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Additive manufacturing of scaffolds with sub-micron filaments via melt electrospinning writing
(2015)
The aim of this study was to explore the lower resolution limits of an electrohydrodynamic process combined with direct writing technology of polymer melts. Termed melt electrospinning writing, filaments are deposited layer-by-layer to produce discrete three-dimensional scaffolds for in vitro research. Through optimization of the parameters (flow rate, spinneret diameter, voltage, collector distance) for poly-ϵ-caprolactone, we could direct-write coherent scaffolds with ultrafine filaments, the smallest being 817 ± 165 nm. These low diameter filaments were deposited to form box-structures with a periodicity of 100.6 ± 5.1 μm and a height of 80 μm (50 stacked filaments; 100 overlap at intersections). We also observed oriented crystalline regions within such ultrafine filaments after annealing at 55 °C. The scaffolds were printed upon NCO-sP(EO-stat-PO)-coated glass slide surfaces and withstood frequent liquid exchanges with negligible scaffold detachment for at least 10 days in vitro.
Die Möglichkeiten der operativen Rekonstruktion degenerativ veränderter Hüftgelenke sind komplex und vielfältig. Bei den derzeit zur Verfügung stehenden operativen Behandlungsmassnahmen führen die Vor- und Nachteile immer wieder zur Diskussionen und Abwägung der Operationsverfahren. Hierbei stehen sich die rasche postoperative Mobilisierung sowie eine verminderte Rekonvaleszenzzeit mit den diskutierten Nachteilen einer schlechteren Übersichtlichkeit und damit verbundenen Fehlimplantationen gegenüber. Dies und die damit verbundene volkswirtschaftliche Bedeutung sind ein ständiger Ausgangspunkt für das Bemühen den optimalen Zugangsweg zu etablieren. Daher stellte das von Smith-Peterson 1949 publizierte Verfahren einen Meilenstein in der operativen Therapie dar. Hierdurch konnten zum einen die operationstechnischen Vorteile wie auch das volkswirtschaftliche Begehren nach kürzeren postoperativen Verweildauern vereint werden. Die Modifizierung dieses Zugangsweges hat sich bereits in einer großen Anzahl prospektiver Studien als zuverlässiges Rekonstruktionsverfahren etabliert und erfüllt zudem auch die Anforderungen der heutigen Medizin nach ästhetisch schönen Ergebnissen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine prospektive Fallstudie des direkten anterioren Zugangs mit einem gesunden Vergleichskollektiv durchgeführt. Mit dem Ziel, die Aktivität ein Jahr postoperativ nach Implantation einer HTEP mit gesunden Probanden zu vergleichen. Von Januar 2009 bis Mai 2011 wurden insgesamt 77 Patienten und 59 Probanden in die Studie aufgenommen. Als Vergleichswerte wurde zum einen die klinische wie auch die radiologische Untersuchung herangezogen. In der klinischen Untersuchung zeigte sich insgesamt ein signifikanter Anstieg der untersuchten Scores im Vergleich mit den präoperativen Ergebnissen bei den Operierten. Im Vergleich zu den Probanden erzielen die Patienten ein Jahr nach HTEP teilweise noch schlechtere Werte in dem Bewegungsumfang und den Aktivitätsniveaus welche mittels der Auswertung des Stepwatches, des TWB und des Arzt-Patienten-Fragebogens erhoben wurden. Die radiologische Bewertung diente zur Feststellung der Positionierung der HTEP. Mit guten Positionierungen durch den direkten anterioren Zugang. Die Bewertung der Funktionalität zwischen den beiden Gruppen erfolgte durch den HHS, XSFMA- D und den Arzt-Patientenfragenbogen. Hierbei konnten ähnliche Ergebnisse, wie bereits oben beschrieben, verzeichnet werden mit guten Werten in der Gruppe der untersuchten Patienten, jedoch einer geringeren Funktionalität im Vergleich zu den Probanden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der direkte anteriore Zugang die Wiederherstellung eines guten postoperativen Gesundheitszustandes mit erreichen eines hohen postoperativen Aktivitätslevels der Patienten ermöglicht. Ebenso erfüllt dieser Zugangsweg die Anforderungen der heutigen Medizin im Sinne einer schnellen postoperativen Mobilisation. Im Vergleich zu anderen minimal-invasiven Verfahren zeigen sich eine gute Implantierbarkeit, eine gute Positionierung und ein niedriges Komplikationsniveau. Prinzipiell hat der minimal-invasive anteriore Zugang das Potenzial sich als ein Standardverfahren in der operativen Rekonstruktion bei Hüftgelenksersatz zu etablieren, jedoch wäre ein direkter Vergleich mit dem lateralen Zugang erstrebenswert und sollte in weiteren Studien verglichen werden.
