Färbung kortikaler Knochenproben nach Asservation über eine Woche (1 W) und vier Wochen (4 W). Es zeigt sich ein deutlicher Rückgang der extrazellulären Matrix (v.a. in der 4x Vergrößerung) bei weiterhin hohem Anteil an osteozytenhaltigen Lakunen (v.a. in der 10x Vergrößerung).

Abstract:

Chronischen Knocheninfektion führen u.a. zu Nekrosen des betroffenen Knochenareals [1]. Die chirurgische Resektion des gesamten Nekroseareals ist entscheidend für den Erfolg der Therapie [2–4]. Die Lokalisation und Ausdehnung des infizierten Areals kann sowohl prä- als auch intraoperativ häufig nur abgeschätzt werden. Um eine sichere Entfernung des gesamten nekrotischen Knochens zu gewährleisten, ist häufig eine ausgedehnte Resektion des infizierten Knochenareals mit anschließender schwieriger Rekonstruktion der entstandenen segmentalen Defekte notwendig [3,5,6].

Eine mögliche Hilfestellung in der intraoperativen Darstellung des Nekroseareals könnte ein Verfahren zur Fluoreszenz-Darstellung des Knochens mittels der sog. VELscope®-Technologie bieten. Die Methode basiert auf einem unterschiedlichen Fluoreszenzverhalten von vitalem und avitalem Knochen und konnte in der Vergangenheit bereits erfolgreich im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (MKG) zur Detektion und vollständigen Resektion von aseptischen Kiefernekrosen angewandt werden [7–12].

Aus unserer Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie am Universitätsklinikum Regensburg wurde bereits eine klinische Fallserie zur Autofluoreszenz-gesteuerten Knochenresektion bei chronischen Knocheninfektionen veröffentlicht. Im Rahmen einer ersten Pilotserie an zehn Patienten konnte die intraoperative Fluoreszenzdarstellung osteonekrotischer Areale bereits erfolgreich auf die Anwendung bei Patienten mit chronischen Knocheninfektionen übertragen werden [13]. Bei der Resektion nekrotischer Anteile des infizierten Knochens der eingeschlossenen Patienten konnte mithilfe der VELscope®-Methode vitales von avitalem Knochengewebe unterschieden werden. Es wurden somit lediglich kleinflächige Resektionen der hypofluoreszenten Areale durchgeführt und zur Bestätigung der Resektionsgrenzen Knochen-Biopsien vor und nach der VELscope®-gestützten Resektion entnommen. Die Resektionsränder nach fluoreszenzgesteuerter Resektion zeigten stets vitalen Knochen (s. Abbildung 1) [13]. Im Zuge des weiteren Erkenntnisgewinns für diese interessante Technologie planen wir daher nun eine ex vivo Untersuchung an intraoperativ gewonnenen Knochenproben.

Anhand von frischen humanen Knochenpräparaten (Femurkopf, Schenkelhals), die bei Hüft-Prothesen-Operationen entnommen werden, soll die Autofluoreszenz in Abhängigkeit im Zuge der eintretenden Nekroseprozesse mittels VELscope untersucht und mit den histologischen und EM-Ergebnissen verglichen werden. Die Knochenproben werden unmittelbar nach der intraoperativen Entnahme in unser Labor für Experimentelle Unfallchirurgie gebracht und direkt mittels VELscope®-Autofluoreszenz untersucht. Zum gleichen Zeitpunkt werden die ersten Konchenproben entnommen und für die histologischen und EM-Analysen vorbereitet. Der Untersuchungsablauf wird nach 12, 24, 48 und 96 Stunden sowie 10 Tage nach Entnahme wiederholt. Für die Dauer der Untersuchung werden die Knochenproben in einer isotonen Elektrolytlösung mit Antibiotika-Zusatz bei Körpertemperatur im Brutschrank gelagert. Die während der Untersuchungszeitpunkte entnommenen Knochenstanzen werden in einem standardisierten Verfahren mit Hämatoxylin und Eosin gefärbt. Zusätzlich ist zur Analyse der Veränderungen der extrazellulären Matrix eine Färbung mittels Goldner-Trichromfärbung geplant. Zudem werden frühe zelluläre Veränderungen im Rahmen der Nekrose mittels elektronenmikroskopischer Analyse festgehalten. Bei der histologischen und elektronenmikroskopischen Untersuchung werden die Untersucher bezüglich der Fluoreszenzdarstellung der Proben sowie des Entnahmezeitpunkts verblindet. Die Auswertung der Fluoreszenz-Darstellung erfolgt anhand der Farbintensität semi-automatisiert mithilfe Software ImageJ (National Institutes of Health, USA). Anschließend wird die Farbintensität der Fluoreszenz mit den histologischen Ergebnissen und EM korreliert. Die Ergebnisse können zur Verbesserung der intraoperativen Diagnostik von nekrotischen Knochenarealen dienen, zukünftig die Resektionsgrenzen beim Debridement bei Knocheninfektionen besser bestimmen zu können.

Referenzen:

1. Lew DP, Waldvogel FA. Osteomyelitis. The Lancet. 24. Juli 2004;364(9431):369–79.
2. Morgenstern M, Kühl R, Eckardt H, Acklin Y, Stanic B, Garcia M, u. a. Diagnostic challenges and future perspectives in fracture-related infection. Injury. 1. Juni 2018;49:S83–90.
3. Cierny GI, Mader JT, Penninck JJ. The Classic: A Clinical Staging System for Adult Osteomyelitis. Clinical Orthopaedics and Related Research®. September 2003;414:7–24.
4. Sanders J, Mauffrey C. Long bone osteomyelitis in adults: fundamental concepts and current techniques. Orthopedics. Mai 2013;36(5):368–75.
5. Forsberg JA, Potter BK, Cierny G, Webb L. Diagnosis and management of chronic infection. J Am Acad Orthop Surg. 2011;19 Suppl 1:S8–19.

