Lehrstuhl für Orthopädie
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The pro-inflammatory phase of bone healing, initiated by platelet activation and eventually hematoma formation, impacts bone marrow mesenchymal stromal cells (MSCs) in unknown ways. Here, we created platelet-rich plasma (PRP) hydrogels to study how platelet-derived factors modulate functional properties of encapsulated MSCs in comparison to a non-inflammatory fibrin (FBR) hydrogel environment. MSCs were isolated from human bone marrow, while PRP was collected from pooled apheresis thrombocyte concentrates and used for hydrogel preparation. After their encapsulation in hydrogels for 72 h, retrieved MSCs were analyzed for immunomodulatory activities, apoptosis, stem cell properties, senescence, CD9\(^+\), CD63\(^+\) and CD81\(^+\) extracellular vesicle (EV) release, and metabolism-related changes. PRP-hydrogels stimulated immunosuppressive functions of MSCs, along with their upregulated susceptibility to cell death in communication with PBMCs and augmented caspase 3/7 activity. We found impaired clonal growth and cell cycle progression, and more pronounced β-galactosidase activity as well as accumulation of LC3-II-positive vacuoles in PRP-MSCs. Stimuli derived from PRP-hydrogels upregulated AKT and reduced mTOR phosphorylation in MSCs, which suggests an initiation of survival-related processes. Our results showed that PRP-hydrogels might represent a metabolically stressful environment, inducing acidification of MSCs, reducing polarization of the mitochondrial membrane and increasing lipid accumulation. These features were not detected in FBR-MSCs, which showed reduced CD63\(^+\) and CD81\(^+\) EV production and maintained clonogenicity. Our data revealed that PRP-derived hematoma components cause metabolic adaptation of MSCs followed by increased immune regulatory functions. For the first time, we showed that PRP stimuli represent a survival challenge and “apoptotic priming” that are detrimental for stem cell-like growth of MSCs and important for their therapeutic consideration.
In total knee arthroplasty (TKA), functional knee phenotypes are of interest regarding surgical alignment strategies. Functional knee phenotypes were introduced in 2019 and consist of limb, femoral, and tibial phenotypes. The hypothesis of this study was that mechanically aligned (MA) TKA changes preoperative functional phenotypes, which decreases the 1-year Forgotten Joint (FJS) and Oxford Knee Score (OKS) and increases the 1-year WOMAC. All patients included in this study had end-stage osteoarthritis and were treated with a primary MA TKA, which was supervised by four academic knee arthroplasty specialists. To determine the limb, femoral, and tibial phenotype, a long-leg radiograph (LLR) was imaged preoperatively and two to three days after TKA. FJS, OKS, and WOMAC were obtained 1 year after TKA. Patients were categorized using the change in functional limb, femoral, and tibial phenotype measured on LLR, and the scores were compared between the different categories. A complete dataset of preoperative and postoperative scores and radiographic images could be obtained for 59 patients. 42% of these patients had a change of limb phenotype, 41% a change of femoral phenotype, and 24% a change of tibial phenotype of more than ±1 relative to the preoperative phenotype. Patients with more than ±1 change of limb phenotype had significantly lower median FJS (27 points) and OKS (31 points) and higher WOMAC scores (30 points) relative to the 59-, 41-, and 4-point scores of those with a 0 ± 1 change (p < 0.0001 to 0.0048). Patients with a more than ±1 change of femoral phenotype had significantly lower median FJS (28 points) and OKS (32 points) and higher WOMAC scores (24 points) relative to the 69-, 40-, and 8-point scores of those with a 0 ± 1 change (p < 0.0001). A change in tibial phenotype had no effect on the FJS, OKS, and WOMAC scores. Surgeons performing MA TKA could consider limiting coronal alignment corrections of the limb and femoral joint line to within one phenotype to reduce the risk of low patient-reported satisfaction and function at 1-year.
