Lehrstuhl für Orthopädie
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No abstract available
Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde an 220 Patienten, die zwischen 1988 und 2007 im König-Ludwig-Haus in Würzburg durch einen Operateur wegen rezidivierender, überwiegend posttraumatischer ventraler Schulterinstabilität offen oder arthroskopisch mittels (modifizierter) Bankart-Prozedur operiert wurden, der „Instability Severity Index Score (ISIS)“ so erhoben, wie er aus den präoperativen Unterlagen zu ermitteln war. Alle Patienten wurden nach postoperativen Rezidivluxationen befragt und die Schulterfunktion wurde mittels standardisiertem und validiertem Fragebogen durch den „Constant Score“ und den „Oxford Shoulder Instability Score“ untersucht.
Ziel der Studie war es, den von Balg und Boileau 2007 vorgestellten „Instability Severity Index Score“ (ISIS) auf seine Aussagekraft hin am vorliegenden Kollektiv zu überprüfen. Zeitgleich sollten ein Vergleich der offenen mit den arthroskopischen Stabilisierungen sowie eine Analyse der Ursachen der Rezidivluxationen erfolgen.
Insgesamt kam es in acht Fällen zu Rezidivluxationen (3,6 %). Die offen Operierten wiesen eine Rate von 3,1 %, die Gruppe der arthroskopisch Operierten 8,7 % Rezidive auf. Patienten mit weniger oder gleich sechs Punkten im ISIS hatten in 2,7 % Reluxationen, Patienten mit mehr als sechs Punkten in 8,1 %.
Patienten, die rückblickend gemäß der Empfehlung aus dem ISIS operiert wurden, hatten in 5,3 % Rezidivluxationen. Patienten, die entgegen der Empfehlung operiert wurden, in 3,5 %. Alle Unterschiede waren statistisch nicht signifikant. In allen Gruppen konnten in den funktionellen Scores sehr gute Ergebnisse mit durchschnittlich über 87 % im alters- und geschlechtsadaptierten Constant Score und über 42 Punkten im Oxford Shoulder Instability Score ohne signifikante Unterschiede erzielt werden. Von den insgesamt acht Patienten mit Reluxationen lagen von zwei Patienten CT-Untersuchungen nach aufgetretener Reluxation vor. In beiden Fällen konnten signifikante Glenoidranddefekte gefunden werden.
Aus Sicht der erhobenen Daten und der erzielten Ergebnisse ist der ISIS als nützlich zur präoperativen Risikobewertung sowie zur Entscheidung über das operative Vorgehen einzuschätzen, wobei er keine imperative Handlungsanweisung darstellen sollte. Die Empfehlung zum Korakoidtransfer nach Latarjet ab sieben Punkten im ISIS kann anhand dieser Daten nicht bestätigt werden. Vielmehr konnte gezeigt werden, dass eine offene Bankart-Operation mit selektivem Kapselshift sehr gute Langzeitergebnisse bezüglich der Reluxationsraten und der funktionellen Ergebnisse liefert. Im Hinblick auf die erzielten Ergebnisse und Fehleranalysen ist weiterhin festzuhalten, dass bei Verdacht auf einen Glenoiddefekt in der Regel eine CT mit 3D-Rekonstruktion und Seiten-vergleich erfolgen sollte, um die Indikation zum offenen Knochenblocktransfer nicht zu verpassen. Offene und arthroskopische Stabilisierungen können bei richtiger Indikationsstellung kurz- und mittelfristig vergleichbar gute Ergebnisse liefern. Langfristig aber scheint das minimal-invasive Vorgehen höhere Raten an Rezidivluxationen aufzuweisen. Wie auch in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, ist ein langer Beobachtungszeitraum bei Studien, die das klinische Ergebnis von Schulterstabilisierungen untersuchen, sehr wichtig, um das wahre Ausmaß an postoperativen Rezidivinstabilitäten zu erfassen.
Fragestellung: Ziel der Untersuchung war es, Veränderungen im Verletzungsmuster im alpinen Skisport durch die Einführung des Carvingskis zu identifizieren. Methodik: Hierfür wurden 1383 Patienten, die in den Wintersaisons 2003/2005 und 2004/2005 die Ambulanz des Klinikums Garmisch-Partenkirchen aufsuchten, mit Hilfe eines standardisierten Fragebogens hinsichtlich unterschiedlicher, verletzungsrelevanter Parameter befragt und die Daten anschließend statistisch ausgewertet. Zusätzlich konnten im Rahmen eines Längsschnittsvergleiches Veränderungen im Vergleich zu den Wintern 2000/01 sowie 2001/02 eruiert werden. Ergebnisse: Signifikante Unterschiede im Sinne eines gehäuften Verletzungsrisikos ergaben sich für unterschiedliche Körperregionen für die verschiedenen Skitypen. Carvingskifahrer verletzten sich beispielsweise signifikant häufiger am Rumpf (p<0,05), jedoch seltener im Bereich des Kniegelenkes (p<0,05) und des Unterarms (p<0,01). Carvingskifahrer verletzten sich mit zunehmendem Fahrkönnen tendenziell häufiger im Bereich der oberen Extremität und des vorderen Kreuzbandes, während Kniegelenkstraumen insgesamt seltener beobachtet wurden. Kollisionsverletzungen waren bei Carvern nicht häufiger als bei Normalskifahrern zu beobachten. Die Verletzungsraten zeigten sich im longitudinalen Vergleich insgesamt weitgehend konstant. Schlussfolgerungen: Die verwendete Fahrtechnik (eigentliche carvende vs. driftende Fahrtechnik) scheint einen entscheidenden Einfluss auf das Verletzungsmuster auszuüben. Dies sowie die Auswirkungen des Carvingskis auf orthopädische Verletzungsmuster allgemein sollten auch weiterhin im Rahmen von Langzeitstudien beobachtet werden.