Abbildung:

Abb. 1: Klinischer Fall mit chronisch infizierter Pseudarthrose der Tibia nach Marknagelnung (A, B). Intraoperativer Situs vor und nach Debridement (C1, C2) mit korrespondierender Autofluoreszenz imVELscope (D1, D2). Die histologische Auswertung der des nekrotisch imponierenden Knochens zeigt leere Osteozyten, wohingegen Proben aus dem Resektionsrand nach fluoreszenzgestützter Resektion der Nekrosen Osteozyten-haltige Lakunen zeigen (E1, E2). [13]

Auswirkungen von Cilostazol, einen Phospodiesterase-Hemmer, auf die Heilung der Pseudarthrose

Dr. med. Maximilian Menger
BG Unfallklinik Tübingen, Unfall- und Wiederherstellungschirurgie

Abschlussbericht:

Verzögerte Frakturheilung und Pseudarthrosen gehören nach wie vor zu den schwerwiegendsten Komplikationen in der Unfallchirurgie und Orthopädie. Bis zu 10% aller Frakturen zeigen eine verzögerte Heilung. In den letzten Jahrzehnten konnten eine Reihe von experimentellen Studien wichtige Erkenntnisse über die zellulären und molekularen Mechanismen der verzögerten Frakturheilung und Bildung von Pseudarthrosen gewinnen. Allerdings bleiben in vielen Fällen die Ursachen für die Entstehung von Pseudarthrosen unklar. Für die Patienten bedeutet dies oftmals mehrfache Revisionseingriffe, die mit vermehrten Schmerzen und dem Funktionsverlust der betroffenen Extremität sowie einem verlängerten Rehabilitationsverlauf einhergehen. Die schwierigen und langen Krankheitsverläufe beinträchtigen nicht nur die Patienten, sondern haben auch weitreichende Konsequenzen für das Gesundheitssystem.

Angiogenese und Vaskularisierung sind entscheidende Faktoren während der Knochenregeneration. Cilostazol ist ein selektiver Phosphodiesterase (PDE)-3 Hemmer, der den cyklischen Monophosphat (cAMP) Spiegel erhöht und dadurch zur Gefäßdilatation und Hemmung der Thrombozytenaggregation führt. Daher wird er zur Behandlung der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) eingesetzt. Darüber hinaus belegen experimentelle Arbeiten, dass Cilostazol die Expression von pro-angiogenen Wachstumsfaktoren stimuliert und damit die Angiogenese fördern kann.

Des Weiteren besitzen PDE-Hemmer selbst pro-osteogene Eigenschaften und stimulieren die Differenzierung und Proliferation von Osteoblasten. Allerdings gibt es bis heute keine Informationen, inwieweit Cilostazol die Heilung von Pseudarthrosen beeinflusst. Aus diesem Grund wurde in dem vorliegenden Projekt der Einfluss von Cilostazol auf die Knochenregeneration in einem etablierten Pseudarthrose-Modell der Maus untersucht.

Dabei wurde das Kallusgewebe mittels konventionellem Röntgen, Biomechanik, µ-CT, Histologie, Immunhistochemie, photoakustischer Bildgebung und Western blot analysiert. Unsere Ergebnisse zeigten eine verstärkte Knochenbildung im Kallus der Cilostazol-behandelten Mäuse, was zu einer erhöhten Biegesteifigkeit der Femora im Vergleich zu den Kontrolltieren führte. Darüber hinaus zeigten unsere Daten eine erhöhte Expression des pro-angiogenen und pro-osteogenen Wachstumsfaktoren vascular endothelial growth factor (VEGF), eine höhere Anzahl CD31-positiver Mikrogefäße und eine erhöhte Sauerstoffsättigung im Kallusgewebe der Cilostazol- behandelten Tiere. Weiterhin konnten wir eine erhöhte Anzahl von Tartrat-resistente saure Phosphatase (TRAP)-positiven Osteoklasten und CD68-positiven Makrophagen in der Cilostazol-Gruppe im Vergleich zu den Kontrolltieren feststellen.

Zusammenfassend konnten wir in der vorliegenden Studie zeigen das Cilostazol die Vaskularisierung und Knochenneubildung im Pseudarthrosen-Modell der Maus stimuliert. Weiterhin ist Cilostazol im Vergleich zu experimentellen pharmakologischen Wirkstoffen ein bereits zugelassenes Medikament, das seit vielen Jahren in der klinischen Praxis eingesetzt wird. Aus diesem Grund ist Cilostazol ein wirksames und sicheres Präparat für die adjuvante Behandlung von Pseudarthrosen.

Hiermit möchte sich meine Arbeitsgruppe herzlich für den Nachwuchsförderpreis der AO Trauma Deutschland zur finanziellen Förderung dieses Projektes bedanken. Die vorliegende Arbeit konnte im Dezember 2023 im Journal „Biomedicine & Pharmacotherapy“ publiziert werden:

Menger MM, Bleimehl M, Bauer D, Scheuer C, Hans S, Saul D, Ehnert S, Menger MD, Histing T, Laschke MW. Cilostazol promotes blood vessel formation and bone regeneration in a murine non-union model. Biomed Pharmacother (2023), 168:115697. doi: 10.1016/j.biopha.2023.115697.

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0753332223014956?via%3Dihub

Abstract:

Bis zu 10 % aller Frakturen zeigen eine verzögerte oder ausbleibende Heilung. In den letzten Jahrzehnten konnten eine Reihe von experimentellen Studien wichtige Erkenntnisse über die zellulären und molekularen Mechanismen der verzögerten Frakturheilung und Pseudarthrose gewinnen. Allerdings bleiben in vielen Fällen die Ursachen für die Entstehung der Pseudarthrose unklar. Für die betroffenen Patienten bedeutet dies oftmals einen verlängerten Rehabilitationsverlauf, der mit vermehrten Schmerzen und dem Funktionsverlust der betroffenen Extremität verbunden ist. Die schwierigen und langen Krankheitsverläufe beinträchtigen nicht nur den Patienten, sondern verursachen durch zusätzliche Kosten auch weitreichende Konsequenzen für das Gesundheitssystem.

Angiogenese und Vaskularisierung sind entscheidende Faktoren für eine erfolgreiche Knochenregeneration. Cilostazol ist ein selektiver Phosphodiesterase (PDE)-3 Hemmer, der den cyklischen Monophosphat (cAMP) Spiegel erhöht und dadurch zur Gefäßdilatation und Hemmung der Thrombozytenaggregation führt. Aus diesem Grund wird Cilostazol zur Behandlung der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) eingesetzt. Darüber hinaus belegen experimentelle Arbeiten, dass Cilostazol die Expression von pro-angiogenen Wachstumsfaktoren stimuliert und damit die Angiogenese fördert.