Bone metastasis is a frequent and life-threatening complication of breast cancer. The molecular mechanisms supporting the establishment of breast cancer cells in the skeleton are still not fully understood, which may be attributed to the lack of suitable models that interrogate interactions between human breast cancer cells and the bone microenvironment. Although it is well-known that integrins mediate adhesion of malignant cells to bone extracellular matrix, their role during bone colonization remains unclear. Here, the role of β1 integrins in bone colonization was investigated using tissue-engineered humanized in vitro and in vivo bone models. In vitro, bone-metastatic breast cancer cells with suppressed integrin β1 expression showed reduced attachment, spreading, and migration within human bone matrix compared to control cells. Cell proliferation in vitro was not affected by β1 integrin knockdown, yet tumor growth in vivo within humanized bone microenvironments was significantly inhibited upon β1 integrin suppression, as revealed by quantitative in/ex vivo fluorescence imaging and histological analysis. Tumor cells invaded bone marrow spaces in the humanized bone and formed osteolytic lesions; osteoclastic bone resorption was, however, not reduced by β1 integrin knockdown. Taken together, we demonstrate that β1 integrins have a pivotal role in bone colonization using unique tissue-engineered humanized bone models.
The role of serum amyloid A (SAA) proteins, which are ligands for toll-like receptors, was analyzed in human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs) and their osteogenic offspring with a focus on senescence, differentiation andmineralization. In vitro aged hMSC developed a senescence-associated secretory phenotype (SASP), resulting in enhanced SAA1/2, TLR2/4 and proinflammatory cytokine (IL6, IL8, IL1\(\beta\), CXCL1, CXCL2) expression before entering replicative senescence. Recombinant human SAA1 (rhSAA1) induced SASP-related genes and proteins in MSC, which could be abolished by cotreatment with the TLR4-inhibitor CLI-095. The same pattern of SASP-resembling genes was stimulated upon induction of osteogenic differentiation, which is accompanied by autocrine SAA1/2 expression. In this context additional rhSAA1 enhanced the SASP-like phenotype, accelerated the proinflammatory phase of osteogenic differentiation and enhanced mineralization. Autocrine/paracrine and rhSAA1 via TLR4 stimulate a proinflammatory phenotype that is both part of the early phase of osteogenic differentiation and the development of senescence. This signaling cascade is tightly involved in bone formation and mineralization, but may also propagate pathological extraosseous calcification conditions such as calcifying inflammation and atherosclerosis.
Fracture healing is impaired in aged and osteoporotic individuals. Because adequate mechanical stimuli are able to increase bone formation, one therapeutical approach to treat poorly healing fractures could be the application of whole-body vibration, including low-magnitude high-frequency vibration (LMHFV). We investigated the effects of LMHFV on fracture healing in aged osteoporotic mice. Female C57BL/6NCrl mice (n=96) were either ovariectomised (OVX) or sham operated (non-OVX) at age 41 weeks. When aged to 49 weeks, all mice received a femur osteotomy that was stabilised using an external fixator. The mice received whole-body vibrations (20 minutes/day) with 0.3 g peak-to-peak acceleration and a frequency of 45 Hz. After 10 and 21 days, the osteotomised femurs and intact bones (contra-lateral femurs, lumbar spine) were evaluated using bending-testing, micro-computed tomography (mu CT), histology and gene expression analyses. LMHFV disturbed fracture healing in aged non-OVX mice, with significantly reduced flexural rigidity (-81%) and bone formation (-80%) in the callus. Gene expression analyses demonstrated increased oestrogen receptor β (ERβ, encoded by Esr2) and Sost expression in the callus of the vibrated animals, but decreased β-catenin, suggesting that ERβ might mediate these negative effects through inhibition of osteoanabolic Wnt/β-catenin signalling. In contrast, in OVX mice, LMHFV significantly improved callus properties, with increased flexural rigidity (+ 1398%) and bone formation (+637%), which could be abolished by subcutaneous oestrogen application (0.025 mg oestrogen administered in a 90-day-release pellet). On a molecular level, we found an upregulation of ER alpha in the callus of the vibrated OVX mice, whereas ERβ was unaffected, indicating that ERa might mediate the osteoanabolic response. Our results indicate a major role for oestrogen in the mechanostimulation of fracture healing and imply that LMHFV might only be safe and effective in confined target populations.
Einleitung
Fokale Gelenkknorpeldefekte treten in der Deutschen Bevölkerung mit einer geschätzten Inzidenz von über 300 000 jährlichen Fällen auf. In der US-amerikanischen Bevölkerung wird jährlich von über 600 000 Fällen ausgegangen. Aufgrund der Insuffizienz körpereigener Heilungskapazitäten und verfügbarer Therapieverfahren, schreitet die Erkrankung regelhaft zur post-traumatischen Arthrose fort. Neben der individuellen Lebensqualitätseinschränkung besteht eine sozioökonomische Bedeutung mit geschätzten Krankheitskosten von jährlich über 10 Milliarden US Dollar in den Vereinigten Staaten.