Unicompartmental knee arthroplasty (UKA) in isolated medial or lateral osteoarthritis leads to good clinical results. However, revision rates are higher in comparison to total knee arthroplasty (TKA). One reason is suboptimal fitting of conventional off-the-shelf prostheses, and major overhang of the tibial component over the bone has been reported in up to 20% of cases. In this retrospective study, a total of 537 patient-specific UKAs (507 medial prostheses and 30 lateral prostheses) that had been implanted in 3 centers over a period of 10 years were analyzed for survival, with a minimal follow-up of 1 year (range 12 to 129 months). Furthermore, fitting of the UKAs was analyzed on postoperative X-rays, and tibial overhang was quantified. A total of 512 prostheses were available for follow-up (95.3%). Overall survival rate (medial and lateral) of the prostheses after 5 years was 96%. The 30 lateral UKAs showed a survival rate of 100% at 5 years. The tibial overhang of the prosthesis was smaller than 1 mm in 99% of cases. In comparison to the reported results in the literature, our data suggest that the patient-specific implant design used in this study is associated with an excellent midterm survival rate, particularly in the lateral knee compartment, and confirms excellent fitting.
Background and Objectives: Currently, the worldwide incidence of major amputations in the general population is decreasing whereas the incidence of minor amputations is increasing. The purpose of our study was to analyze whether this trend is reflected among orthopaedic patients treated with lower extremity amputation in our orthopaedic university institution. Materials and Methods: We conducted a single-center retrospective study and included patients referred to our orthopaedic department for lower extremity amputation (LEA) between January 2007 and December 2019. Acquired data were the year of amputation, age, sex, level of amputation and cause of amputation. T test and Chi² test were performed to compare age and amputation rates between males and females; significance was defined as p < 0.05. Linear regression and multivariate logistic regression models were used to test time trends and to calculate probabilities for LEA. Results: A total of 114 amputations of the lower extremity were performed, of which 60.5% were major amputations. The number of major amputations increased over time with a rate of 0.6 amputation/year. Men were significantly more often affected by LEA than women. Age of LEA for men was significantly below the age of LEA for women (men: 54.8 ± 2.8 years, women: 64.9 ± 3.2 years, p = 0.021). Main causes leading to LEA were tumors (28.9%) and implant-associated complications (25.4%). Implant-associated complications and age raised the probability for major amputation, whereas malformation, angiopathies and infections were more likely to cause a minor amputation. Conclusions: Among patients in our orthopaedic institution, etiology of amputations of the lower extremity is multifactorial and differs from other surgical specialties. The number of major amputations has increased continuously over the past years. Age and sex, as well as diagnosis, influence the type and level of amputation.
Medical tourism is a rapidly growing sector of economic growth and diversification. However, data on the demographics and characteristics of the traveling patients are sparse. In this study, we analyzed the common demographic properties and characteristics of the inbound medical tourists seeking orthopedic medical care in Germany for the years 2010 to 2019 compared to a domestic group. At the same time, we examined how the COVID-19 pandemic outbreak of 2020 changed the field of medical tourism in Germany. Calculations were performed using administrative hospital data provided by the Federal Statistical Department of Germany. Data were analyzed from the years 2010 to 2020. A total of six elective orthopedic surgery codes (bone biopsy, knee arthroplasty, foot surgery, osteotomy, hardware removal, and arthrodesis) were identified as key service indicators for medical tourism and further analyzed. Factors including residence, sex, year, and type of elective surgery were modeled using linear regression analysis. Age and sex distributions were compared between patients living inside Germany (DE) or outside Germany (non-DE). Between 2010 and 2020, 6,261,801 orthopedic procedures were coded for the DE group and 27,420 key procedures were identified for the non-DE group. Medical tourists were predominantly male and significantly younger than the domestic population. The linear regression analysis of the OPS codes over the past years showed a significantly different slope between the DE and non-DE groups only for the OPS code “hardware removal”. With the COVID-19 pandemic, an overall decline in performed orthopedic procedures was observed for the non-DE and the DE group. A significant reduction below the 95% prediction bands for the year 2020 could be shown for hardware removal and foot surgery (for DE), and for hardware removal, knee arthroplasty, foot surgery, and osteotomy (for non-DE). This study is the first to quantify inbound medical tourism in elective orthopedic surgery in Germany. The COVID-19 pandemic negatively affected many — but not all — areas of orthopedic surgery. It has to be seen how this negative trend will develop in the future.