Des Weiteren besitzen PDE-Hemmer selbst pro-osteogene Eigenschaften und stimulieren die Differenzierung und Proliferation von Osteoblasten. Unsere Arbeitsgruppe konnte bereits zeigen, dass Cilostazol die normale Frakturheilung verbessert. Allerdings gibt es bis heute keine Informationen, inwieweit Cilostazol die Heilung der Pseudarthrose beeinflusst. Aus diesem Grund soll der Einfluss von Cilostazol auf die Heilung der Pseudarthrose in einem etablierten Mausmodell untersucht werden.

Neben der Analyse der konventionellen Röntgenbilder, biomechanischen Daten, µCT, Histologie und Western blot Untersuchungen soll zudem das Kallusgewebe mit einer photoakustischen Bildgebung untersucht werden. Bei diesem neuen Verfahren wird Gewebe mit einem pulsierenden Laser bestrahlt, was wiederum zu einer thermoelastischen Expansion und damit einer Druckerhöhung im Gewebe führt, die messbare akustische Wellen aussendet. Dadurch ermöglicht die photoakustische Bildgebung zwischen oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobin zu unterscheiden, und ermöglicht damit eine Echtzeit-Darstellung der Gefäßdurchblutung und Gewebeoxygenierung im Kallusgewebe.

Prospektive Studie zur Ganganalyse nach perkutaner Iliosakralgelenksverschraubung bei hinterer Beckenringsverletzung gemessen durch ComputerMyoGrafie mittels Myonardo

Dr. med. Katharina Blanka Jäckle
Universitätsmedizin Göttingen, Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie

Verletzungen des hinteren Beckenrings erfordern häufig eine Verschraubung des Iliosakralgelenks (ISGs) (siehe Abbildung 1). Nach einem solchen Eingriff kann es zu Einschränkungen des Gangbildes der Patienten kommen. Das nachfolgend beschriebene Projekt stellt eine Methode vor, mit der Unterschiede im Gangbild von Patienten nach einer perkutanen Iliosakralgelenksverschraubung (ISG-Verschraubung) des hinteren Beckenrings im Vergleich zu gesunden Studienteilnehmern objektiv untersucht werden können.

Die Gangbilddaten werden mittels neuartiger ComputerMyoGrafie durch Myonardo, einem von der Firma Predimo GmbH entwickelten 3D-Computermodell für das humane Muskel-Skelett-System, ermittelt und analysiert. Myonardo erfasst sämtliche Bewegungsabläufe des Menschen einschließlich der Kräfte, die während einer Bewegung auf den Körper einwirken, und berechnet auch die Beanspruchung der jeweiligen Muskeln. Diese Methode bietet daher eine ausführliche intuitive Darstellung der Belastungen sowie eine übersichtliche Kurzfassung des individuellen Gangverhaltens, je nach spezifischer Anforderung. Dieses nicht-invasive Verfahren ermöglicht erstmalig einen detaillierten funktionellen Einblick in das Muskel-Skelett-System des menschlichen Körpers und kann daher bei Fragen und Aufgabenstellungen rund um die Erfassung, Optimierung und Visualisierung von Bewegungen und Muskelbeanspruchungen analytisch eingesetzt werden. Diese Studie zur Analyse von Gangbildern soll zur Gangoptimierung und damit letztlich zur Vermeidung von Fehlbelastungen bei den Patienten dienen.

DiAbbildung 2: 3D-Visualisierung der Ergebnisse. Nach freundlicher Genehmigung der Firma Predimo GmbH.e geplante Studie umfasst eine prospektive Analyse. Eine Gruppe von ca. 15-20 Patienten, die sich einer ISG-Verschraubung unterziehen müssen, soll in einem explorativen Ansatz das Gangmuster sowie präoperativ bzw. postoperativ als auch vor und nach abgeschlossener Rehabilitation mit dem normalen Gangbild von gesunden Probanden verglichen werden. Die Ganganalysen werden mit dem X-sense motion tracking system in Kombination mit einer neuen Computermyographie-Software ("Myonardo") durchgeführt (Abbildung 2).

Das mittel- und langfristige Ziel der Studie ist die Gangkinetik von Patienten mit hinterer Beckenringverletzung objektiv zu analysieren, und entsprechend der festgestellten Veränderungen, insbesondere bezüglich der Muskulatur, möglichst individuelle physiotherapeutische Rehabilitationsansätze zu etablieren. Das Analysesystem und sein Nutzen für eine zielgerichtete therapeutische Anwendung, bei der die Wiederherstellung eines normalen Gangbildes im Vordergrund steht, sollen kritisch beurteilt werden.

 
















Abbildung 1: Röntgenübersicht des Beckens mit ISG-Verschraubung Höhe S1 linksseit

Abbildung 2: 3D-Visualisierung der Ergebnisse. Nach freundlicher Genehmigung der Firma Predimo GmbH.

Prospektive Studie zur Ganganalyse nach perkutaner Iliosakralgelenksverschraubung bei hinterer Beckenringsverletzung gemessen durch ComputerMyoGrafie mittels Myonardo

Dr. med. Olivia Mair
Klinikum rechts der Isar der TU München, Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie

Verletzungen des hinteren Beckenrings erfordern häufig eine Verschraubung des Iliosakralgelenks (ISGs) (siehe Abbildung 1). Nach einem solchen Eingriff kann es zu Einschränkungen des Gangbildes der Patienten kommen. Das nachfolgend beschriebene Projekt stellt eine Methode vor, mit der Unterschiede im Gangbild von Patienten nach einer perkutanen Iliosakralgelenksverschraubung (ISG-Verschraubung) des hinteren Beckenrings im Vergleich zu gesunden Studienteilnehmern objektiv untersucht werden können.

Die Gangbilddaten werden mittels neuartiger ComputerMyoGrafie durch Myonardo, einem von der Firma Predimo GmbH entwickelten 3D-Computermodell für das humane Muskel-Skelett-System, ermittelt und analysiert. Myonardo erfasst sämtliche Bewegungsabläufe des Menschen einschließlich der Kräfte, die während einer Bewegung auf den Körper einwirken, und berechnet auch die Beanspruchung der jeweiligen Muskeln. Diese Methode bietet daher eine ausführliche intuitive Darstellung der Belastungen sowie eine übersichtliche Kurzfassung des individuellen Gangverhaltens, je nach spezifischer Anforderung. Dieses nicht-invasive Verfahren ermöglicht erstmalig einen detaillierten funktionellen Einblick in das Muskel-Skelett-System des menschlichen Körpers und kann daher bei Fragen und Aufgabenstellungen rund um die Erfassung, Optimierung und Visualisierung von Bewegungen und Muskelbeanspruchungen analytisch eingesetzt werden. Diese Studie zur Analyse von Gangbildern soll zur Gangoptimierung und damit letztlich zur Vermeidung von Fehlbelastungen bei den Patienten dienen.

