Lehrstuhl für Orthopädie
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Sonstige beteiligte Institutionen
Background and objectives: Cartilage surgery constitutes a standard intervention in foot and ankle procedures. Currently, there is a lack of epidemiological data on its frequency, age distribution, and surgical options for cartilage surgery. This study aimed to investigate the current landscape of cartilage surgery in Germany and identify the most common procedures from an epidemiological standpoint. Materials and methods: Medical billing and reporting data from the Federal Statistical Office of Germany, encompassing the period 2006–2020, was examined, including all foot and ankle cartilage surgical procedures (summarized under OPS codes 5-812 and 5-801). The dataset incorporated information on the affected joint, patient age and sex, and surgery type. Each surgical procedure was categorized as “debridement”, “regeneration” or “refixation”. Linear and nonlinear regression analyses were employed, with a statistical significance threshold of 0.05. Results: From the total of 136,501 procedures conducted during the study period, the most frequently performed interventions were microfracture (58,252) and chondroplasty (56,135), and thus, debridement procedures were in the leading position. The use of acellular membranes was the most used regenerative technique (n = 11,414). At the ankle joint, interventions were mostly arthroscopic and in men, while foot cartilage surgeries were preferably performed via open surgery and mostly in women. Age distribution analysis revealed two primary peaks: the first in the 20–25-year-old group (ankle and foot) and the second in the 45–50-year-old group (ankle) and 55–60-year-old group (foot). Refixation and regenerative procedures were more frequent among younger individuals, while debriding procedures were more frequent among older individuals. Regenerative procedures, particularly in the ankle, significantly increased over time. Conclusions: Cartilage surgery of the foot and ankle was common, with two primary age groups predominantly affected. Notably, recent years have witnessed a considerable rise in cartilage regenerative procedures.
In March 2020, Germany imposed a nationwide lockdown to curb the spread of COVID-19, prompting questions about the impact on the incidence of common fractures. This study examined 15 fracture types in pre-outbreak (2010–2019) and post-outbreak (2020–2021) periods, using data categorized by age (18–64 years, 65 years) and sex (male, female). Linear regression assessed annual growth rates, and mean fracture numbers were compared across periods for significant differences. Results indicated a positive correlation between fracture incidence rates and time for various types, such as cervical, thoracic, lumbar, and pelvic spine fractures, rib fractures, femoral neck, pertrochanteric femur, femoral shaft, and ankle fractures. Frequencies of proximal humerus, distal radius, femoral neck, pertrochanteric femur, femoral shaft, and ankle fractures in 2020 and 2021 were within predicted ranges from previous years. However, rib fractures and spinal fractures (cervical, thoracic, lumbar, and pelvic spine) occurred less frequently during this time. Notably, this study found a consistent decline in most fracture types for individuals aged 18–64 after the pandemic’s onset, while the fracture incidence of hip fractures, often referred to as fragility fractures, for those over 65 remained unchanged. Fibula fractures showed the most considerable decrease in both age groups. In conclusion, the COVID-19 pandemic substantially impacted fracture incidence, with lower rates among individuals under 65 and unchanged fragility fractures in the elderly population.
Ultra-high-resolution photon-counting detector CT arthrography of the ankle: a feasibility study
(2023)
This study was designed to investigate the image quality of ultra-high-resolution ankle arthrography employing a photon-counting detector CT. Bilateral arthrograms were acquired in four cadaveric specimens with full-dose (10 mGy) and low-dose (3 mGy) scan protocols. Three convolution kernels with different spatial frequencies were utilized for image reconstruction (ρ\(_{50}\); Br98: 39.0, Br84: 22.6, Br76: 16.5 lp/cm). Seven radiologists subjectively assessed the image quality regarding the depiction of bone, hyaline cartilage, and ligaments. An additional quantitative assessment comprised the measurement of noise and the computation of contrast-to-noise ratios (CNR). While an optimal depiction of bone tissue was achieved with the ultra-sharp Br98 kernel (S ≤ 0.043), the visualization of cartilage improved with lower modulation transfer functions at each dose level (p ≤ 0.014). The interrater reliability ranged from good to excellent for all assessed tissues (intraclass correlation coefficient ≥ 0.805). The noise levels in subcutaneous fat decreased with reduced spatial frequency (p < 0.001). Notably, the low-dose Br76 matched the CNR of the full-dose Br84 (p 0.999) and superseded Br98 (p < 0.001) in all tissues. Based on the reported results, a photon-counting detector CT arthrography of the ankle with an ultra-high-resolution collimation offers stellar image quality and tissue assessability, improving the evaluation of miniscule anatomical structures. While bone depiction was superior in combination with an ultra-sharp convolution kernel, soft tissue evaluation benefited from employing a lower spatial frequency.