Alignment strategies for primary total knee arthroplasty (TKA) have changed significantly over time with a shift towards a more individualized alignment goal. At the same time, computer-assisted surgery (CAS) has gained interest for intraoperative control and accuracy in implant positioning and limb alignment. Despite the often discussed benefits and drawbacks of robotics and navigation for TKA, the routine use of these new devices on a day-to-day basis remains obscure. Therefore, nationwide hospital billing data based on the Operation Procedure Classification System (OPS) were retrieved from the Federal Statistical Office of Germany for the period from 2010 to 2021. OPS codes for primary total knee arthroplasty (OPS code: 5-822*) were further analyzed regarding the usage of computer navigation (additional OPS code: 5-988) or robotic devices (additional OPS code: 5-987). Gender and age at the time of surgery were also assessed. The results show a total of 2,226,559 primary TKAs were implanted between 2010 and 2021, of which 2,044,914 were performed conventionally (91.84% of all TKAs). A total of 170,276 TKAs were performed using navigation technique (7.65% of all TKAs) and another 11,369 TKAs were performed using robotics (0.51% of all TKAs). For the period from 2018 to 2021, a substantial increase in robot-assisted TKA (R-TKA) was observed, with an average increase rate of 84.74% per year, while the number of navigated TKAs declined (−3.67% per year). Computer-assisted surgery, and particularly robotics for TKA, are seeing growing popularity and stepwise translation into routine clinical use in Germany, with a steep increase rate of more than 80% per year since 2018. Nevertheless, the majority of TKAs are still performed using manual instrumentation, rendering conventional TKA the currently unchanged gold standard.
Aufgrund der immer älterwerdenden Bevölkerung kommt der Prävention von altersbedingten muskuloskelettalen Erkrankungen wie der Osteoporose und der Sarkopenie eine herausragende Bedeutung zu. Insbesondere für die Sarkopenie gibt es heute und auf absehbare Zeit keine kausale medikamentöse Therapie. Somit stellt der Erhalt einer intakten Muskulatur durch körperliche Aktivität die zentrale Säule für eine langfristig muskuloskelettale Gesundheit dar. Die aktuelle, wissenschaftliche Datenlage zeigt hierbei für progressives Krafttraining im Alter valide Ergebnisse. Durch die gezielte Beanspruchung der Muskulatur kann bis ins hohe Alter dem natürlichen Verlust der Muskelmasse und -qualität entgegengewirkt werden. Ein gezieltes Training der Wirbelsäule-umgebenden Muskulatur ist vor allem bei Menschen mit Osteoporose sinnvoll. Durch starke Rückenmuskeln werden wichtige Alltagsbewegungen unterstützt und das Sturzrisiko kann reduziert werden. Ein klassisches progressives Krafttraining ist jedoch bei älteren Menschen nicht immer durchführbar, da diese oft an zusätzlichen Erkrankungen leiden, welche ein intensives Krafttraining verbieten, oder allgemein zu schwach für eine solche Trainingsmodalität sind. Ziel dieser Studie war zusätzlich zum Krafttraining alternative Trainingsmethoden zu testen, welche einfach und sicher im Alter integrierbar sind und keine sportlichen Vorkenntnisse der Teilnehmer erfordern. Im Fokus stand dabei die Kräftigung der Rumpfmuskulatur. Alternativ zum klassischen, progressivem Krafttraining (KT) wurden daher sogenannte Low-Impact-Methoden getestet, konkret handelte es sich dabei um Ganzkörpervibrationstraining (WBV), das tägliche Tragen einer federnden Rückenorthese (OT) und Qi Gong (QG) als atmungs- und bewegungsorientiertes Konzept.