Die geplante Studie umfasst eine prospektive Analyse. Eine Gruppe von ca. 15-20 Patienten, die sich einer ISG-Verschraubung unterziehen müssen, soll in einem explorativen Ansatz das Gangmuster sowie präoperativ bzw. postoperativ als auch vor und nach abgeschlossener Rehabilitation mit dem normalen Gangbild von gesunden Probanden verglichen werden. Die Ganganalysen werden mit dem X-sense motion tracking system in Kombination mit einer neuen Computermyographie-Software ("Myonardo") durchgeführt (Abbildung 2).

Das mittel- und langfristige Ziel der Studie ist die Gangkinetik von Patienten mit hinterer Beckenringverletzung objektiv zu analysieren, und entsprechend der festgestellten Veränderungen, insbesondere bezüglich der Muskulatur, möglichst individuelle physiotherapeutische Rehabilitationsansätze zu etablieren. Das Analysesystem und sein Nutzen für eine zielgerichtete therapeutische Anwendung, bei der die Wiederherstellung eines normalen Gangbildes im Vordergrund steht, sollen kritisch beurteilt werden.

Einfluss der Frakturstabilisierung im Polytrauma auf die Zusammensetzung extrazellulärer Vesikel und die Frakturheilung

Dr. med. Nils Becker
Uniklinik RWTH Aachen, Klinik für Orthopädie- Unfall-, und Wiederherstellungschirurgie

Hintergrund:

Die Versorgung schwerverletzter Patienten ist nach wie vor herausfordernd. Vor allem Frakturen der Extremitäten sind häufig. Dabei scheinen posttraumatische Entzündungsprozesse u.a. das immunologische Milieu im Frakturbereich und damit die Frühphase der Knochenheilung zu beeinflussen. Die häufigste Begleitverletzung, das Thoraxtrauma, scheint sich dabei negativ auf die Knochenheilung auszuwirken. In den letzten Jahren zeigten sich trauma- und frakturinduzierte extrazelluläre Vesikel (EV), als Träger verschiedener immunmodulatorischer Inhalte, sowohl an pulmonalen, wie auch an osteogenen Inflammationsprozessen maßgeblich beteiligt. Dabei beeinflussen sie das osteogene Potential von Osteoblasten.

In der Frakturversorgung schwerverletzter Patienten stehen sich das Damage Control Surgery (DCO) und das Early Total Care (ETC) Konzept gegenüber. Die Entscheidung für eine Versorgungsstrategie richtet sich u.a. nach der Verletzungsschwere und den Begleitverletzungen. Wie sich die Zusammensetzung der EVs bei vorliegender Lungenkontusion im Rahmen eines Polytraumas und vor dem Hintergrund der Frakturversorgung (interne oder externe Stabilisation) verhält und welchen Einfluss das auf die Knochenheilung hat, ist bislang unzureichend erforscht.

Hypothese:

Die interne (1) und externe (2) Frakturstabilisierung führen über die unterschiedliche systemische Freisetzung von extrazellulären Vesikeln (3) zu einem veränderten osteogenen Potential im Polytraumamodell der Ratte.

Methodik:

Um dieser Hypothese nachzugehen, ist ein Polytraumamodell in der Ratte mit standardisiertem Thoraxtrauma, hämorrhagischem Schock, einer Femurfraktur und unterschiedlicher Frakturversorgung geplant und genehmigt. Die Ratten werden nach Traumainduktion und Versorgung über einen Versuchszeitraum von 42 Tagen beobachtet. Unter anderem sind Untersuchun1) Interne Frakturstabilisierunggen zur Frakturheilung (Mikro-CT, Ganganalysen, histologische Analysen, biomechanische Tests) und der EVs geplant. Die EVs werden zur Analyse der Genexpression osteogener Faktoren isoliert und mit verschiedenen Zelltypen inkubiert.

Ziel:

Wir erwarten einen Unterschied des osteogenen Potentials und der Knochenqualität in Abhängigkeit der Methode der Frakturversorgung. Das Projekt soll die Grundlage für weitere Untersuchungen bilden, um das komplexe Zusammenspiel immunologischer Abläufe an der Frakturzone im Hinblick auf die Frakturheilung zu verstehen und Konzepte zur Verhinderung von Dysregulationen und resultierenden Komplikationen zu erarbeiten.

1) Interne Frakturstabilisierung

2) Externe Frakturstabilisierung

3) Extrazelluläre Vesikel

Verbesserung der Implantatosteointegration und der Knochendichte im osteoporotischen metaphysären Knochen der Ratte

Julia Bolte
Universitäts-Centrum Dresden, Klinik für Orthopädie, Unfall-, und Plastische Chirurgie

Die Behandlung von osteoporotischen Frakturen ist im klinischen Alltag eine große Herausforderung. Aufgrund der schlechten Knochenqualität lassen sich Implantate schlecht verankern, können lockern oder versagen mitunter, zusätzlich kommt es aufgrund der generellen Beeinträchtigung des Knochens zu weiteren Frakturen, die zu einer fortschreitenden Immobilität der Patienten führen können. Eine alleinige operative Behandlung ist daher in der Regel nicht ausreichend, sondern muss durch eine systemische Therapie für den Knochen ergänzt werden, um die Knochenqualität zu verbessern.

In Vorstudien zeigten sowohl Prostaglandinrezeptor-Agonisten als auch Bisphosphonate bei systemischer Anwendung, dass sie, insbesondere in Kombination, die Knochendichte von osteoporotischem Knochen erhöhen können. Die systemische Behandlung mit Prostaglandinrezeptor-Agonisten ist allerdings mit erheblichen unerwünschten Nebenwirkungen assoziiert. Es soll daher in der nun von der AO Trauma Deutschland geförderten Studie versucht werden, durch eine lokale Anwendung diese Nebenwirkungen wesentlich abzuschwächen und den Knochen lokal zu stärken.