Osteozyten stehen vermehrt im Fokus als wesentliche Regulatoren der Knochenmineralisierung. Das ähnlich einem neuronalen Netzwerk aufgebaute lakunokanalikuläre Netzwerk der Osteozyten breitet sich im Knochen in drei Ebenen aus. Es wurde in dieser Arbeit ein 3D-Kollagengel-Modell verwendet und dort die Osteoblasten- bzw. Osteozytenzelllinien MLO-A5 und MLO-Y4, sowie humane mesenchymale Stammzellen aus Hüftköpfen eingebettet. Es wurden die optimalen Kulturbedingungen entwickelt und die Zellen über mehrere Wochen kultiviert, beobachtet und mit dem herkömmlichen 2D-Kulturmodell verglichen. MLO-A5 und MLO-Y4 bilden die zelltypischen Zellfortsätze. Die Gele kontrahieren, wenn hMSC und MLO-A5 eingebettet sind, mit MLO-Y4 zeigt sich über den gesamten Kultivierungszeitraum keinerlei Kontraktion der Kollagengele. Die Zellen wurden zudem osteogen differenziert und mit FGF23 und Klotho stimuliert. Es ergaben sich erste Hinweise auf eine FGF23 / Klotho-abhängige Inhibierung der lokalen Mineralisierung in osteogen differenzierten MLO-A5.
Es konnten einige osteogene Marker durch PCR und in den histologischen Schnitten mittels Antikörperfärbungen nachgewiesen werden, eindeutige Expressionsmuster und deren zeitliche Verläufe im Vergleich der osteogenen Differenzierungen und Zugabe von FGF23 und Klotho sind allerdings noch nicht identifizierbar und bedürfen womöglich höherer Fallzahlen und weiterer Untersuchungsmethoden. Insgesamt gesehen erweist sich das System aber als einfach und mit niederschwellig erreichbaren Methoden und Materialien durchzuführen.
Die primäre Gonarthrose ist ein komplexer, multifaktoriell bedingter Krankheitsprozess mit genetischer Komponente und gilt aufgrund ihrer epidemiologischen und sozioökonomischen Bedeutung als Volkskrankheit. Die Gene bzw. Proteine der Wnt- Familie spielen eine wichtige Rolle in der komplexen Regulation der Morphogenese, der Zelldifferenzierung , -proliferation und der Homöostase von Knochen und Knorpel. LRP 1 und LRP 5 fungieren als Co-rezeptoren des Wnt- Signalweges. In der vorliegenden Untersuchung wurden der A217V Polymorphismus des LRP 1 Gens und der A1330V Polymorphismus des LRP 5 Gens auf eine signifikante Assoziation mit dem Auftreten primärer Gonarthrose in einem arthroskopisch definierten Patientenkollektiv untersucht. Ziel der Studie war es, klar definierte Kollektive mit möglichst extremen Zuständen gegenüberzustellen und eine hochspezifische und hochsensitive Diagnostik zu verwenden. Junge, bereits in frühen Jahren an Gonarthrose erkrankte Patienten (<45 Jahre, Gruppe 1, n= 100) wurden älteren Patienten (>55 Jahre, Gruppe 3, n= 103), die nicht an Gonarthrose erkrankt waren, gegenübergestellt. Als weitere Gruppe dienten Patienten, welche eine endoprothetische Versorgung bei fortgeschrittener Gonarthrose erhielten (>55 Jahre, Gruppe 2, n= 86). Die Diagnose der primären Gonarthrose wurde anhand anamnestischer Daten sowie arthroskopischer bzw. direkt visuell erhobender Befunde im Rahmen der Arthrotomie bei Prothesenimplantation gestellt. Der Arthroseausschluss (Gruppe 3) erfolgte ebenfalls arthroskopisch. Methodisch wurden der WOMAC- Score, die Restriktions- Fragment- Längen- Polymorphismus (RFLP) Analyse sowie die Gensequenzierung angewendet. Die Allelverteilung der untersuchten Polymorphismen von LRP 1 und LRP 5 konnte zwischen den beiden gegenübergestellten Gruppen 1 und 3 keinen signifikanten Unterschied aufweisen. Für den LRP 5 A1330V Polymorphismus ergab sich ein signifikanter Unterschied (p< 0,05) zwischen den Gruppen 2 und 3. Dies kann als Hinweis auf eine mögliche arthrosefördernde oder auch protektive Funktion dieses Polymorphismus gewertet werden. Im Vergleich der Extremkollektive (Gruppe 1 vs. Gruppe 3) deutet sich lediglich ein Trend an (p= 0,067), so dass eine Assoziation des A1330V Polymorphismus des LRP 5 Gens mit primärer Gonarthrose erst durch weitere Untersuchungen mit höherer Fallzahl eindeutig bestätigt bzw. widerlegt werden kann.