Das Krafttraining zeigte dabei die größten Verbesserungen in der Rumpfkraft, dem primären Endpunkt der Studie. Bei der Extensionskraft zeigte sich eine Zunahme von 28,0%. (p=0,008) und bei der Flexionskraft von 17,2% (p=0,008). Doch auch das WBV-Training und das Tragen der Rückenorthese zeigten Verbesserungen der Rumpfkraft. Das QG-Training zeigte kaum Veränderungen der Rumpfkraft. Im Gruppenvergleich war die KT-Gruppe der QG-Gruppe in der Entwicklung der Extensionskraft signifikant überlegen. Auch wenn die alternativen Trainingsmethoden keine signifikanten Ergebnisse im primären Endpunkt dieser Studie zeigten, kam es zu signifikanten Verbesserungen in den sekundären Endpunkten. In der WBV-Gruppe kam es zu einem signifikanten Anstieg der Handkraft (p=0,023) und im CRT (p=0,007). In der OT-Gruppe war der CRT signifikant besser geworden (p=0,003). In der QG-Gruppe kam es zu tendenziellen Verbesserungen einiger Leistungsparameter, jedoch waren diese statistisch überwiegend nicht signifikant. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit war jedoch, dass unabhängig von der jeweiligen Trainingsmodalität, vor allem die Teilnehmer, die ein erhöhtes Risiko für muskuläre Defizite hatten, also Probanden ≥80 Jahre, Menschen mit präsarkopenem Muskelstatus, oder multimorbide Teilnehmer, am meisten von den Trainingsinterventionen profitierten. Hier fiel vor allem die signifikante Zunahme der Rumpfflexion in allen drei Subgruppen auf. Bei den Probanden ≥80 Jahren kam es in der Rumpfflexion zu einer Zunahme von 10,3% (p=0,017), bei den präsarkopenen Probanden von 2,9% (p=0,035) und bei den Multimorbiden von 16,3% (p=0,001). Eine starke Rumpfvorderseite führt zu einer aufrechten Haltung, ermöglicht Alltagsaktivitäten wie Treppensteigen oder das Aufstehen von einem Stuhl und kann durch eine verbesserte Balance das Sturzrisiko vermindern. Bedeutsam ist auch, dass die Muskelmasse bei den präsarkopenen Probanden, unabhängig vom Training, signifikant gestiegen war und somit Sport auch bei einer reduzierten Muskelmasse sehr effektiv sein kann. Zudem verbesserte sich der CRT bei den präsarkopenen und multimorbiden Probanden signifikant, was umso erfreulicher ist, bedenkt man die Assoziation mit einer reduzierten Fähigkeit von einem Stuhl aufzustehen und einer erhöhten Mortalität. Schlussendlich zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass Trainingsmodalitäten, die gezielt die Rumpfmuskulatur adressieren, wie z.B. ein speziell zusammengestelltes Krafttraining, auch in höherem Alter und bei Vorliegen eines erhöhten Frakturrisikos positive Effekte erzielen und zu signifikanten Verbesserungen der Rumpfkraft führen können. Allerdings zeigen auch weniger spezifische low-impact Trainingskonzepte durchaus positive Entwicklungen und stellen vor allem eine sichere Alternative mit nur geringem Anforderungsprofil dar. Besonders erfreulich scheint vor allem die Verbesserung der Parameter der Probanden mit einem erhöhten Risiko für muskuläre Defizite unabhängig von der zugelosten Trainingsintervention. Diese Ergebnisse stellen eine wertvolle Grundlage für zukünftige Forschungsvorhaben dar, welchen unter Berücksichtigung der globalen demographischen Entwicklungen sicherlich erhebliche Bedeutung zukommen wird.
Untersucht wurde der Einfluss mehrerer Chemotherapeutika auf den Chemokinrezeptor CXCR4 in
Myelomzelllinien auf Ebene des Promotors, der mRNA und der Rezeptorverteilung, wobei drei
Substanzen (Etoposid, Bortezomib und Dexamethason) als potenzielle Suppressoren des Promotors ausgemacht werden konnten. Abhängig vom Myelom-Zelltyp und der Dosierung können so evtl.
Rückschlüsse auf die beobachtete Suppression von CXCR4 bei erkrankten Patienten mit hoher CXCR4-Aktivität (hier: Malignes Myelom) durch die begleitende Chemotherapie gezogen werden, welche eine Diagnostik und Therapie bei diesen Patienten erschwert.