Das Versagen zellbasierter Therapieverfahren beruht unter anderem auf einer Insuffizienz der chondrogenen Differenzierung, sowie der hypertrophen Differenzierung der Chondrozyten mit nachfolgender Osteogenese analog den Vorgängen in der Wachstumsfuge. Für die Induktion der chondrogenen Differenzierung stehen insbesondere Mitglieder der TGF-β Superfamilie, wie BMP-2, zur Verfügung. Diese sind jedoch ebenso durch eine Induktion der hypertrophen Differenzierung gekennzeichnet. Zur Induktion der Chondrogenese unter Umgehung der TGF-β-Signalwege wurde IHH in-vitro als vielversprechend beschrieben. Bislang besteht jedoch kein Nachweis der in-vivo Effektivität von IHH zur Knorpelreparation.
Die Schaffung eines Wachstumsfaktor-Milieus in der Gelenkknorpelläsion in-vivo stellt ebenso eine Herausforderung dar. Diesbezüglich wurde ein vereinfachtes Verfahren zum lokalisierten in-vivo Gentransfer mittels adenoviraler Vektoren und autologen Knochenmarkskoagulaten anhand von Markergenen beschrieben. Die Effektivität jenes Verfahrens zur in-vivo Knorpelreparation wurde noch nicht gezeigt.
Zweck dieses kontrollierten in-vivo Experimentes ist es, mittels des oben genannten Gentransferverfahrens die Wirksamkeit von BMP-2 und IHH zur Reparation von osteochondralen Defekten in New Zealand White Rabbits nachzuweisen. Die zentrale Hypothese lautete, dass BMP2 beziehungsweise IHH Gentransfer in einer höheren langzeit-histologischen Qualität des Reparationsgewebes resultiert. Explorativ sollten dabei Unterschiede in den einzelnen Dimensionen der Gewebequalität anhand des ICRS-II Histology Scoring Systems, sowie der Grad der Typ I (als Faserknorpelmarker), Typ II (als Marker hyalinen Gelenkknorpels) und Typ X Kollagen Deposition (als Marker hypertropher Chondrozyten) beschrieben werden.
Material und Methoden
Als Tiermodel wurden bilaterale 3,2 mm durchmessende osteochondrale Bohrlochdefekte in der Trochlea von New Zealand White Rabbits verwendet (n=10 unabhängige Tiere, 20 Gelenke). Die Defekte wurden mit autologen Knochenmarkkoageln gefüllt, die nach vorheriger Beckenkammaspiration gewonnen wurden. In den experimentellen Gruppen wurden die Knochenmarkkoagel beladen mit jeweils 1 x 1011 infektiösen Partikeln adenoviraler Vektoren, die cDNA codierend für BMP2 (n=3 Tiere, entsprechend 6 Gelenken) oder IHH (n=4; 8) enthielten. In der Kontrollgruppe wurde das nicht-chondrogene Markergen GFP (n=3; 6) transferiert. Beide Gelenke eines Tieres wurden der gleichen Gruppe zugeordnet. Die histologische Gewebequalität wurde nach 13 Wochen anhand des ICRS-II Scoringsystems durch 3 unabhängige, verblindete Untersucher bewertet. Als primäre Outcomes wurden der ICRS-II Parameter „Generelles Assessment“, sowie die Typ II Kollagen positive Fläche designiert. Als explorative Outcomes wurden die verbleibenden ICRS-II Parameter, sowie die Typ I und Typ X Kollagen Deposition bewertet. Die Korrelation zwischen den Untersuchern wurde nach Pearson ermittelt. Zum Test auf Signifikanz der Gruppenunterschiede wurde ein lineares gemischtes Modell verwendet, welches einer mögliche Abhängigkeit beider Gelenke eines Tieres Rechnung trägt.
Ergebnisse
Qualitative Bewertung des Reparationsknorpels. Dreizehn Wochen nach der Intervention zeigten die meisten der BMP-2 behandelten Gelenke (4 von 6) und alle der IHH behandelten Gelenke (8 von 8) hyalin-artigen Reparationsknorpel, während alle GFP behandelten Kontrollgelenke (6 von 6) faserknorpel-artiges Reparationsgewebe zeigten. Zwei BMP-2 behandelten Gelenke zeigten eine ausgeprägte intraläsionale Knochenformation.
Primäre Outcomes - ICRS-II „Generelles Assessment“ und Typ II Kollagen positive Fläche. IHH und BMP-2 behandelte Gelenke zeigten im Vergleich zu GFP höhere Punktzahlen in dem ICRS-II „Generelles Assessment“ Parameter: +33.0 (95% Konfidenzintervall: -0.4, +66.4) Punkte für IHH und +8.5 (-26.6, +43.7) Punkte für BMP-2. Beide Effekte erreichten nicht das Level statistischer Signifikanz (p=0.052 und 0.537). IHH erhöhte die Typ II Kollagen Deposition in der Defektregion, während BMP-2 Gelenke keinen Unterschied zu GFP Kontrollen zeigten: +18.7 (-4.5, +42.0) Punkte für IHH und +0.0 (-29.7, +29.8) Punkte für BMP-2. Die erhöhte Typ II Kollagendeposition erreichte nicht das konventionelle Level statistischer Signifikanz (p=0.093).