Hypothese der Studie ist, dass die Schraubenosteointegration im metaphysären, osteoporotischen Knochen verbessert wird, indem eine Augmentation mittels resorbierbarem Calciumsulfat/Hydroxlyapatit (CaS/HA(-Zement)) Biokomposit und lokaler Freisetzung des Prostaglandinrezeptor-Agonisten KMN-159 sowie Zoledronsäure erfolgt. Dafür wird zunächst in vitro die Freisetzung von KMN-159 und Zoledronsäure aus einem CaS/HA(-Zement) Biokomposit untersucht. Anschließend soll in vivo im metaphysären Osteoporosemodell an der Ratte die Osteointegration einer 2,4 mm Titanschraube am distalen Femur untersucht werden, die je nach Gruppenzugehörigkeit in den CaS/HA(-Zement) Biokomposit eingeschraubt wird, welcher mit KMN-159 und/ oder Zoledronsäure funktionalisiert wird. Der Nachuntersuchungszeitraum beträgt 6 Wochen. Mittels μCT werden die Knochendichte und das Knochenvolumen, die Anzahl und Aufteilung der Trabekel untersucht. Des Weiteren wird die Osteointegration der Schrauben biomechanisch mittels Ausdrehmoment der Schrauben analysiert. Es werden zudem histologische Hartgewebsschnitte gefärbt, um das „implant bone interface“ zu untersuchen und die Zahl an Osteoblasten, Osteoklasten, sowie Gefäßen im Implantatumgebenden Knochen zu ermitteln.

Sollte sich die Hypothese bestätigen, so könnte die Schraubenosteointegration im osteoporotischen Knochen durch eine Augmentation mit Knochenzement unter lokaler Freisetzung eines Prostaglandinrezeptor-Agonisten in Kombination mit Zoledronsäure verbessert werden. Dies könnte dazu beitragen, bei Patienten mit osteoporotischen Frakturen die Materiallockerungs- und Revisionsrate zu senken, erneute Operationen zu vermeiden und die Morbidität und Mortalität zu reduzieren.

Evaluation des osteoimmunologischen Potentials von Magnesiumimplantaten in vitro

Dr. med. Heilwig Fischer
Charité – Campus Virchow Klinikum Berlin, Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Sowohl im Bereich der Mund-, Kiefer und Gesichtschirurgie als auch in Orthopädie und Unfallchirurgie existieren zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für resorbierbare Schrauben und Platten auf Magnesiumbasis. Dazu gehört einerseits die Frakturbehandlung, andererseits aber auch die onkologische und rekonstruktive Chirurgie. Um den komplexen Prozess der Knochenheilung zu ermöglichen, ist allerdings über die reine mechanische Stabilität hinaus ein enges und erfolgreiches Zusammenspiel des Immunsystems, der Osteogenese und der Angiogenese notwendig (Loeffler et al., 2018). Um diesem Umstand gerecht zu werden, wurde das Konzept der bioaktiven Osteosynthese entwickelt, welches besagt, dass eine Osteosynthese nicht nur die Fraktur stabilisieren, sondern darüber hinaus auch bioaktive Eigenschaften besitzen sollte (Chen et al., 2016).

Magnesium ist ein resorbierbares Material, wobei bei der Degradation Magnesiumionen freigesetzt werden. Diese freiwerdenden Magnesiumionen haben einen stimulierenden Effekt auf Immunzellen, insbesondere induzieren sie eine Veränderung der Makrophagenpolarisation und die Freisetzung von antiinflammatorischen Zytokinen (Zhang et al., 2019). Ein, durch die Veränderung der Makrophagenpolarisation ausgelöster, früherer antiinflammatorischer Shift in der Knochenheilung kann die enchondrale Ossifikation begünstigen und so die Knochenheilung unterstützen (Schlundt et al., 2018). Jedoch besteht die Möglichkeit, dass Nebenprodukte der Magnesiumdegradation, wie beispielsweise Wasserstoffgas, die Knochenneubildung stören, wenn die Degradationsgeschwindigkeit die Diffusionsgeschwindigkeit in umliegenden Geweben übersteigt (Witte, 2015). Als Konsequenz können Hohlräume um die Magnesiumschrauben entstehen (Wang et al., 2020). Die Verwendung von passivierenden Elementen in einer Magnesiumlegierung und auch Oberflächenmodifikationen wie beispielsweise Plasmaelektrolytmodifikationen (PEO) reduzieren die Degradationsrate der Magnesiumimplantate und verlangsamen somit die Gasbildung (Imwinkelried et al., 2013). In der Magnesiumlegierung WE43 sind seltene Erden enthalten, die als passivierende Elemente agieren (Imwinkelried et al., 2013).

Die Bioaktivierung von Titanimplantaten mittels PEO-Oberflächenmodifikation hat gezeigt, dass die Immunreaktion, Angiogenese und die Osseointegration durch die PEO-Oberflächenmodifikation positiv beeinflusst werden (Bai et al., 2018). Die Auswirkungen einer Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen im Verlauf der Knochenheilung zeigt sich zeit- und dosisabhängig (Chen et al., 2016). Es ergibt sich die Frage, ob sich die Osteogenese durch die osteoimmunologische Wirkung der Magnesiumionen und die PEO-Oberflächenmodifikation verstärkt oder sich die Effekte gegenseitig aufheben. Ziel dieser Arbeit ist es, die immunmodulatorischen, osteogenetischen und angiogenetischen Effekte von WE43-basierten Magnesiumimplantaten mit und ohne PEO-Oberflächenmodifikation zu untersuchen. Die Hypothese lautet, dass sich durch die PEO-Oberflächenmodifikation auf WE43-basierten Magnesiumimplantaten die immunmodulatorischen, osteogenetischen und angiogenetischen Eigenschaften verbessern lassen.

In einem Vorläuferprojekt wurde die Degradation von WE43-basierten Magnesiumplatten und -schrauben im Großtiermodell nach 6 und 12 Monaten untersucht. Bei den PEO-oberflächenmodifizierten Implantaten zeigte sich eine signifikante Reduktion der Implantatdegradation nach 6 Monaten im Vergleich zu den Implantaten ohne PEO-Oberflächenmodifikation. Darüber hinaus zeigte sich histologisch ein signifikant höherer Knochenanteil über den PEO-modifizierten Platten nach 6 Monaten. Aufgrund des höheren Knochenanteils im subperiostalen Kompartiment über den Platten konnte auf eine, durch die PEO-Oberflächenmodifikation begünstigte, osteostimulative Wirkung geschlossen werden (Rendenbach et al., 2021). Ziel dieses Projektes ist es, den Grund für den beobachteten osteostimulativen Effekt besser zu verstehen. Dazu sollen besonders die Untersuchungen mit den humanen Periostzellen und die indirekte Co-Kultur mit den Degradationsprodukten von WE43-basierten Prüfkörpern mit und ohne PEO-Oberflächenmodifikation Hinweise auf den Mechanismus hinter der osteostimulativen Wirkung geben. Dieses Wissen kann zu zukünftigen verbesserten Frakturversorgungsstrategien beitragen und einer Nutzung von bioaktiven Implantaten den Weg ebnen.