Arthrose ist eine Erkrankung des Gelenks, die einen erheblichen Einfluss auf die Lebensqualität der Betroffenen sowie auch auf die Volkswirtschaft eines Landes hat. Das Kniegelenk ist das dabei am häufigsten befallene Gelenk. Leider gibt es bis zum heutigen Tag keine kausale, kurative Therapie dieser Erkrankung. In Frühstadien kann der Verlauf im Idealfall gestoppt werden, in Spätstadien ist häufig der künstliche Gelenkersatz die einzige Therapieoption, die Aussicht auf Schmerzfreiheit und einen gewissen Funktionserhalt gewährleisten kann. Lange Zeit war man der Meinung, dass die Arthrose eine logische Konsequenz des Alterns sei. Zuletzt geht man jedoch mehr und mehr davon aus, dass die Arthrose ein komplexes Zusamenspiel aus Entzündung, mechanischen Kräften, zellulären und biochemischen Prozessen sowie nicht zuletzt der Genetik ist. Die Genetik wurde in dieser Studie zum Fokus des Interesses gemacht, als ein entscheidender Faktor der primären Arthrose. Untersucht wurden Polymorphismen in entscheidenden Regionen (Promoter, Exons) von Genen, die im Arthrose-Prozess eine große Bedeutung haben: Il-1 alpha, Il-1 beta, TNF alpha und MMP-3 (Stromelysin). Viele bereits durchgeführte Studien lieferten widersprüchliche Ergebnisse, wiesen zu geringe Fallzahlen auf oder definierten die Kollektive nur unzureichend. Ziel dieser Studie war es klar definierte Kollektive mit möglichst extremen Zuständen gegenüberzustellen. Junge bereits in frühen Jahren an Arthrose Erkrankte (<45 Jahre) sollten gesunden Patienten über 55 Jahre gegenübergestellt werden. Als dritte Gruppe dienten Altersarthrotiker. Die Diagnosen wurden arthroskopisch gestellt, der Zielwert pro Gruppe sollte 100 Patienten betragen. Für die Auswertung wurden etablierte Verfahren wie die PCR, Restriktion und der Gensequencer genutzt. Die Allelverteilungen der Polymorphismen TNF alpha und MMP-3 konnten in der Auswertung zwischen den Gruppen keinen signifikanten Unterschied aufweisen. Das legt nahe, dass diese beiden Polymorphismen wohl keinen Einfluss auf die Entstehung von Arthrose haben. Bei Il-1 alpha und Il-1 beta wurden keine eindeutigen Ergebnisse erzielt. Es deutet sich ein Trend an, dass diese beiden Polymorphismen einen Einfluss haben, der allerdings erst durch eine höhere Fallzahl bestätigt bzw. widerlegt werden könnte. Ziel weiterer Untersuchungen sollte es ebenso sein, die bestehende bzw. die in der Fallzahl erhöhte DNS-Bank auf weitere Polymorphismen von Genen, die im Arthroseprozess eine Rolle spielen (z.B. Il-1 ra, weitere MMPs, TIMP etc.), zu untersuchen. Interessant könnte auch die Kombination einzelner Varianten innerhalb eines Genclusters sein, entsprechend dem Beispiel von Smith, A.J. et al. 2004 bei einem Il-1 R1-Il-1 alpha –Il-1 beta-Il-1 RN Gencluster. Sicherlich bedarf es noch viel intensiver Forschung, um das komplexe Zusammenspiel der einzelnen Faktoren im Arthroseprozess zu verstehen, um so die einzelnen Mosaiksteinchen innerhalb des Gesamtkomplexes darzustellen. Jedoch lässt sich nur auf diese Weise das Ziel erreichen, eines Tages diese multifaktorielle Erkrankung zu verstehen und zu heilen.
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.
Die Resektion der lateralen Klavikula ist eine häufig durchgeführte Operation bei symptomatischer AC-Gelenkarthrose. Es lagen bislang allerdings keine Daten vor, in welchem Abstand zum AC- Gelenk die Ligg. coracoclavicularia an der Klavikula inserieren. In vorliegender Studie wurden 36 Schulterpräparate, 18 von Männern und 18 von Frauen untersucht. Es wurde der Abstand der AC- Gelenkkapsel, des Lig. trapezoideum und des Lig conoideum zum AC-Gelenk gemessen. Zusätzlich wurde der Abstand des N. suprascapularis aufgrund seiner Nähe zum AC-Gelenk an der Incisura scapula und am Lig. spinoglenoidale zum AC- Gelenk gemessen. Der Abstand der an der Klavikula inserierenden Kapselfasern zum AC-Gelenk betrug im Durchschnitt bei Frauen 0,7 cm und bei Männern 0,8 cm. Die Fasern des Lig. trapezoideum an der Klavikula waren durchschnittlich 0,9 – 2,4 cm bei Frauen und 1,0 – 2,8 cm bei Männern vom distalen Klavikulaende entfernt. Die an der Klavikula inserierenden Fasern des Lig. conoideum lagen durchschnittlich bei Frauen 2,3 – 4,4 cm und bei Männern 2,9 – 5,0 cm vom lateralen Klavikulaende entfernt. Der N. suprascapularis verlief an der Incisura scapula durchschnittlich im Abstand von 3,8 cm und am Lig. spinoglenoidale durchschnittlich im Abstand von 3,3 cm zum AC-Gelenk. Es besteht also ein ausreichender Sicherheitsabstand zum Nerv bei der empfohlenen Resektionsweite von maximal 1 cm. Bei einer Resektion der lateralen Klavikula von 1 cm würden im Durchschnitt 8 % des Lig. trapezoideum durchtrennt werden. Bei einer Resektionsweite von 2 cm wären bereits 63 % des Lig. trapezoideum und bei einer Resektionsweite von 1 inch (2,54 cm) 90 % durchtrennt. Daher ist eine Resektionsweite der lateralen Klavikula von maximal 0,8 cm bei Frauen und maximal 1,0 cm bei Männern zu empfehlen. Falls sich bei Bewegungen wie Hyperabduktion und Hyperadduktion immer noch Knochenkontakt zwischen Akromion und Klavikula zeigt, sollten auch wenige Millimeter vom medialen Akromion reseziert werden. Bei einer größeren Resektionsweite an der lateralen Klavikula wäre eine Instabilität und damit verbundene Beschwerden möglich.