Purpose
Hypertrophic cartilage is an important characteristic of osteoarthritis and can often be found in patients suffering from osteoarthritis. Although the exact pathomechanism remains poorly understood, hypertrophic de-differentiation of chondrocytes also poses a major challenge in the cell-based repair of hyaline cartilage using mesenchymal stromal cells (MSCs). While different members of the transforming growth factor beta (TGF-β) family have been shown to promote chondrogenesis in MSCs, the transition into a hypertrophic phenotype remains a problem. To further examine this topic we compared the effects of the transcription growth and differentiation factor 5 (GDF-5) and the mutant R57A on in vitro chondrogenesis in MSCs.
Methods
Bone marrow-derived MSCs (BMSCs) were placed in pellet culture and in-cubated in chondrogenic differentiation medium containing R57A, GDF-5 and TGF-ß1 for 21 days. Chondrogenesis was examined histologically, immunohistochemically, through biochemical assays and by RT-qPCR regarding the expression of chondrogenic marker genes.
Results
Treatment of BMSCs with R57A led to a dose dependent induction of chondrogenesis in BMSCs. Biochemical assays also showed an elevated glycosaminoglycan (GAG) content and expression of chondrogenic marker genes in corresponding pellets. While treatment with R57A led to superior chondrogenic differentiation compared to treatment with the GDF-5 wild type and similar levels compared to incubation with TGF-ß1, levels of chondrogenic hypertrophy were lower after induction with R57A and the GDF-5 wild type.
Conclusions
R57A is a stronger inducer of chondrogenesis in BMSCs than the GDF-5 wild type while leading to lower levels of chondrogenic hypertrophy in comparison with TGF-ß1.
The AMADEUS score is not a sufficient predictor for functional outcome after high tibial osteotomy
(2023)
Purpose
The Area Measurement And Depth Underlying Structures (AMADEUS) classification system has been proposed as a valuable tool for magnetic resonance (MR)-based grading of preoperatively encountered chondral defects of the knee joint. However, the potential relationship of this novel score with clinical data was yet to determine. It was the primary intention of this study to assess the correlative relationship of the AMADEUS with patient reported outcome scores in patients undergoing medial open-wedge high tibial valgus osteotomy (HTO). Furthermore, the arthroscopic ICRS (International Cartilage Repair Society) grade evaluation was tested for correlation with the AMADEUS classification system.
Methods
This retrospective, monocentric study found a total of 70 individuals that were indicated for HTO due to degenerative chondral defects of the medial compartment between 2008 and 2019. A preoperative MR image as well as a pre-osteotomy diagnostic arthroscopy for ICRS grade evaluation was mandatory for all patients. The Knee Osteoarthritis Outcome Score (KOOS) including its five subscale scores (KOOS-ADL, KOOS-QOL, KOOS-Sports, KOOS-Pain, KOOS-Symptoms) was obtained preoperatively and at a mean follow-up of 41.2 ± 26.3 months. Preoperative chondral defects were evaluated using the AMADEUS classification system and the final AMADEUS scores were correlated with the pre- and postoperative KOOS subscale sores. Furthermore, arthroscopic ICRS defect severity was correlated with the AMADEUS classification system.
Results
There was a statistically significant correlation between the AMADEUS BME (bone marrow edema) subscore and the KOOS Symptoms subscore at the preoperative visit (r = 0.25, p = 0.04). No statistically significant monotonic association between the AMADEUS total score and the AMADEUS grade with pre- and postoperative KOOS subscale scores were found. Intraoperatively obtained ICRS grade did reveal a moderate correlative relation with the AMADEUS total score and the AMADEUS grade (r = 0.28, p = 0.02).
Conclusions
The novel AMADEUS classification system largely lacks correlative capacity with patient reported outcome measures in patients undergoing HTO. The MR tomographic appearance of bone marrow edema is the only parameter predictive of the clinical outcome at the preoperative visit.
The treatment landscape in multiple myeloma (MM) is shifting from genotoxic drugs to immunotherapies. Monoclonal antibodies, immunoconjugates, T-cell engaging antibodies and CART cells have been incorporated into routine treatment algorithms, resulting in improved response rates. Nevertheless, patients continue to relapse and the underlying mechanisms of resistance remain poorly understood. While Impaired death receptor signaling has been reported to mediate resistance to CART in acute lymphoblastic leukemia, this mechanism yet remains to be elucidated in context of novel immunotherapies for MM. Here, we describe impaired death receptor signaling as a novel mechanism of resistance to T-cell mediated immunotherapies in MM. This resistance seems exclusive to novel immunotherapies while sensitivity to conventional anti-tumor therapies being preserved in vitro. As a proof of concept, we present a confirmatory clinical case indicating that the FADD/BID axis is required for meaningful responses to novel immunotherapies thus we report impaired death receptor signaling as a novel resistance mechanism to T-cell mediated immunotherapy in MM.