Sekundäre Outcomes - ICRS-II Parameter. In dem Vergleich von BMP-2 mit GFP Kontrollen wurde in keinem der 12 untersuchten Parameter ein signifikanter Unterschied festgestellt. IHH Gentransfer resultierte hingegen in höheren Punktzahlen in allen untersuchten Parametern, wobei der Unterschied in 5 der 12 Parameter das Niveau statistischer Signifikanz erreichte. Ein um 21.5 Punkte (+3.6, +39.4) erhöhter Score wurde für den Parameter „Gewebemorphologie“ beobachtet, sowie +21.0 (+6.4, +35.7) für „Chondrozytäres Clustering“, +31.2 (+0.8, +61.5) für „Formation der Tidemark“, +17.3 (+0.2, +34.5) für „Abnorme Kalzifikation/Ossifikation“ und +35.0 (+4.6, +65.2) für das „Assessment der mittleren und tiefen Zone“.
Sekundäre Outcomes - Marker chondrozytärer Hypertrophie. Eine perizelluläre Deposition von Typ X Kollagen wurde in allen Gruppen beobachtet. Eine deutlich gesteigerte Deposition wurde nur in den Gelenken beobachtet, die nach BMP2 Gentransfer eine ausgeprägte intraläsionale Knochenformation zeigten.
Diskussion
Das hier beschriebene Experiment stellt die erste Veröffentlichung der Wirksamkeit von IHH zur Verbesserung der histologischen Knorpelqualität von in-vivo therapierten Gelenkknorpeldefekten dar [175]. Die Hypothese, dass IHH zu einer verbesserten histologischen Knorpelqualität führt wurde bestätigt, während die Hypothese zu den positiven Effekten von BMP-2 wiederlegt wurde. IHH führte zu besseren Ergebnissen in allen Untersuchten Parametern, das Niveau statistischer Signifikanz wurde dabei in den Parametern „Gewebemorphologie“, „Chondrozytäres Clustering“, „Formation der Tidemark“, „Abnorme Kalzifikation/Ossifikation“ und „Assessment der mittleren und tiefen Zone“ erreicht. Das primäre Ziel dieses Experimentes war es, den „Proof of concept“ zu liefern, dass IHH auch in-vivo ein attraktiver Faktor für die Induktion der Chondrogenese darstellt. Das langfristige Ziel ist die Induktion der Chondrogenese unter Umgehung des TGF-β Signalweges zu erzielen, um eine folgende hypertrophe Differenzierung der Chondrozyten und die folgende Ossifikation des reparierten Defektes zu verhindern.
Die Limitationen der Studie umfassen die ausschließlich histologische und immunhistochemische durchgeführte Bewertung der Knorpelqualität und eine eingeschränkte statistische Power. Ob IHH es vermag die hypertrophe Differenzierung zu umgehen und somit eine langfristige hyaline Knorpelreparation zu ermöglichen, ist in weiteren präklinischen Studien mit biochemischer und molekulargenetischer Analyse der Hypertrophie-Marker zu untersuchen. In Bezug auf den klinischen Einsatz zur Knorpelreparation erscheint der Einsatz der Wachstumsfaktoren als Protein auf funktionalisierten Matrices vielversprechend.
BMP-2 wird aufgrund der hier beobachteten intraläsionalen Knochenformation nach BMP2 Gentransfer als nicht geeignet zur Unterstützung der Knorpelreparation in-vivo bewertet.
Regulating and reverting the adipo-osteogenic lineage decision of trabecular human bone marrow stromal cells (hBMSCs) represents a promising approach for osteoporosis therapy and prevention. Fibroblast growth factor 1 (FGF1) and its subfamily member FGF2 were scored as lead candidates to exercise control over lineage switching processes (conversion) in favor of osteogenesis previously. However, their impact on differentiation events is controversially discussed in literature. Hence, the present study aimed to investigate the effects of these FGFs on the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion of primary hBMSCs. Moreover, involved downstream signaling mechanisms should be elucidated and, finally, the results should be evaluated with regard to the possible therapeutic approach.