Handgelenkserkrankungen haben sowohl in Amerika wie auch in Europa mit steigenden Fallzahlen einen durch den Ausfall der Arbeitskraft nicht unerheblichen Einfluß auf die Volkswirtschaft. Ständige Wiederholungen in hoher Frequenz werden für die RSI ursächlich verantwortlich gemacht. Basierend auf der Annahme, dass Vibrationen und Beschleunigungskräften mittels Dämpfkörpern beeinflusst werden können, wurde die Coopercare Lastrap-Bandage entwickelt. Obwohl die Behandlung mit Handgelenksorthesen eine allgemein gängige Form der Behandlung von verschiedenen Handgelenkserkrankungen darstellt, gibt es hierzu nur sehr wenige klinische Daten über den Stellenwert dieser Verfahren. Daher wurde in einer prospektiven randomisierten Längsschnitt-Studie der Stellenwert einer Bandagenbehandlung mit biomechanisch begründetem Ansatz im Vergleich zur konventionellen Bandagentherapie an 34 Patienten mit unterschiedlichen Erkrankungen des Handgelenks getestet. Unserer Studie zufolge sind entsprechend dem biomechanischen Ansatz die unter 40-jährigen männlichen Patienten mit seit kurzem bestehender Tendovaginitis die Zielgruppe, die am Besten von einer Bandagentherapie mit der Lastrap®-Bandage profitieren. Bei unter 40-jährigen männlichen Patienten mit Distorsion des Handgelenks ist die Manu-Hit®-Bandage zu bevorzugen. Durch die deutliche Schmerzreduktion können hier Handgelenksorthesen unter anderem den Gebrauch von NSAR verringern und damit die Arzneimittelausgaben senken.
In bone tissue engineering, the design of 3D systems capable of recreating composition, architecture and micromechanical environment of the native extracellular matrix (ECM) is still a challenge. While perfusion bioreactors have been proposed as potential tool to apply biomechanical stimuli, its use has been limited to a low number of biomaterials. In this work, we propose the culture of human mesenchymal stem cells (hMSC) in biomimetic mineralized recombinant collagen scaffolds with a perfusion bioreactor to simultaneously provide biochemical and biophysical cues guiding stem cell fate. The scaffolds were fabricated by mineralization of recombinant collagen in the presence of magnesium (RCP.MgAp). The organic matrix was homogeneously mineralized with apatite nanocrystals, similar in composition to those found in bone. X-Ray microtomography images revealed isotropic porous structure with optimum porosity for cell ingrowth. In fact, an optimal cell repopulation through the entire scaffolds was obtained after 1 day of dynamic seeding in the bioreactor. Remarkably, RCP.MgAp scaffolds exhibited higher cell viability and a clear trend of up-regulation of osteogenic genes than control (non-mineralized) scaffolds. Results demonstrate the potential of the combination of biomimetic mineralization of recombinant collagen in presence of magnesium and dynamic culture of hMSC as a promising strategy to closely mimic bone ECM.
Bisphenol A-related effects on bone morphology and biomechanical properties in an animal model
(2022)
Bisphenol A (BPA), which is contained in numerous plastic products, is known to act as an endocrine-disruptive, toxic, and carcinogenic chemical. This experimental series sought to determine the influence of BPA exposure on the femoral bone architecture and biomechanical properties of male and female Wistar rats. BPA was applied subcutaneously by using osmotic pumps. After 12 weeks, the bones were analyzed by micro-computed tomography (micro-CT) and a three-point bending test. Comparing the female low- and high-dose groups, a significantly greater marrow area (p = 0.047) was identified in the group exposed to a higher BPA concentration. In addition, the trabecular number tended to be higher in the female high-dose group when compared to the low-dose group (p > 0.05). The area moment of inertia also tended to be higher in the male high-dose group when compared to the male low-dose group (p > 0.05). Considering our results, BPA-related effects on the bone morphology in female Wistar rats are osteoanabolic after high-dose exposure, while, in male rats, a tendency toward negative effects on the bone morphology in terms of a reduced cross-sectional cortical area and total area could be demonstrated.
Active vitamin D (1,25(OH)2D3) is known to exert direct anti-cancer actions on various malignant tissues through binding to the vitamin D receptor (VDR). These effects have been demonstrated in breast, prostate, renal and thyroid cancers, which all have a high propensity to metastasise to bone. In addition, there is evidence that vitamin D catabolism via 24-hydroxylase (CYP24A1) is altered in tumour cells, thus, reducing local active vitamin D levels in cancer cells. The aim of this study was to assess VDR and CYP24A1 expression in various types of bone metastases by using immunohistochemistry. Overall, a high total VDR protein expression was detected in 59% of cases (39/66). There was a non-significant trend of high-grade tumours towards the low nuclear VDR expression (p = 0.07). Notably, patients with further distant metastases had a reduced nuclear VDR expression (p = 0.03). Furthermore, a high CYP24A1 expression was detected in 59% (39/66) of bone metastases. There was a significant positive correlation between nuclear VDR and CYP24A1 expression (p = 0.001). Collectively, the VDR and CYP24A1 were widely expressed in a multitude of bone metastases, pointing to a potential role of vitamin D signalling in cancer progression. This is of high clinical relevance, as vitamin D deficiency is frequent in patients with bone metastases.
Summary
In adult hypophosphatasia (HPP) patients, elevated lumbar spine dual X-ray absorptiometry (DXA) values are associated with markers of disease severity and disease-specific fracture risk while femoral bone mineral density (BMD), being largely unaffected by the disease severity, may still be useful to monitor other causes of increased fracture risk due to low BMD.