Purpose
To compare the performance of the dominant and nondominant hand during fundamental arthroscopic simulator training.
Methods
Surgical trainees who participated in a 2-day simulator training course between 2021 and 2023 were classified, according to their arthroscopic experience in beginners and competents. Only right-handed individuals with complete data sets were included in the study. Ambidexterity was trained using a box trainer (Fundamentals of Arthroscopic Surgery Training, Virtamed AG, Schlieren, Switzerland).Two tasks, periscoping for learning camera guidance and triangulation for additional instrument handling, were performed 4 times with the camera in the dominant hand and then in the nondominant hand. For each task, exercise time, camera path length, and instrument path length were recorded and analyzed.
Results
Out of 94 participants 74 right-handed individuals (22 females, 52 males) were classified to novices (n = 43, less than 10 independently performed arthroscopies) and competents (n = 31, more than 10 independently performed arthroscopies). Competents performed significantly better than novices. No significant difference was found after changing the guiding hand for the camera from the dominant to the nondominant hand regarding the camera path length and the instrument path length. Notably, tasks were performed even faster when using the camera in the nondominant hand.
Conclusions
Our data demonstrate that the learned manual skills during basic arthroscopic training are quickly transferred to the contralateral side. In consequence, additional fundamental skills training for camera guidance and instrument handling of the nondominant hand are not necessary.
Clinical Relevance
For skillful arthroscopy, camera guidance and instrument handing must be equally mastered with both hands. It is important to understand how hand dominance may affect learning during arthroscopic simulator training.
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.
Die AC-Sprengung ist eine weit verbreitete Verletzung des Schultergürtels und am häufigsten auf einen Sportunfall vorwiegend junger Männer zurückzuführen. Die optimale Therapie wird kontrovers diskutiert, keine der rund 150 OP-Methoden hat sich bisher als den anderen überlegen erwiesen. Allerdings gelten Operationen, bei denen das AC-Gelenk temporär durch eine intramedulläre Schienung per Kirschner-Draht ruhiggestellt wird, als sehr zuverlässig. Sie sind aufgrund einer sehr variablen Anatomie jedoch auch für erfahrene Operateure technisch anspruchsvoll. Ziel dieser Arbeit ist es daher, mithilfe der gewonnenen Kenntnisse zur idealen Lage eines K-Drahtes das operative Vorgehen zur temporären Transfixation des ACGs künftig durch eine gezieltere Platzierung zu erleichtern, somit die Operationsmethode zu optimieren und folglich das Outcome zu verbessern.
Für diese Arbeit wurden bereits vorliegende anonymisierte computertomographische Daten gesunder AC-Gelenke nach ihrer physiologischen Anatomie sowie der Lage eines virtuell ideal platzierten transartikulären K-Drahtes ausgewertet. Hierfür wurden CT-Daten von insgesamt 66 Schultern herangezogen, der Epidemiologie der AC-Sprengung entsprechend waren hiervon 59 Patienten und 7 Patientinnen zuzuordnen.
Die erhobenen Daten zeigen, dass die Lage des Eintrittspunktes idealerweise durch den orthogonalen Abstand des Drahtes zur Acromionspitze definiert wird und durchschnittlich 12,89 mm beträgt. Er ist primär abhängig von der Körpergröße und kann daher präoperativ anhand einer Regressionsgeraden individuell für jeden Patienten bestimmt werden.
Der Drahtverlauf sollte primär durch Zielen auf den markierten Austrittspunkt definiert werden. Das Abschätzen der Bohrrichtung anhand von Winkeln erscheint nahezu unmöglich.
Die Drahtlänge beläuft sich im Mittel auf 58,06 mm. Je kleiner der AC-Winkel ist, desto steiler und auch kürzer zeigt sich der Drahtverlauf.
Die Lage des Austrittspunktes korreliert ebenfalls signifikant mit dem AC-Winkel und kann daher nach erfolgter Winkelmessung im Röntgenbild anhand einer Regressionsgeraden abgelesen werden. Der mithilfe der Daten ermittelte Austrittspunkt eines ideal platzierten K-Drahtes befindet sich durchschnittlich auf Höhe des lateralen Claviculawinkels und somit auf Höhe der CC-Bänder.
Bei der nur geringen Fallzahl weiblicher Patienten besteht eine noch eingeschränkte Aussagekraft bezüglich geschlechtsabhängiger Lageunterschiede. Nach bisher vorliegenden Daten kann eine geschlechtsunabhängige OP-Planung erfolgen. Relevante ACG-Typ abhängige Lageunterschiede konnten ebenfalls nicht festgestellt werden, eine präoperative Bestimmung des anatomischen ACG-Typs ist daher nicht erforderlich.