This study clearly revealed that culture in the presence of FGF1 strongly prevented the adipogenic differentiation of hBMSCs as well as the adipogenic conversion of pre-differentiated osteoblastic cells. Lipid droplet formation was completely inhibited by a concentration of 25 ng/µL. Meanwhile, the expression of genetic markers for adipogenic initiation, peroxisome proliferator-activated receptor gamma 2 (PPARg2) and CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPa), as well as subsequent adipocyte maturation, fatty acid binding protein 4 (FABP4) and lipoprotein lipase (LPL), were significantly downregulated. Yet, the genetic markers of osteogenic commitment and differentiation were not upregulated during adipogenic differentiation and conversion under FGF supplementation, not supporting an event of osteogenic lineage switching.
Moreover, when examining the effects on the osteogenic differentiation of hBMSCs and the osteogenic conversion of pre-differentiated adipocytic cells, culture in the presence of FGF1 markedly decreased extracellular matrix (ECM) mineralization. Additionally, the gene expression of the osteogenic marker alkaline phosphatase (ALP) was significantly reduced and ALP enzyme activity was decreased. Furthermore, genetic markers of osteogenic commitment, like the master regulator runt-related transcription factor 2 (RUNX2) and bone morphogenetic protein 4 (BMP4), as well as markers of osteogenic differentiation and ECM formation, like collagen 1 A1 (COL1A1) and integrin-binding sialoprotein (IBSP), were downregulated. In contrast, genes known to inhibit ECM mineralization, like ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator (ANKH) and osteopontin (OPN), were upregulated. ANKH inhibition revealed that its transcriptional elevation was not crucial for the reduced matrix mineralization, perhaps due to decreased expression of ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1 (ENPP1) that likely annulled ANKH upregulation. Like FGF1, also the culture in the presence of FGF2 displayed a marked anti-adipogenic and anti-osteogenic effect.
The FGF receptor 1 (FGFR1) was found to be crucial for mediating the described FGF effects in adipogenic and osteogenic differentiation and conversion. Yet, adipogenic conversion displayed a lower involvement of the FGFR1. For adipogenic differentiation and osteogenic differentiation/conversion, downstream signal transduction involved the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2) and the mitogen-activated protein kinase (MAPK)/ERK kinases 1 and 2 (MEK1/2), probably via the phosphorylation of FGFR docking protein FGFR substrate 2a (FRS2a) and its effector Ras/MAPK. The c-Jun N-terminal kinase (JNK), p38-MAPK, and protein kinase C (PKC) were not crucial for the signal transduction, yet were in part responsible for the rate of adipogenic and/or osteogenic differentiation itself, in line with current literature.
Taken together, to the best of our knowledge, our study was the first to describe the strong impact of FGF1 and FGF2 on both the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion processes of primary hBMSCs in parallel. It clearly revealed that although both FGFs were not able to promote the differentiation and lineage switching towards the osteogenic fate, they strongly prevented adipogenic differentiation and lineage switching, which seem to be elevated during osteoporosis. Our findings indicate that FGF1 and FGF2 entrapped hBMSCs in a pre-committed state. In conclusion, these agents could be applied to potently prevent unwanted adipogenesis in vitro. Moreover, our results might aid in unraveling a pharmacological control point to eliminate the increased adipogenic differentiation and conversion as potential cause of adipose tissue accumulation and decreased osteoblastogenesis in bone marrow during aging and especially in osteoporosis.
Die periprothetische Infektion nach endoprothetischen Operationen in der Orthopädie ist eine dramatische Komplikation, die nicht nur die Gesundheit des Patienten in hohem Maße kompromitiert und gefährdet, sondern auch in ökonomischer Hinsicht ein enormes Problem darstellt.
Zahlreiche prophylaktische Maßnahmen, wie z.B. aseptische Techniken, präoperative Hautantiseptik und perioperative Antibiotikaprophylaxe tragen zur postoperativen Infektionsreduktion bei. Die Infektionsraten bewegen sich aber weiterhin zwischen 0,3% und 4,97%, je nach Implantatlokalisation. Hinzu kommt das Auftreten multiresistenter Erreger, die eine erfolgreiche Behandlung mit Antibiotika stark erschweren oder sogar unmöglich machen. Weltweit
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zeichnet sich ein drastischer Anstieg von resistenten Erregern ab, die in Zukunft bisher wirksame Antibiotika womöglich gänzlich nutzlos werden lassen könnten.
In Hinsicht auf amerikanische Studien, die den Bedarf an orthopädischer Endoprothetik hochgerechnet haben, ist bis 2030 allein in den USA eine nahezu Versiebenfachung von totaler Knieendoprothetik zu erwarten. Dies würde die Infektionsproblematik enorm verschärfen, wenn bis dahin keine neuen, wirksameren Prophylaxemaßnahmen zum Einsatz kämen.