Referenzen:

Bai, L., Du, Z., Du, J., Yao, W., Zhang, J., Weng, Z., Liu, S., Zhao, Y., Liu, Y., Zhang, X., Huang, X., Yao, X., Crawford, R., Hang, R., Huang, D., Tang, B., Xiao, Y., 2018. A multifaceted coating on titanium dictates osteoimmunomodulation and osteo/angio-genesis towards ameliorative osseointegration. Biomaterials 162, 154–169. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.02.010

Chen, Z., Klein, T., Murray, R.Z., Crawford, R., Chang, J., Wu, C., Xiao, Y., 2016. Osteoimmunomodulation for the development of advanced bone biomaterials. Materials Today 19, 304–321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2015.11.004

Imwinkelried, T., Beck, S., Iizuka, T., Schaller, B., 2013. Effect of a plasmaelectrolytic coating on the strength retention of in vivo and in vitro degraded magnesium implants. Acta Biomater 9, 8643–8649. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.08.047

Loeffler, J., Duda, G.N., Sass, F.A., Dienelt, A., 2018. The Metabolic Microenvironment Steers Bone Tissue Regeneration. Trends in Endocrinology & Metabolism 29, 99–110. https://doi.org/10.1016/j.tem.2017.11.008

Rendenbach, C., Fischer, H., Kopp, A., Schmidt-Bleek, K., Kreiker, H., Stumpp, S., Thiele, M., Duda, G., Hanken, H., Beck-Broichsitter, B., Jung, O., Kröger, N., Smeets, R., Heiland, M., 2021. Improved in vivo osseointegration and degradation behavior of PEO surface-modified WE43 magnesium plates and screws after 6 and 12 months. Materials Science and Engineering: C 129, 112380. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112380

Schlundt, C., El Khassawna, T., Serra, A., Dienelt, A., Wendler, S., Schell, H., van Rooijen, N., Radbruch, A., Lucius, R., Hartmann, S., Duda, G.N., Schmidt-Bleek, K., 2018. Macrophages in bone fracture healing: Their essential role in endochondral ossification. Bone 106, 78–89. https://doi.org/10.1016/j.bone.2015.10.019

Wang, J., Xu, J., Hopkins, C., Chow, D.H., Qin, L., 2020. Biodegradable Magnesium‐Based Implants in Orthopedics—A General Review and Perspectives. Adv Sci (Weinh) 7. https://doi.org/10.1002/advs.201902443

Witte, F., 2015. Reprint of: The history of biodegradable magnesium implants: A review. Acta Biomater 23 Suppl, S28-40. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2015.07.017

Zhang, X., Chen, Q., Mao, X., 2019. Magnesium Enhances Osteogenesis of BMSCs by Tuning Osteoimmunomodulation. BioMed Research International 2019, e7908205. https://doi.org/10.1155/2019/7908205

Biomechanischer Effekt der additiven Stabilisierung des anteriofen Syndesmosenbandes bei osteosynthetisch versorgten Sprungglenkfrakturen mit Fraktur des hinteren Kantenfragmentes im Vergleich zur konventionellen Stellschraube

Dr. med. Alexander Milstrey
Universitätsklinikum Münster, Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie

Abschlußbericht

Frakturen des oberen Sprunggelenks (OSG) gehen oft mit Frakturen des posterioren Malleolus (PM) und einer konsekutiven Instabilität der distalen tibiofibularen Syndesmose einher. In der vergangenen Dekade erfolgte ein Paradigmenwechsel in der osteosynthetischen Versorgung des PM mit einer zunehmenden Indikation zur dorsalen Plattenosteosynthese zur direkten anatomischen Stabilisierung des knöchernen hinteren Syndesmosenausrisses sowie den Vorteilen eines posterolateralen Zuganges bezüglich der zusätzlichen Möglichkeit der dorsalen Fibulaosteosynthese bei gleichzeitig oftmals suffizienterer Weichteildeckung.

In diesem durch die AO geförderten Projekt wurden die biomechanischen Aspekte der Fixierung des hinteren Kantenfragmentes durch eine direkte dorsale Plattenosteosynthese auf das distale Tibiofibulargelenk evaluiert. Zudem wurde auch der Einfluss einer additiven Augmentation durch eine trikortikale Stellschraube oder eine direkte anatomische Fadenankeraugmentation (InternalBraceTM, Fa. Arthrex) des vorderen Syndesmosenbandes untersucht. Die Stabilität der Syndesmose wurde mit Hilfe eines Sechs-Achsen-Roboters und moderner optischer Messsysteme an Kadaverpräparaten des Unterschenkels (n=8) untersucht. In Neutralstellung, Dorsalextension und Plantarflexion wurde die Stabilität der Fibula in Relation zur Tibia in einer Sagittal-, Coronar- und Axialebene und des Talus bezüglich Außenrotation und lateraler Translation unter Belastung sowie mittels Außenrotations-Stresstest bestimmt.

Wesentliche Ergebnisse der Studie sind, dass lediglich eine Dreibandverletzung der Syndesmose – im Gegensatz zu einer partiellen dorsalen Instabilität nach Osteotomie des PM - zu einer signifikanten Instabilität des OSG führt. Eine alleinige Refixation des PM mittels Plattenosteosynthese kann die Stabilität der Syndesmose insbesondere in der Sagittalebene nicht wiederherstellen. Die additive Stabilisierung sowohl mittels Stellschraube als auch mittels Fadenanker führte zu einer signifikanten Reduktion der Rotationsinstabilität, jedoch konnte lediglich die Kombination der beiden Verfahren die biomechanische Stabilität der Syndesmose in allen drei Ebenen sowohl in Dorsalextension als auch Plantarflexion wiederherstellen. Wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der klinischen Translation erscheinen zudem, dass bei intraoperativer Beurteilung der Syndesmoseninstabilität, beispielsweise durch den Außenrotationsstresstest, insbesondere auch auf eine Instabilität in der Sagittalebene geachtet werden sollte.