Die erhobenen Daten deuten darauf hin, dass die ideale Drahtplatzierung unter Einhaltung aller Drahtlagekriterien nicht immer möglich ist. Betroffen sind kleine Patienten (Grenzwert: 158,6 cm Körpergröße), bei denen der Mindestabstand zur Acromionspitze nicht sichergestellt werden kann. Zudem besteht bei Patienten mit einem kleinen AC-Winkel (Grenzwert: 156,2°) das Risiko, die Mindestdrahtlänge innerhalb der Clavicula zu unterschreiten. In diesen Fällen muss entweder dezent von der idealen Drahtlage abgewichen oder auf ein alternatives OP-Verfahren ausgewichen werden.
This work developed during the first funding period of the subproject B05 in the framework of the interdisciplinary research consortium TRR 225 ‘From the Fundamentals of Biofabrication toward functional Tissue Models’ and was part of a cooperation between the Orthopedic Department represented by Prof. Dr. Regina Ebert and the Institute of Organic Chemistry represented by Prof. Dr. Jürgen Seibel.
This project dealed with cellular behavior during the bioprinting process and how to influence it by modifying the cell glycocalyx with functional target molecules. The focus was on the impact of potential shear stress, that cells experience when they get processed in thermoresponsive bioinks, and a way to increase the cell stiffness via metabolic glycoengineering to attenuate shear forces. For the characterization of the metabolic glycoengineering, four different peracetylated and four non-acetylated modified monosaccharides (two mannose and two sialic acid sugars) were tested in primary human mesenchymal stromal cells (hMSC) and telomerase-immortalized hMSC (hMSC-TERT). Viability results demonstrated a dose-dependent correlation for all sugars, at which hMSC-TERT seemed to be more susceptible leading to lower viability rates. The assessment of the incorporation efficiencies was performed by click chemistry using fluorescent dyes and revealed also a dose-dependent correlation for all mannose and sialic acid sugars, while glucose and galactose variants were not detected in the glycocalyx. However, incorporation efficiencies were highest when using mannose sugars in the primary hMSC. A subsequent analysis of the temporal retention of the incorporated monosaccharides showed a constant declining fluorescence signal up to 6 d for azido mannose in hMSC-TERT, whereas no signal could be detected for alkyne mannose after 2 d. Investigation of the differentiation potential and expression of different target genes revealed no impairment after incubation with mannose sugars, indicating a normal phenotype for hMSC-TERT. Following the successful establishment of the method, either a coumarin derivative or an artificial galectin 1 ligand were incorporated into the cell glycocalyx of hMSC-TERT as functional target molecule. The biophysical analysis via shear flow deformation cytometry revealed a slightly increased cell stiffness and lowered fluidity for both molecules. A further part of this project aimed to control lectin-mediated cell adhesion by artificial galectin 1 ligands. As that hypothesis was settled in the work group of Prof. Dr. Jürgen Seibel, this work supported with an initial characterization of galectin 1 as part of the hMSC biology. A stable galectin 1 expression at gene and protein level in both hMSC and hMSC-TERT could be confirmed, at which immunocytochemical stainings could detect the protein only in the glycocalyx. The treatment of hMSC-TERT with a galectin 1 ligand in different concentrations did not show an altered gene expression of galectin 1. However, these first data in addition to the investigation of stiffness confirmed the applicability of specific and artificial
IV
galectin 1 ligands in biofabrication approaches to alter cell properties of hMSC. To conclude, metabolic glycoengineering has been successfully implemented in hMSC and hMSC-TERT to introduce glycocalyx modifications which reside there for several days. A proof of concept was carried out by the increase of cell stiffness and fluidity by the incorporation of a coumarin derivative or an artificial galectin 1 ligand.
For the characterization of shear stress impact on cells after printing in thermoresponsive bioinks, the processing of hMSC-TERT (mixing or additionally printing) with Pluronic F127 or Polyoxazoline-Polyoxazine (POx-POzi) polymer solution was investigated. While there were no changes in viability when using POx-POzi bioink, processing with Pluronic F127 indicated slightly lower viability and increased apoptosis activity. Assessment of cellular responses to potential shear stress showed no reorganization of the cytoskeleton independent of the bioink, but highly increased expression of the mechanoresponsive proto-oncogene c Fos which was more pronounced when using Pluronic F127 and just mixed with the bioinks. Interestingly, processing of the mechanoresponsive reporter cell line hMSC-TERT-AP1 revealed slightly elevated mechanotransduction activity when using POx-POzi polymer and just mixed with the bioinks as well. In conclusion, hMSC-TERT embedded in thermoresponsive bioinks might shortly experience shear stress during the printing process, but that did not lead to remarkable cell damage likely due to the rheological properties of the bioinks. Furthermore, the printing experiments also suggested that cells do not sense more shear stress when additionally printed.