Es ist dringend notwendig alternative Substanzen zu erforschen, die vor allem bei aseptischen Operationen gute Wirksamkeit und Verträglichkeit vereinen, ohne Resistenzen zu fördern und somit postoperative Infektionen weiter zu senken oder zu verhindern. Studien mit Antiseptika, wie PVP-Iod, konnten bereits positive Ergebnisse liefern, die ein Lichtblick in der vorliegenden Problematik darstellen. Der Mangel an relevanten, hochwertigen Studien auf diesem Themengebiet lassen eine allgemeingültige klinische Empfehlung allerdings nur mit Vorsicht zu. Die intraoperative Wundspülung mit PVP-Iod als 0,35%ige Lösung und anschließendem Nachspülen mit steriler physiologischer Kochsalzlösung, kann zumindest bei Wirbelsäulenoperationen mit Instrumentierung als sinnvolle Infektionsprophylaxe angesehen werden. Die Resultate dieser Übersichtsarbeit rechtfertigen zudem weitere hochwertige Studien mit PVP-Iod, die nötig sind, um die bisherigen positiven Ergebnisse zu verifizieren und die letztendlich zu einer medizinischen Evidenz für endoprothetische Operationen in der Orthopädie führen könnten. Aber auch alternative Antiseptika sollten weiter erforscht werden, um bei speziellen Problematiken auf möglichst viele Alternativen zurückgreifen zu können.
Fracture healing is impaired in aged and osteoporotic individuals. Because adequate mechanical stimuli are able to increase bone formation, one therapeutical approach to treat poorly healing fractures could be the application of whole-body vibration, including low-magnitude high-frequency vibration (LMHFV). We investigated the effects of LMHFV on fracture healing in aged osteoporotic mice. Female C57BL/6NCrl mice (n=96) were either ovariectomised (OVX) or sham operated (non-OVX) at age 41 weeks. When aged to 49 weeks, all mice received a femur osteotomy that was stabilised using an external fixator. The mice received whole-body vibrations (20 minutes/day) with 0.3 G: peak-to-peak acceleration and a frequency of 45 Hz. After 10 and 21 days, the osteotomised femurs and intact bones (contra-lateral femurs, lumbar spine) were evaluated using bending-testing, micro-computed tomography (μCT), histology and gene expression analyses. LMHFV disturbed fracture healing in aged non-OVX mice, with significantly reduced flexural rigidity (-81%) and bone formation (-80%) in the callus. Gene expression analyses demonstrated increased oestrogen receptor β (ERβ, encoded by Esr2) and Sost expression in the callus of the vibrated animals, but decreased β-catenin, suggesting that ERβ might mediate these negative effects through inhibition of osteoanabolic Wnt/β-catenin signalling. In contrast, in OVX mice, LMHFV significantly improved callus properties, with increased flexural rigidity (+1398%) and bone formation (+637%), which could be abolished by subcutaneous oestrogen application (0.025 mg oestrogen administered in a 90-day-release pellet). On a molecular level, we found an upregulation of ERα in the callus of the vibrated OVX mice, whereas ERβ was unaffected, indicating that ERα might mediate the osteoanabolic response. Our results indicate a major role for oestrogen in the mechanostimulation of fracture healing and imply that LMHFV might only be safe and effective in confined target populations.
Juvenile Dermatomyositis (JDM) is a rare autoimmune disease in children and adolescents. In these patients calcinosis might be the most characteristic symptom. However there are only few reported cases of intramuscular calcinosis in Dermatomyositis. We report a case of calcinosis universalis (CU) of the elbow in JDM successfully treated with broaching. The patient, a 24-year-old woman, suffered from a long history of JDM. On examination she presented with a fistula lateral to the olecranon and pain of the right elbow joint. Plain X-rays displayed a diffuse pattern of multiple periarticular, subcutaneous, and intramuscular calcifications. The patient underwent surgery for histological and microbiological sampling as well as broaching. Intraoperatively sinus formation and subfascial hard calcium deposition were found. Due to the risk of collateral tissue damage, incomplete broaching was performed. A local infection with Staphylococcus was diagnosed and treated with antibiotics. On six-week and 30-month follow-up the patient was free of pain and had very good function. Calcifications on standard radiographs had almost resolved entirely. This case report gives a summary on calcinosis in Dermatomyositis and adds a new case of recalcitrant CU to the literature. Broaching surgery proved to be a reliable treatment option in symptomatic calcinosis.
There is a variation of the total number of distinct bones in the human in the literature. This difference is mainly caused by the variable existence of sesamoid bones. Sesamoid bones at the first MTP are seen regularly. In contrast additional sesamoid bones at the divond to fifth MTP are rare. We report a case of additional sesamoid bones at every metatarsophalangeal joint (MTP) of both feet.
A 22-year-old female Caucasian presented with weight-dependent pain of the divond MTP of the left foot. In the radiographs of both feet additional sesamoid bones at every MTP could be seen. This case reports a very rare variation in human anatomy. A similar case has not been displayed to the academic society and therefore should be acknowledged.
Introduction
The bursa subacromialis (BS) provides the gliding mechanism of the shoulder and regenerates itself after surgical removal. Therefore, we explored the presence of mesenchymal stem cells (MSCs) within the human adult BS tissue and characterized the BS cells compared to MSCs from bone marrow (BMSCs) on a molecular level.