Introduction
Hypophosphatasia (HPP) is a rare inherited metabolic disorder due to deficient activity of the tissue-nonspecific alkaline phosphatase (TNAP). Clinical manifestation in adult HPP patients is manifold including an increased risk for fractures, but data regarding clinical significance of DXA measurement and associations with fracture risk and disease severity is scarce.
Methods
Retrospective single-center analysis of DXA scans in patients with confirmed HPP (documented mutation, clinical symptoms, low alkaline phosphatase activity). Further data evaluation included disease-related fractures, laboratory results (alkaline phosphatase, pyridoxalphosphate, phosphoethanolamine), and medical history.
Results
Analysis included 110 patients (84 female, mean age of 46.2 years) of whom 37.3% (n = 41) were harboring two mutations. Average T-Score level at the lumbar spine was − 0.1 (SD 1.9), and mean total hip T-Score was − 1.07 (SD 0.15). Both lower ALP activity and higher substrate levels (pyridoxalphosphate and phosphoethanolamine) were significantly correlated with increased lumbar spine T-Score levels (p < 0.001) while BMD at the hip was not affected by indicators of disease severity. Increased lumbar spine BMD was significantly associated with an increased risk for HPP-related fractures, prevalent in 22 (20%) patients (p < 0.001) with 21 of them having biallelic mutations.
Conclusion
BMD in adult HPP patients is not systematically reduced. Conversely, increased lumbar spine BMD appears to be associated with severely compromised mineralization and increased risk for HPP-related fractures while BMD at the hip appears unaffected by indicators of disease severity, suggesting suitability of this anatomic location for assessing and discerning disorders with increased fracture risk owing to reduced BMD like osteoporosis.
Trial registration number
German register for clinical studies (DRKS00014022)
Date of registration
02/10/2018 – retrospectively registered
Summary
There is limited understanding of how asfotase alfa affects mineral metabolism and bone turnover in adults with pediatric-onset hypophosphatasia. This study showed that adults with hypophosphatasia treated with asfotase alfa experienced significant changes in biochemical markers of bone and mineral metabolism, possibly reflecting enhanced bone remodeling of previously osteomalacic bone.
Introduction
Hypophosphatasia (HPP), due to a tissue nonspecific alkaline phosphatase (TNSALP) deficiency, can cause impaired bone mineralization and turnover. Although HPP may be treated with asfotase alfa, an enzyme replacement therapy, limited data are available on how treatment with asfotase alfa affects mineral metabolism and bone turnover in adults with HPP.
Methods
ALP substrates, bone turnover and mineral metabolism markers, and bone mineral density (BMD) data from EmPATHY, a single-center, observational study of adults (≥ 18 years) with pediatric-onset HPP treated with asfotase alfa (NCT03418389), were collected during routine clinical care and analyzed from baseline through 24 months of treatment.
Results
Data from 21 patients showed significantly increased ALP activity and reduced urine phosphoethanolamine (PEA)/creatinine (Cr) ratios after baseline through 24 months of asfotase alfa treatment. There were significant transient increases in parathyroid hormone 1-84 (PTH), osteocalcin, and procollagen type 1 N-propeptide (P1NP) levels at 3 and 6 months and in tartrate-resistant acid phosphatase 5b (TRAP5b) levels at 3 months, with a significant decrease in N-terminal telopeptide of type 1 collagen (NTX) levels at 24 months. Lumbar spine BMD T scores continuously increased during treatment.
Conclusion
Significant changes in bone turnover and mineral metabolism markers after asfotase alfa treatment suggest that treatment-mediated mineralization may enable remodeling and bone turnover on previously unmineralized surfaces. Urine PEA/Cr ratios may be a useful parameter in monitoring treatment during routine care.
Hypophosphatasia (HPP) is a rare, inherited, metabolic disease caused by deficient tissue non‐specific alkaline phosphatase activity. This study aims to assess patient‐reported pain, disability and health‐related quality of life (HRQoL) in a real‐world cohort of adults with HPP who were not receiving asfotase alfa during the analysis. Adults (≥18 years old) with HPP (confirmed by ALPL gene mutation and/or low serum alkaline phosphatase activity for age/sex) were identified from the Global HPP Registry (NCT02306720). Demographics, clinical characteristics, and data on patient‐reported pain, disability, and HRQoL (assessed by Brief Pain Inventory Short Form [BPI‐SF], Health Assessment Questionnaire Disability Index [HAQ‐DI], and 36‐Item Short‐Form Health Survey version 2 [SF‐36v2], respectively) were stratified by pediatric‐ and adult‐onset HPP and summarized descriptively. Of the 304 adults included (median [min, max] age 48.6 [18.8, 79.8] years; 74% women), 45% had adult‐onset HPP and 33% had pediatric‐onset HPP (unknown age of onset, 22%). Of those with data, 38% had experienced ≥5 HPP manifestations and 62% had a history of ≥1 fracture/pseudofracture. Median (Q1, Q3) BPI‐SF scores were 3.5 (1.5, 5.3) for pain severity and 3.3 (0.9, 6.2) for pain interference. Median (Q1, Q3) disability on the HAQ‐DI was 0.3 (0.0, 0.7). Median (Q1, Q3) physical and mental component summary scores on the SF‐36v2 were 42.4 (32.7, 49.9) and 45.3 (36.3, 54.8), respectively. Greater numbers of HPP manifestations experienced/body systems affected correlated significantly with poorer scores on the BPI‐SF, HAQ‐DI, and SF‐36v2 (all p < 0.05). No significant differences between adults with pediatric‐ and adult‐onset HPP were observed for patient‐reported outcomes, except for disability and the BPI‐SF question “pain at its worst,” which were significantly higher among adults with pediatric‐ versus adult‐onset HPP (p = 0.03 and 0.04, respectively). These data from the Global HPP Registry show that adults with HPP have a substantial burden of illness that is associated with reduced patient‐reported HRQoL, regardless of age of disease onset.
