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Biomechanische Eigenschaften eines biomaterialbasierten Kreuzbandkonstruktes in-vivo und in-vitro
(2023)
Kreuzbandrupturen stellen nach wie vor eine Herausforderung in der klinischen Praxis hinsichtlich kurz- und langfristiger unerwünschter Nebenwirkungen dar (z.B. Reruptur und Arthrosebildung).
In der vorliegenden Arbeit wird der entwickelte Ansatz eines Kollagen-I-basierten künstlichen Kreuzbandkonstruktes hinsichtlich der Reißfestigkeit, Lagerung, Verstärkungsmöglichkeit mittels Fiber-tape und langfristigen Arthroseentstehung untersucht mittels in-vitro und in-vivo Untersuchungen unter zur Hilfe nahme des Minipig Tiermodels.
Die Ergebnisse zeigen keinen Einfluss der Lagerungstemperatur sowie des Lagerungszeitraums auf die Reißfestigkeit des Konstruktes, sowie eine mögliche initiale Verstärkung mittels Fibertape im Minipig. Darüber hinaus wurde mikroskopisch wie makroskopische Arthroseentstehung nachgewiesen. Das Ausmaß der Arthroseentstehung ist diesbezüglich mit einer Abweichung der Konstruktimplantation von der ursprünglichen Kreuzbandinsertion mittels MRT bestätigt worden.
Die Vordere Kreuzband (VKB)-Ruptur ist eine häufige Verletzung, welche eine hohe individuelle und sozioökonomische Belastung verursacht. Eine etablierte Therapie ist die VKB-Plastik, problematisch sind jedoch die hohen Rerupturraten nach operativer Versorgung. In der Annahme, dass Mesenchymale Stammzellen (MSC) eine bedeutende Rolle für die Heilung spielen, sollte in der vorliegenden Arbeit untersucht werden, ob ein Zusammenhang zwischen Zahl und Qualität der aus dem VKB isolierten MSC sowie der Latenz zwischen Ruptur und Rekonstruktion besteht und so ein optimaler Therapiezeitraum eingegrenzt werden kann.
Zunächst erfolgte die Zellisolierung aus intraoperativ gewonnenen VKB-Biopsien. Je nach Latenz zwischen Ruptur und Operation wurden drei Gruppen (akute ≙ ≤ 30 d, subakute ≙ 31-90 d, verzögerte Rekonstruktion ≙ > 90 d) gebildet. Zum Nachweis von MSC wurden die Zellen hinsichtlich ihrer Plastikadhärenz, eines multipotenten Differenzierungspotentials sowie eines spezifischen Oberflächenantigenmusters (CD73+, CD90+, CD105+, CD34-) untersucht. Zudem wurde ihr Einflusses auf die biomechanischen und histologischen Eigenschaften eines analysiert.
Der Nachweis von MSC war in allen Gruppen möglich. Das Proliferationspotential war in Gruppe II am größten, ebenso der Anteil der MSC an allen Zellen. Er war 5,4% (4,6% - 6,3%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe I und 18,9% (18,2% - 19,6%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe III. In den mit Zellen kultivierten Bandkonstrukten konnte im Gegensatz zu zellfreien Konstrukten humanes Kollagen I nachgewiesen werden. Die Stabilität nahm bei Kultivierung mit Zellen ab.
Die Ergebnisse legen nahe, dass das Regenerationspotential bei subakuter VKB-Rekonstruktion (31-90 d) am höchsten ist. Potenziell ursächlich sind die Regeneration hemmende Entzündungsprozesse zu Beginn sowie degenerative Prozesse im längerfristigen Verlauf. Zudem konnte gezeigt werden, dass die isolierten Zellen die Eigenschaften eines Bandkonstruktes durch Bildung von Kollagen I und Reduktion der Stabilität im kurzfristigen Verlauf verändern und dementsprechend den Therapieerfolg beeinflussen könnten. Zur Verifizierung der Ergebnisse bedarf es weiterer Untersuchungen.
Zur Kontrolle des Rehabilitationserfolges und in der Entscheidungsfindung bezüglich einer Sportfreigabe nach VKB-Rekonstruktion werden funktionelle Testverfahren angewandt. Diese testen unter standardisierten Bedingungen verschiedene muskuläre und neuromuskuläre Fähigkeiten von Patienten.
Die vorliegende Arbeit untersuchte das geschlechterspezifische Abschneiden in gängigen funktionellen Testverfahren im Rahmen einer Testbatterie, bestehend aus verschiedenen Sprung-, Schnelligkeits-, Agilitäts- und Ausdauertests sowie deren Hauptbewertungskriterium – den Limb Symmetry Index (LSI) – anhand eines großen, gesunden und sportlichen Probanden- (N = 124; Frauen: N = 50; Männer: N = 74) und eines VKB-Patientenkollektivs (N = 44; Frauen: N = 15; Männer: N = 29).
Ein genereller und in der Literatur gängiger LSI-Grenzwert von 85 % oder 90 % für alle durchgeführten Tests ließ sich nicht uneingeschränkt bestätigen. Selbst in der gesunden Referenzgruppe wurden diese Werte zum Teil weit verfehlt. Zudem führten die verschiedenen Sprungtests, welche eine Berechnung des LSI-Wertes zulassen, bei den gleichen gesunden Probanden zu unterschiedlichen Ergebnissen. Dies lässt darauf schließen, dass die verschiedenen durchgeführten Tests der Batterie unterschiedliches abbilden. Eine weitere testspezifische Adjustierung oder Kombination mit anderweitigen Bewertungskriterien (z. B. Absolutwerte, Bewegungsanalysen) scheint daher notwendig. Ein Einfluss des Geschlechts auf das Abschneiden hinsichtlich des LSI konnte nicht gefunden werden. Eine gemeinsame Betrachtung der LSI-Ergebnisse von männlichen und weiblichen Testpersonen in künftigen Studien scheint somit zulässig. Bei den Absolutwerten ist diese Vergleichbarkeit der Geschlechter nicht gegeben, da Männer durchschnittlich höhere Werte als Frauen erzielten. Die betrachtete Patientenstichprobe zeigte in der übereinstimmend durchgeführten Teiltestbatterie sowohl hinsichtlich der LSI- als auch der absoluten Testergebnisse im betroffenen und nicht betroffenen Bein schlechtere Resultate. Eine Vorhersage der LSI-Ausprägung bei Patienten war anhand der erhobenen gängigen Kriterien, wie beispielsweise der vergangenen Zeitspanne seit Operation, nicht möglich.
Bei den hier angewendeten Testverfahren handelt es sich um eine verhältnismäßig einfache Methode zur Erhebung funktioneller Defizite. In Bezug auf notwendige Testresultate zur Sportfreigabe erscheinen diese jedoch als nicht hinreichend. Hierfür ist weitere Forschung notwendig (z. B. Längsschnittstudie mit größerem und homogenen Patientenkollektiv). Insbesondere eine Definition von Kriterien, ab wann eine Rückkehr als gelungen angesehen wird, muss erfolgen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der höchste Aussagewert bezüglich funktioneller Tests bei Vorliegen intraindividueller Vergleichswerte zu bestehen scheint, wie es beispielsweise im Leistungssport denkbar ist und bereits durchgeführt wird. Die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Referenzwerte gesunder Teilnehmer können jedoch als wertvolle Orientierung für den Breitensport dienen.