Hintergrund: Hintergrund für diese Arbeit waren Beobachtungen in klinischen Fallstudien von Lapa et al. am Universitätsklinikum Würzburg, die sich auf CXCR4 bezogen, welches u.a. bei Patienten mit
Multiplem Myelom überexprimiert wird und dadurch bereits als Target für Diagnostik und Therapie in der Klinik Anwendung findet. Dabei konnte bei PET-CT Untersuchungen in der Nuklearmedizin beobachtet werden, dass es durch die begleitende Chemotherapie der Patienten zu einer Suppression des markierten CXCR4-Signals kam, so dass es nicht mehr zur Verlaufsbeobachtung und
vor allem nicht mehr zur Radiotherapie und Therapiekontrolle verwendet werden konnte.
Um den Einfluss und mögliche Interaktionen der Chemotherapeutika auf CXCR4 zu untersuchen, war es Ziel dieser Arbeit, ein vergleichbares Szenario in-vitro nachzustellen und Einflüsse messbar zu
machen, um so mögliche Ansätze und Verbesserungsvorschläge für die klinische Anwendung zu
liefern.
Methoden/Ergebnisse: Hierfür wurden im ersten Teil INA-6 (Myelomzellen) und Mesenchymale
Stammzellen (MSC) kultiviert, in Ko-Kultur gebracht und nach einer bestimmten Zeit wieder getrennt, um anschließend den gegenseitigen Einfluss in Bezug auf CXCR4 zu messen. Zudem wurde der Einfluss von Dexamethason untersucht. Es zeigte sich eine enge Bindung zwischen INA-6 und MSC
sowie eine hohe CXCR4-Aktivität bei INA-6, jedoch konnte keine Induktion der CXCR4-Aktivität in MSC durch INA-6-Kontakt oder Dexamethason quantifiziert werden. Die Immunzytologie erwies sich aufgrund einer schweren Anfärbbarkeit von CXCR4 – auch mit verschiedensten Antikörpern und sogar Liganden-gekoppeltem Farbstoff– als kaum auswertbar, wobei eine Darstellung von CXCR4
generell aber gelang.
Der CXCR4-Promotor wurde mittels Software genauer analysiert, wobei einige relevante Bindestellen, u.a. für Glukokortikoide und NFkB gefunden wurden. Die Herstellung eines CXCR4-
pGl4.14-Promotor-Konstrukts war erfolgreich, ebenso dessen Einschleusung in Myelomzellen. Auch gelang die Herstellung stabiler transfizierter INA-6, sodass mit diesen anschließend konstantere Ergebnisse erzielt werden konnten.
Im größten Teil der Arbeit wurden geeignete Chemotherapeutika-Konzentrationen ermittelt und in Viabilitäts- und Apoptose-Versuchen überprüft. Die Stimulationsversuche mit diesen zeigten variable
Effekte abhängig vom Zelltyp (INA-6, MM1S), jedoch konnten Bortezomib, Etoposid und
Dexamethason konzentrationsabhängig als starke Suppressoren der CXCR4-Aktivität ausgemacht
werden, was sich v.a. auf Ebene der Promotoraktivität – gemessen mittels Luciferase - zeigte. Interpretation: In-vitro konnten somit drei potenzielle Suppressoren der CXCR4-Aktivität ausgemacht
werden: Etoposid, Bortezomib und Dexamethason. Zumindest beim INA-6-Zelltyp fiel dieser Effekt deutlich aus, wobei in der Klinik der entsprechende Zelltyp sowie die Dosierung der Medikamente berücksichtigt werden müssen. Hinzu kommen weitere Einflussfaktoren des menschlichen Körpers,
die nicht berücksichtig werden konnten. Die genauen Mechanismen der Suppression könnten sich aus den Bindestellen des Promotors erklären, die von uns analysiert wurden, aber auf die in weiteren Arbeiten noch näher eingegangen werden muss.
Die Rekonstruktion der Anatomie einer nativen Hüfte sowie deren natürlichen Biomechanik ist eine essenzielle Voraussetzung für eine zufriedenstellende Funktion einer Hüftprothese. Diese Studie beschäftigte sich mit dem Zusammenhang der Veränderung des Femoralen Offsets (FO) und dem klinischen Outcome der Patienten nach Hüftprothesenwechsel.