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.
Resection of musculoskeletal sarcoma can result in large bone defects where regeneration is needed in a quantity far beyond the normal potential of self-healing. In many cases, these defects exhibit a limited intrinsic regenerative potential due to an adjuvant therapeutic regimen, seroma, or infection. Therefore, reconstruction of these defects is still one of the most demanding procedures in orthopaedic surgery. The constraints of common treatment strategies have triggered a need for new therapeutic concepts to design and engineer unparalleled structural and functioning bone grafts. To satisfy the need for long-term repair and good clinical outcome, a paradigm shift is needed from methods to replace tissues with inert medical devices to more biological approaches that focus on the repair and reconstruction of tissue structure and function. It is within this context that the field of bone tissue engineering can offer solutions to be implemented into surgical therapy concepts after resection of bone and soft tissue sarcoma. In this paper we will discuss the implementation of tissue engineering concepts into the clinical field of orthopaedic oncology.
Purpose
The AMADEUS (Area Measurement And DEpth and Underlying Structures) scoring and grading system has been proposed for the MRI based evaluation of untreated focal chondral defects around the knee. The clinical practicability, its correlation with arthroscopically assessed grading systems (ICRS – International Cartilage Repair Society) and thereby its clinical value in terms of decision making and guiding prognosis was yet to determine.
Methods
From 2008 to 2019 a total of 89 individuals were indicated for high tibial valgus osteotomy (HTO) due to tibial varus deformity and concomitant chondral defects of the medial compartment of the knee. All patients received a preoperative MRI (1.5 Tesla or 3.0 Tesla) and pre-osteotomy diagnostic arthroscopy. Chondral defects of the medial compartment were scored and graded with the MRI based AMADEUS by three independent raters and compared to arthroscopic defect grading by the ICRS system. Interrater and intrarater reliability as well as correlation analysis with the ICRS classification system were assessed.
Results
Intraclass correlation coefficients for the various subscores of the AMADEUS showed an overall good to excellent interrater agreement (min: 0.26, max: 0.80). Intrarater agreement turned out to be substantially inferior (min: 0.08, max: 0.53). Spearman correlation revealed an overall moderate correlative association of the AMADEUS subscores with the ICRS classification system, apart from the defect area subscore. Sensitivity of the AMADEUS to accurately identify defect severity according to the ICRS was 0.7 (0.69 for 3.0 Tesla MRI, 0.67 for 1.5 Tesla MRI). The mean AMADEUS grade was 2.60 ± 0.81 and the mean ICRS score 2.90 ± 0.63.
Conclusions
Overall, the AMADEUS with all its subscores shows moderate correlation with the arthroscopic chondral grading system according to ICRS. This suggests that chondral defect grading by means of the MRI based AMADEUS is well capable of influencing and guiding treatment decisions. Interrater reliability shows overall good agreement.
Calcification of the medial collateral ligament (MCL) of the knee is a very rare disease. We report on a case of a patient with a calcifying lesion within the MCL and simultaneous calcifying tendinitis of the rotator cuff in both shoulders. Case presentation: Calcification of the MCL was diagnosed both via x-ray and magnetic resonance imaging (MRI) and was successfully treated surgically. Calcifying tendinitis of the rotator cuff was successfully treated applying conservative methods. Conclusion: This is the first case report of a patient suffering from both a calcifying lesion within the medial collateral ligament and calcifying tendinitis of the rotator cuff in both shoulders. Clinical symptoms, radio-morphological characteristics and macroscopic features were very similar and therefore it can be postulated that the underlying pathophysiology is the same in both diseases. Our experience suggests that magnetic resonance imaging and x-ray are invaluable tools for the diagnosis of this inflammatory calcifying disease of the ligament, and that surgical repair provides a good outcome if conservative treatment fails. It seems that calcification of the MCL is more likely to require surgery than calcifying tendinitis of the rotator cuff. However, the exact reason for this remains unclear to date.
Background:
The standardized maritime pine bark extract (Pycnogenol\(^{®}\)) has previously shown symptom alleviating effects in patients suffering from moderate forms of knee osteoarthritis (OA). The cellular mechanisms for this positive impact are so far unknown. The purpose of the present randomized pilot controlled study was to span the knowledge gap between the reported clinical effects of Pycnogenol\(^{®}\) and its in vivo mechanism of action in OA patients.
Methods:
Thirty three patients with severe OA scheduled for a knee arthroplasty either received 100 mg of Pycnogenol\(^{®}\) twice daily or no treatment (control group) three weeks before surgery. Cartilage, synovial fluid and serum samples were collected during surgical intervention. Relative gene expression of cartilage homeostasis markers were analyzed in the patients' chondrocytes. Inflammatory and cartilage metabolism mediators were investigated in serum and synovial fluid samples.
Results:
The oral intake of Pycnogenol\(^{®}\) downregulated the gene expression of various cartilage degradation markers in the patients' chondrocytes, the decrease of MMP3, MMP13 and the pro-inflammatory cytokine IL1B were statistically significant (p ≤ 0.05). Additionally, protein concentrations of ADAMTS-5 in serum were reduced significantly (p ≤ 0.05) after three weeks intake of the pine bark extract.