Wir möchten der AO für die Förderung unseres Forschungsprojektes nochmals herzlich danken.

Abstract:

Bei dem mit der Verleihung der AO Trauma Nachwuchsförderung auf dem DKOU 2021 ausgezeichneten Projekt planen wir die Biomechanik von instabilen Syndesmosenverletzungen mit einem hinteren Kantenfragment sowie die anatomische Rekonstruktion von Syndesmosenverletzungen mit der konventionellen Stellschraube zu vergleichen.

In den letzten Jahren erfolgte ein Paradigmenwechsel bezüglich der osteosynthetischen Versorgung auch kleinerer hinterer Kantenfragmente, da diese als knöcherner Ausriss des hinteren Syndesmosenblattes anatomisch zur Wiederherstellung der physiologischen Stellung und Stabilität der Sprunggelenkskabel führen. Die biomechanischen Auswirkungen einer isolierten Osteosynthese des hinteren Kantenfragmentes und somit der hinteren Syndesmose auf das distale Tibiofibulargelenk sind jedoch nur unzureichend untersucht.

Der aktuelle Standard in der operativen Therapie bei instabilen Syndesmosenverletzungen ist die Stellschraube, welche jedoch ein statisches, rigides Konstrukt darstellt und die physiologischen Mikrobewegungen der Syndesmose unterbindet. Zudem sind häufig Komplikationen wie insbesondere Fehlrepositionen beschrieben. Auch die neueren dynamischen SutureButton Verfahren stellen ein extraanatomisches Rekonstruktionsverfahren dar.

In der geplanten Studie soll nun die Bewegung der Fibula zur Tibia hin in einem bereits in Vorversuchen entwickeltem Projektaufbau an einem 6-Achsen-Industrieroboter unter kontinuierlicher Belastung und Bewegung schrittweise unter Durchtrennung und Rekonstruktion der Syndesmosenregion untersucht werden (Siehe Abbildung 1). Hierbei wird zunächst ein hinteres Kantenfragment osteotomiert sowie im Folgeschritt eine ligamentäre Durchtrennung des vorderen und interossären Syndesmosenblattes präpariert. Im dritten Schritt wird das hintere Kantenfragment durch eine Plattenosteosynthese rekonstruiert. Gegenübergestellt werden in weiteren Versuchsschritten dann die additive Augmentation des vorderen Syndesmosenblattes mit einem SutureTape Fadenanker im Vergleich zur fibulotibialen Stellschraube sowie die Kombination aus beiden Verfahren bis hin zum Load to Failure Test (Siehe Abbildung 2). Ziele der Studie sind zum einen die Untersuchung der Kinematik der Fibula im physiologischen, instabilen sowie dorsal rekonstruierten Zustand, da erste Ergebnisse auf eine persistierende Rotations- und Sagittalinstabilität der Fibula nach Osteosynthese des hinteren Kantenfragmentes hindeuten. Zum anderen soll die Biomechanik und Stabilität einer neuartigen additiven anatomischen Rekonstruktion des vorderen Syndesmosenblattes im Vergleich zur konventionellen Stellschraube untersucht werden. Unsere Hypothese ist folgende: Die OSG-Kinematik wird durch eine Augmentation des vorderen Syndesmosenblattes mit einem anatomisch verlaufenden Fadenanker im Vergleich zur extraanatomischen Stellschraube physiologischer wiederhergestellt.

Danken möchte ich dem Team aus dem „Bonelab“, allen voran Klinikdirektor Univ.-Prof. Dr. Michael Raschke, Arbeitsgruppenleiterin Prof. Dr. Sabine Ochman, Ingenieur Jens Wermers sowie der Doktorandin Stella Gartung, da ein solches Projekt stets eine Teamleistung darstellt und eine Auszeichnung allenfalls stellvertretend für das Team entgegengenommen werden kann.

Versuchsaufbau mit 6 Achsen-Industrieroboter (Fa. Kuka, simVitro Software), optischem Messsystem (Fa. GOM GmbH) sowie Röntgenquelle

Anatomisches Präparat mit optischen Markern zur Messung der Bewegung zwischen Fibula sowie in Rot umkreist die fibulotibiale Stellschraube sowie die Fadenankeraugmentation des vorderen Syndesmosenblattes

Entwicklung eines intraoperativen Syndesmosen-Test-Tools zur Objektivierung einer Syndesmosenbeteiligung bei instabilen Sprunggelenksverletzung

Abschlussbericht zum Nachwuchspreis der AO Trauma Deutschland

Dr. med. Felix Kohler
Universitätsklinikum Jena

Bei der Behandlung von Sprunggelenksfrakturen stellt sich häufig die Frage nach der Beteiligung des Syndesmosenkomplexes und ob man eine entsprechende Verletzung chirurgisch adressieren sollte. Bisher gibt es keine standardisierte Methode, um Syndesmosenverletzungen sicher detektieren zu können. Vor allem bleibt unklar, ob eine inkomplette Verletzung auch eine relevante Instabilität verursacht, die chirurgisch stabilisiert werden sollte. Die klinische Untersuchung, präoperative Bildgebung und intraoperative Verfahren wie Stresstests können wichtige Hinweise auf Verletzungen und Instabilitäten geben. Untersuchungen konnten allerdings zeigen, dass intraoperativ angewandte Stresstests, wie beispielsweise der Hook-Test (HT) (engl. lateral stress test) unzureichende Ergebnisse erzielen. Eine standardisierte sichere intraoperative Methode zur Beurteilung der Stabilität des oberen Sprunggelenkes wäre, insbesondere im Hinblick auf grenzwertige Frakturen der distalen Fibula auf Syndesmosenhöhe wünschenswert, um unnötige zusätzliche Maßnahmen wie die Implantation von Stellschrauben zu vermeiden.

Gefördert durch die AO Trauma Deutschland wurde ein intraoperatives Syndesmosen-Test-Tool (STT) gemeinsam mit der Forschungswerkstatt des Universitätsklinikums Jena entwickelt, um die intraoperative Beurteilung der Integrität des Syndesmosenkomplexes zu verbessern (Abbildung 1). Um die Validität des STT mit einem etablierten intraoperativen Hook Test (HT) zu vergleichen, wurde an Kadaver Unterschenkel Paaren (n=10) Tests unter standardisierten Laborbedingungen durchgeführt und die Diastase mittels 3D-Kamera dargestellt. Die Tests wurden mit 50, 80 und 100 N sowohl mit dem klassischen HT in 90° Grad Richtung zum Unterschenkel als auch mit dem STT, welches in einem 45° Winkel oberhalb der Syndesmosenebene zwischen Fibula und Tibia eingebracht wird, durchgeführt. Beide Tests wurden im intakten Zustand und vier Destabilisierungsschritten angewandt, wobei hier der Syndesmosenkomplex schrittweise durchtrennt wurde.