88 Patienten, welche sich einem Hüftprothesenwechsel unterzogen, wurden untersucht. Es wurden in prä- und postoperativen Beckenübersichtsaufnahmen das Femorale Offset, sowie weitere statische Parameter gemessen und verglichen. Die Ergebnisse wurden mit dem klinischen Outcome korreliert. Dies erfolgte anhand des Harris Hip Score (HHS), der Visuellen Analogskala (VAS) und des Merle d’Aubigne und Postel Score (MdAS).
Bezüglich der Rekonstruktion des FO kam es zu einem zufriedenstellenden Ergebnis. In 22,6% konnte ein gleichgroßes, in 54% ein vergrößertes und in 22% ein verkleiner- tes FO gemessen werden. Das klinische Outcome ergab durchschnittlich ein gutes bis sehr gutes klnisches Ergebnis in allen erhobenen Scores (Gesamtpunktzahl: HHS 75,09; MdAS 14,36; VAS 0,71). Ein signifikant besseres Ergebnis hinsichtlich der Beweglichkeit und Funktionalität wurde bei gleichbleibendem und vergrößertem FO in allen klinischen Tests (VAS, HHS, MdAS) erzielt. Bei verkleinertem FO traten jedoch weniger Schmerzen auf.
Die Rekonstruktion des FO ist nachweislich von Bedeutung für das klinische Outcome nach Hüftprothesenwechsel. Sie beeinflusst den Hebelarm der Muskulatur, was bei einem vergrößertem FO zu einer verbesserten Beweglichkeit und Funktionalität des Gelenkes führt, jedoch auch aufgrund der Dehnung des Bandapparats und der Muskulatur eine vermehrte Schmerzsymptomatik verursachen kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit decken sich mit ähnlichen Studien, welche das FO bei primärer H-TEP- Implantation untersuchten.
Humane mesenchymale Stromazellen sind in der Lage in osteogene Zellen zu differenzieren, und für diese osteogene Differenzierung ist mechanische Belastung ein relevanter Kostimulus. Mechanotransduktion hat zur Folge, dass second messenger wie cAMP und cGMP gebildet werden und sich die Ca2+-Konzentration erhöht, welche wiederum Transkriptionsfaktoren aktivieren, die die Regulation von Genen osteogener Marker vermitteln. Die second messenger cAMP und cGMP werden abgebaut durch Phosphodiesterasen, jedoch ist die Rolle dieser Phosphodiesterasen während der osteogenen Differenzierung oder Mechanotransduktion weiterhin unklar.
Das Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, inwieweit im Besonderen die Phosphodiesterase 10A einen Einfluss nimmt auf die osteogene Differenzierung und die Mechanotransduktion von mesenchymalen Stromazellen und inwiefern sie dabei die cAMP-abhängigen Signalwege moduliert. Langfristig soll hiermit herausgefunden wer-den, welche Bedeutung die PDE10A auf altersinduzierte Krankheiten hat, wobei der Fokus zunächst auf der Osteoporose liegen soll.
Um dies zu erreichen, wurden experimentelle Versuche zunächst mit HEK293- und hMSC-TERT-Zellen als Modell für mesenchymale Stromazellen durchgeführt, dann auch mit den mesenchymalen Stromazellen selbst. Untersucht wurde der Einfluss des PDE10A-Inhibitors Papaverin auf die Zellen und auf deren mechanische Induzierbarkeit, sowieso auf die osteogene Differenzierung der hMSC. Außerdem wurden weitere mechanische Versuche durchgeführt, zur Überprüfung des Effekts der Phosphodiesterase 10A.
Es wurde beobachtet, dass die Inhibierung von PDE10A mit Papaverin die osteogene Differenzierung und Mineralisierung vermindert. Außerdem gab es einen ersten Hinweis, dass eine Überexpression von PDE10A schwächenden Einfluss nimmt auf die Expression mechanoresponsiver Gene.
Nachfolgend auf diese Arbeit wurde erkannt, dass die Expression von mechanoresponsiven Genen durch die PDE10A-Inhibition unterdrückt wird.