Methods
BS cells were isolated by collagenase digest from BS tissues derived from patients with degenerative rotator cuff tears, and BMSCs were recovered by adherent culture from bone-marrow of patients with osteoarthritis of the hip. BS cells and BMSCs were compared upon their potential to proliferate and differentiate along chondrogenic, osteogenic and adipogenic lineages under specific culture conditions. Expression profiles of markers associated with mesenchymal phenotypes were comparatively evaluated by flow cytometry, immunohistochemistry, and whole genome array analyses.
Results
BS cells and BMSCs appeared mainly fibroblastic and revealed almost similar surface antigen expression profiles, which was \(CD44^+, CD73^+, CD90^+, CD105^+, CD106^+\),\(STRO-1^+, CD14^−, CD31^−, CD34^− ,
CD45^−, CD144^−\). Array analyses revealed 1969 genes upregulated and 1184 genes downregulated in BS cells vs. BMSCs, indicating a high level of transcriptome similarity. After 3 weeks of differentiation culture, BS cells and BMSCs showed a similar strong chondrogenic, adipogenic and osteogenic potential, as shown by histological, immunohistochemical and RT-PCR analyses in contrast to the respective negative controls.
Conclusions
Our in vitro characterizations show that BS cells fulfill all characteristics of mesenchymal stem cells, and therefore merit further attention for the development of improved therapies for various shoulder pathologies.
Die patellofemorale Instabilität bzw. die Patellaluxation hat eine Inzidenz von 7 - 49 pro
100.000 Einwohner und verursacht 2-3% aller Knieverletzungen. Über 10% der
muskuloskelettalen Symptome werden durch die patellofemorale Instabilität verursacht.
Die Ätiologie der Patellaluxation ist stets multifaktoriell, als Risikofaktoren gelten
jedoch die Trochleadysplasie, ein erhöhter Patellatilt, die Patella alta, ein erhöhter TTTG-
Abstand und die Beschaffenheit des Ligamentum patellofemorale mediale.
Zur Therapie eignen sich je nach individueller Symptomatik und Risikofaktoren sowohl
konservative als auch operative Maßnahmen. In den letzten Jahren
wurden zahlreiche Operationsmethoden und -techniken mit unterschiedlichem Ansatz
und Erfolg beschrieben.
Bei der hier untersuchten Technik wird das Ligamentum patellofemorale mediale mit
Hilfe einer autologen Sehnenplastik (Sehne des M. gracilis) und einer Weichteilfixation
an der patellaren Insertion ohne Einbringung weiteren Fremdmaterials anatomisch
rekonstruiert.
Das Ziel dieser prospektiven Verlaufsbeobachtung war es, die postoperative
Entwicklung von Funktion, Stabilität und Schmerzen, sowie die Beurteilung der
Einschränkung des Gesamtgesundheitszustandes der Patienten nach MPFL-Rekonstruktion
zu untersuchen.
Dazu wurden 27 Patienten im Alter zwischen zwölf und 45 Jahren, die zwischen Januar
2011 und November 2012 wegen habitueller bzw. habituell rezidivierender und in
einem Fall traumatischer Patellaluxation operiert wurden, nach festgesetzten Kriterien
in die Studie eingeschlossen und über den Zeitraum von zwölf Monaten postoperativ nachuntersucht. Die Ergebnisse wurden anhand des „Kujala Anterior Knee Pain Score“
und des „Validierten Fragebogen über Kniebeschwerden nach F. Flandry“ erhoben.
Außerdem wurde eine standardisierte körperliche Untersuchung durchgeführt.
Von den 27 eingeschlossenen Patienten konnten 24 über die volle Dauer nachuntersucht
werden, drei Patienten nur über sechs Monate postoperativ. Die Ergebnisse im Kujala-
Score verbesserten sich von durchschnittlich 72 Punkten (IQR = 35) präoperativ auf 95
Punkte (IQR = 9,25) nach zwölf Monaten. Nach bereits sechs Monaten war die
Verbesserung hochsignifikant.
Die Ergebnisse des Flandry-Score zeigten eine Verbesserung von 65,7 Punkten (IQR =
29,5) präoperativ auf 89,9 Punkte (IQR = 7,75) nach zwölf Monaten. Auch hier war die
Verbesserung bereits nach einem halben Jahr hochsignifikant.
Postoperativ gaben die Patienten am häufigsten Schwierigkeiten bei der Hocke und
beim Knien an. Weitere Einschränkungen der Alltagsaktivitäten traten sechs Monate
postoperativ nicht mehr auf. Auch die Häufigkeit und Intensität der Schmerzen
aufgrund des Kniegelenkes entwickelten sich nach Ablauf eines halben Jahres sehr gut.