Conclusions:
This is the first report about positive cellular effects of a dietary supplement on key catabolic and inflammatory markers in patients with severe OA. The results provide a rational basis for understanding previously reported clinical effects of Pycnogenol\(^{®}\) on symptom scores of patients suffering from OA.
Background
The role of cement-augmented screw fixation for calcaneal fracture treatment remains unclear. Therefore, this study was performed to biomechanically analyze screw osteosynthesis by reinforcement with either a calcium phosphate (CP)-based or polymethylmethacrylate (PMMA)-based injectable bone cement.
Methods
A calcaneal fracture (Sanders type IIA) including a central cancellous bone defect was generated in 27 synthetic bones, and the specimens were assigned to 3 groups. The first group was fixed with four screws (3.5 mm and 6.5 mm), the second group with screws and CP-based cement (Graftys (R) QuickSet; Graftys, Aix-en-Provence, France), and the third group with screws and PMMA-based cement (Traumacem (TM) V+; DePuy Synthes, Warsaw, IN, USA). Biomechanical testing was conducted to analyze peak-to-peak displacement, total displacement, and stiffness in following a standardized protocol.
Results
The peak-to-peak displacement under a 200-N load was not significantly different among the groups; however, peak-to-peak displacement under a 600- and 1000-N load as well as total displacement exhibited better stability in PMMA-augmented screw osteosynthesis compared to screw fixation without augmentation. The stiffness of the construct was increased by both CP- and PMMA-based cements.
Conclusion
Addition of an injectable bone cement to screw osteosynthesis is able to increase fixation strength in a biomechanical calcaneal fracture model with synthetic bones. In such cases, PMMA-based cements are more effective than CP-based cements because of their inherently higher compressive strength. However, whether this high strength is required in the clinical setting for early weight-bearing remains controversial, and the non-degradable properties of PMMA might cause difficulties during subsequent interventions in younger patients.
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.
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.
Angiopoetin-like 4 (ANGPTL-4) ist ein Adipokin, das in der extrazellulären Matrix lokalisiert ist und das neben seinen Aufgaben im Fettstoffwechsel auch die Zellmigration, Zellinvasion und die Angioneogenese reguliert. Da es zusätzlich auch den Knochenabbau fördert, wirkt es als Tumorpromotor speziell für Knochentumore. Aufgrund der gesteigerten Expression in Tumorgewebe ist es potenzielles Ziel für molekulare Bildgebung. Mittels Expressionsanalysen auf mRNA- und Proteinebene sollte ein besseres Verständnis der Regulation von ANGPTL-4 erreicht werden. Dexamethason und die 9-cis-Retinsäure beeinflussten die Expression von ANGPTL-4 in MDA Zellen im positiven Sinne, wohingegen der Adenylatcyclase Aktivator Forskolin die Expression supprimierte. In MCF-7 Zellen wurde ANGPTL-4 durch den Phorbolester PMA und durch den Epidermalen Wachstumsfaktor (EGF) induziert. Eine Modulation von ANGPTL-4 könnte von klinischem Nutzen sein, speziell bei der Behandlung von Knochentumoren. Zusätzlich könnte die Trennschärfe von molekularen bildgebenden Verfahren gesteigert werden.
Die Coxarthrose ist eine häufige degenerative Erkrankung, deren Prävalenz mit steigendem Lebensalter zunimmt. Durch die steigende Lebenserwartung der Bevölkerung nimmt dementsprechend auch die Anzahl an Patienten mit Coxarthrose zu. Die Therapie besteht konservativ u.a. aus Physiotherapie und Analgesie. Reichen die konservativen Maßnahmen nicht aus, steht der totale Gelenkersatz in Form eine Totalendoprothese zur Verfügung. Bisher gibt es keine regenerativen Therapien, die den arthrotisch degenerierten Gelenkknorpel ersetzen können. Durch die Fähigkeit, sich in Knochen-, Fett- und Knorpelzellen zu differenzieren, ist in der Vergangenheit die mesenchymale Stammzelle in den Fokus der Forschung gerückt. Es wird vermutet, dass diese Stammzellpopulation das Potential besitzen könnte, den defekten Knorpel zu ersetzen. Diese Zellpopulation ist in vivo jedoch noch nicht ausreichend charakterisiert und es fehlen belastbare Daten, wie sich die (pathologische) Umgebung auf die MSC auswirkt. In den letzten Jahren sind diverse Populationen von MSC mit unterschiedlichen Eigenschaften entdeckt worden. Um die subchondralen Populationen aus arthrotischen Hüften genauer zu charakterisieren, wurde hier Reaming aus dem Acetabulum (ein bei der Hüft-TEP Implantation anfallendes chirurgisches Abfallprodukt) untersucht. Die enthaltenen Zellen wurden im Hinblick auf die zelluläre Signatur und donorenbezogenen Eigenschaften untersucht. Parameter, die untersucht wurden, waren das Alter, das Geschlecht, der BMI und der K&L Score. Außerdem wurde die zelluläre Signatur anhand bestimmter Oberflächenmarker untersucht. Weiterhin wurden die isolierten und kultivierten MSC untersucht, ob sie sich bzgl. ihrer Fähigkeit unterscheiden, sich in die adipogene bzw. osteogene Linie zu differenzieren. Eine Eigenschaft, die bisher bei allen Populationen von möglichen MNC bzw. MSC nachgewiesen wurde, ist ihre Fähigkeit Kolonien zu bilden - sog. CFU-F. Bei den durchgeführten Untersuchungen zeigte sich, dass aus allen erhaltenen Proben MSC in Form von CFU-F gewonnen werden konnten. Weiterhin waren alle Zellen in der Lage adipogen bzw. osteogen zu differenzieren. Signifikante Unterschiede in Bezug auf die Differenzierungseigenschaften konnten nicht festgestellt werden. Eine höhere CFU-F Bildung konnte aus dem Reaming von männlichen Donoren nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich eine signifikant höhere Anzahl CD271-exprimierender Zellen im Reaming von männlichen Donoren befand. Ebenfalls konnte eine signifikante Zunahme für CD45- CD13+ CD105+ Zellen mit steigendem BMI nachgewiesen werden.