Die Ergebnisse zeigen, dass es beim HT einen signifikanten Effekt hat mit welcher Kraft gezogen wird. Beim SST hingegen gab es keinen signifikanten Unterschied, ob mit 50, 80 oder 100 N getestet wurde. Die mit dem SST gemessene Diastase nahm je nach Instabilität von 0,5 bis 3,0 mm zu, während die Spanne mit dem HT geringer war (1,1 bis 2,3 mm). Die Ergebnisse zeigten, dass die Differenzierung zwischen den Instabilitätsgraden mit dem entwickelten SST statistisch signifikant besser war. Das letzte Niveau der maximalen Instabilität war mit dem STT signifikant besser differenzierbar als mit der HT. Nur bei der maximalen Instabilität konnte eine durchschnittlich sichtbare Diastase von mehr als 2 mm erreicht werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch das STT eine neue standardisierte Methode für einen intraoperativen Stress-Test der Syndesmosenstabilität entwickelt wurde. Hier liegt ein großer Vorteil gegenüber dem inter-individuell sehr unterschiedlichen HT. Die zuverlässige visuelle Erkennung einer unvollständigen Syndesmoseverletzung, selbst bei höheren Verletzungsgraden und selbst mit einem standardisierten Verfahren, ist kaum möglich. Entscheidend für die Zunahme der Diastase ist, ob alle Bänder verletzt sind und somit eine maximale Instabilität vorliegt (3 Bandstrukturen des Syndesmosenkomplexes + Delta-Band). Die Zunahme der Diastase von Instabilitätsgrad 4 auf 5 ist sehr auffällig (Abbildung 2). Um diese maximale Instabilität zu differenzieren, war das STT dem HT überlegen (Abbildung 2). Ein Grund könnte die unterschiedliche Krafteinleitung der beiden Methoden sein (Abbildung 1). Das schräge Einsetzen des SST (ca. 45°) zwischen Fibula und Tibia könnte vorteilhaft sein. Hierbei wird nicht nur die koronare, sondern auch die sagittale Translation berücksichtigt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Entscheidung zur Stabilisierung der Syndesmose nicht allein auf der Basis des intraoperativen Stresstests getroffen werden sollte. Die Richtung der Krafteinleitung scheint eine nicht zu unterschätzende Rolle auf die Diastase zu spielen und sollte in Zukunft genauer untersucht werden.

Die beschriebene Studie wurde am 10.01.2024 bei Scientific Reports zur Veröffentlichung angenommen.

Wir danken der AO Trauma Deutschland sehr für die Unterstützung der Realisierung des Projektes.

Abbildung 1: Gezeigt wird die Anwendung des Syndesmosen-Test-Tools (STT). Im Gegensatz zum Hook Test (HT), bei dem mit einem Haken in einem 90°-Winkel am Unterschenkel gezogen wird, wird mit dem Syndesmosen-Test-Tool eine Kraft in einem Winkel von ca. 45° aufgebracht. Modifiziert nach Kohler et al. „Standardized analysis of syndesmosis stability in ankle trauma with an innovative Syndesmosis-Test-Tool - a biomechanical study“ Scientific Reports, accepted 10.01.2024.

Abbildung 2: Grad der Instabilität (Nativ bis Grad 4) und angewandte Kräfte mit der entsprechenden Diastase (mm) in A) für den Hook Test (HT) und in B) für das Syndesmosen-Test-Tool (STT). Durchgehende horizontale Linie: Instabilitätsschwelle von 2 mm. Die Diastasen sind als Mittelwert ± 0,95 Konfidenzintervall als Fehlerbalken angegeben (n=20). Stichproben mit nicht überlappenden Fehlerbalken unterscheiden sich signifikant, mit p≤0,05. Modifiziert nach Kohler et al. „Standardized analysis of syndesmosis stability in ankle trauma with an innovative Syndesmosis-Test-Tool - a biomechanical study“. Scientific Reports. accepted 10.01.2024.

Einleitung

Hintergrund der longitudinalen Beobachtungsstudie war die Erhebung von Baseline-Daten zur Entwicklung der mechanischen, funktionellen und subjektiven Sprunggelenk-Instabilität nach einem primären, relevanten Sprunggelenk-Distorsionstrauma. Aus diesen Daten sollte einerseits abgeleitet werden, ob die entwickelte Methodik der Arbeitsgruppe im Alltag einsetzbar ist und andererseits, ob auf der Grundlage dieser Daten eine multizentrische, randomisiert-kontrollierte Studie zur Intervention bei mechanischer Sprunggelenk-Instabilität entworfen und kalkuliert werden kann.

Methodik
Wir führten zu den Zeitpunkten fünf Tage, sowie vier, acht und zwölf Wochen und nach 26 und 52 Monaten nach einem initialen Distorsionsereignis mit mutmaßlicher struktureller Verletzung des lateralen Bandapparates eine progredient aufgebaute Testbatterie durch. Diese beinhaltete eine Ganganalyse, Stabilometrie, isokinetische Kraftmessung der Pro-/Supination, Sprungtestung, Stress-Sonographie, 3SAM (3-dimensionale Sprunggelenk-Arthrometrie im MRT) sowie PROMs durch.

Ergebnisse (Auswahl)
N=45 Patienten konnten erfolgreich eingeschlossen werden, von welchen n=41 bis zum finalen Follow-Up nach 52 Monaten erhalten blieben. Es zeigte sich u.a. eine hohe Korrelation zwischen der mechanischen Instabilität (3SAM) nach 3 Monaten und der mechanischen Instabilität nach 12 Monaten. Eine vergleichbare Darstellung in der Stress-Sonographie zeigte sich nicht. Die funktionellen Defizite beispielsweise in der Ganganalyse und der Stabilometrie zeigten Seitenunterschiede bis zur Messung nach 3 Monaten. Die folgenden Abbildungen geben einen ersten Überblick zu den Ergebnissen.