Probleme bei sportlichen Aktivitäten wurden nach sechs Monaten nicht mehr
angegeben, allerdings war bei 51,9% der Patienten noch nach einem Jahr eine Atrophie
der Quadrizepsmuskulatur festzustellen. Bereits nach drei Monaten wurde kein „Giving Way“ mehr berichtet.
Bei den 27 untersuchten Patienten trat insgesamt eine traumatische Reluxation auf.
Weitere Komplikationen wurden nicht bekannt. Die subjektive Beurteilung des
Gesamtgesundheitszustandes verbesserte sich bereits ein halbes Jahr nach der Operation
hochsignifikant im Vergleich zum präoperativen Status.
Die MPFL-Rekonstruktion mit autologer Gracilissehne und Weichteilfixation zeigte
bezüglich Reluxationen und Stabilität nach einem Jahr sehr gute Ergebnisse. Die
Rehabilitation und Wiederaufnahme von sportlichen Aktivitäten verlief zügig.
Die Resultate dieser Untersuchung sind vielversprechend, es wird jedoch noch Studien
mit größeren Patientenzahlen und längerem Nachuntersuchungszeitraum geben müssen.
Die Möglichkeiten der operativen Rekonstruktion degenerativ veränderter Hüftgelenke sind komplex und vielfältig. Bei den derzeit zur Verfügung stehenden operativen Behandlungsmassnahmen führen die Vor- und Nachteile immer wieder zur Diskussionen und Abwägung der Operationsverfahren. Hierbei stehen sich die rasche postoperative Mobilisierung sowie eine verminderte Rekonvaleszenzzeit mit den diskutierten Nachteilen einer schlechteren Übersichtlichkeit und damit verbundenen Fehlimplantationen gegenüber. Dies und die damit verbundene volkswirtschaftliche Bedeutung sind ein ständiger Ausgangspunkt für das Bemühen den optimalen Zugangsweg zu etablieren.
Daher stellte das von Smith-Peterson 1949 publizierte Verfahren einen Meilenstein in der operativen Therapie dar. Hierdurch konnten zum einen die operationstechnischen Vorteile wie auch das volkswirtschaftliche Begehren nach kürzeren postoperativen Verweildauern vereint werden. Die Modifizierung dieses Zugangsweges hat sich bereits in einer großen Anzahl prospektiver Studien als zuverlässiges Rekonstruktionsverfahren etabliert und erfüllt zudem auch die Anforderungen der heutigen Medizin nach ästhetisch schönen Ergebnissen.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine prospektive Fallstudie des direkten anterioren Zugangs mit einem gesunden Vergleichskollektiv durchgeführt. Mit dem Ziel, die Aktivität ein Jahr postoperativ nach Implantation einer HTEP mit gesunden Probanden zu vergleichen.
Von Januar 2009 bis Mai 2011 wurden insgesamt 77 Patienten und 59 Probanden in die Studie aufgenommen. Als Vergleichswerte wurde zum einen die klinische wie auch die radiologische Untersuchung herangezogen. In der klinischen Untersuchung zeigte sich insgesamt ein signifikanter Anstieg der untersuchten Scores im Vergleich mit den präoperativen Ergebnissen bei den Operierten. Im Vergleich zu den Probanden erzielen die Patienten ein Jahr nach HTEP teilweise noch schlechtere Werte in dem Bewegungsumfang und den Aktivitätsniveaus welche mittels der Auswertung des Stepwatches, des TWB und des Arzt-Patienten-Fragebogens erhoben wurden. Die radiologische Bewertung diente zur Feststellung der Positionierung der HTEP. Mit guten Positionierungen durch den direkten anterioren Zugang. Die Bewertung der Funktionalität zwischen den beiden Gruppen erfolgte durch den HHS, XSFMA- D und den Arzt-Patientenfragenbogen. Hierbei konnten ähnliche Ergebnisse, wie bereits oben beschrieben, verzeichnet werden mit guten Werten in der Gruppe der untersuchten Patienten, jedoch einer geringeren Funktionalität im Vergleich zu den Probanden.
Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der direkte anteriore Zugang die Wiederherstellung eines guten postoperativen Gesundheitszustandes mit erreichen eines hohen postoperativen Aktivitätslevels der Patienten ermöglicht. Ebenso erfüllt dieser Zugangsweg die Anforderungen der heutigen Medizin im Sinne einer schnellen postoperativen Mobilisation. Im Vergleich zu anderen minimal-invasiven Verfahren zeigen sich eine gute Implantierbarkeit, eine gute Positionierung und ein niedriges Komplikationsniveau.
Prinzipiell hat der minimal-invasive anteriore Zugang das Potenzial sich als ein Standardverfahren in der operativen Rekonstruktion bei Hüftgelenksersatz zu etablieren, jedoch wäre ein direkter Vergleich mit dem lateralen Zugang erstrebenswert und sollte in weiteren Studien verglichen werden.