Durch diese umfassende Versuchsreihe konnte dargelegt werden, dass es in arthrotischen Hüften Unterschiede in der MSC Zahl im Vergleich der Geschlechter gibt und dass bestimmte Populationen von MSC mit steigendem BMI zunehmen. Um diese Ergebnisse einordnen zu können ist es in Zukunft notwendig zu untersuchen, ob diese Unterschiede allein durch die Arthrose bedingt sind oder ob dieser Unterschied auch im gesunden Knochenmark vorliegt.
Osteoporose wird definiert als erworbene, generalisierte Skeletterkrankung, die durch eine verminderte Knochenfestigkeit und einen pathologischen Knochenverlust charakterisiert wird. Durch die Störung der Mikroarchitektur kommt es zu strukturellen und funktionellen Defiziten im Sinne von Fragilitätsfrakturen. Mechanische Stimulation erhält die Gewebemasse und stimuliert deren kontinuierliche Anpassung. Östrogene spielen bei der Entwicklung, dem Wachstum und der Regeneration des Knochens eine bedeutende Rolle und wirken über Bindung an die Östrogenrezeptoren ER und ER in bestimmten Zielgeweben. Östrogenrezeptoren sind unverändert sehr geeignete Targets für die Entwicklung von Medikamenten im Rahmen der Osteoporosetherapie wie z.B. die selektiven Östrogen-Rezeptor-Modulatoren (SERMs). Die molekulare Klärung der Einflüsse von ER und ER ist unverändert von großer klinischer Bedeutung. Die Herstellung stabiler Zelllinien mit Überexpression von Reportergenkonstrukten und Rezeptoren kann dabei hilfreich sein. In dieser Arbeit wurde eine stabile Zelllinie mit Überexpression von ERβ etabliert, die unterschiedliche Wirkung von ER und ER wurden analysiert und die Effekte von zyklischer Dehnung auf Reportergenexpression unter der Kontrolle von mechanosensitiven responsiven Elementen wurden charakterisiert.
Das kolorektale Karzinom ist in der westlichen Welt die zweithäufigste Todesursache bei Männer und Frauen. Wichtige Pathomechanismen der kolorektalen Karzinome konnten in den letzten Jahren aufgedeckt werden. Die Anhäufung von genetischen Alterationen spielen sowohl bei sporadischen, als auch bei den hereditären Formen eine wichtige Rolle. Zwei molekulargenetische Hauptwege sind bei der kolorektalen Karzinogenese identifiziert worden: erstens der Tumorsuppressor-Pathway, bei dem es zu Alterationen in Tumorsuppresor- und Onkogenen kommt und zweitens der Mutatior-Pathway, der auf genetischen Alterationen in DNA-mismatch-Reparatur-Genen beruht, die zu einer genetischen Instabilität führen mit einer hohen Mutationsrate in repetitiven DNA-Sequenzen (sog. Mikrosatelliten). Es konnte gezeigt werden, dass oxidativer Stress, der durch die Bildung von H2O2 und anderen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) hervorgerufen wird, zur Entstehung von zellulären und DNA-Schäden wie z.B. oxidative Basenschäden, die ihrerseits u.a. die Entstehung von fixen Punktmutationen, Fragmentation der Desoxiribose und DNA-Strangbrüche initiieren, führen kann. Diese Veränderungen und auch die Mismatch-Reparatur-Defizienz begünstigen die Tumorprogression im Kolon. Es wird geschätzt, dass durch ROS täglich ca.20 000 hits pro Zelle verursacht werden. Es existieren sowohl extrazelluläre, als auch zelluläre antioxidative Abwhrsysteme, die Biomoleküle wie u.a. die DNA vor dem oxidativen Stress schützen. Unter diesen protektiven Enzymen gibt es neben der Superoxidismutase und der Katalase auch zahlreiche Selenoproteine, die Selenocystein in ihrem aktiven Zentrum tragen. Zu diesen Enzymen, die antioxidative Funktionen wahrnehmen gehören u.a. die Glutathionperoxidase, die Thioredoxinreduktase und das Selenoprotein P. Die Glutathionperoxidase-Familie besteht aus der cytosolischen Glutathioperoxidase (cGPx), der plasmatischen Glutathionperoxidase (pGPx), der gastrointestinalen Glutathionperoxidase (GI-GPx) und der Phospholipid-Hydroperoxid-Glutathionperoxidase (PH-GPx). Diese Enzymfamilie ist an der Reduktion von Hydroperoxiden beteiligt, wobei sie Glutathion als Cofaktor benutzt. Die Thioredoxinreduktase-Familie (TrxR-alpha und Trxr-beta) regeneriert oxidiertes Thioresoxin, das in die DNA-Synthese involviert ist und auch in zelluläre Redox-Regulationssysteme eingreift und Transkriptionsfaktoren beeinflusst. Das Selenoprotein P, das bis zu 10 Seleocysteinreste pro Molekül enthält, baut Peroxinitrit ab, das seinerseits ein starkes Agens bei der Nitrosylation von Biomolekülen ist. Zusätzlich reduziert Selenoprotein P auch Phospholipid-Hydroperoxide, wenn auch weniger effektiv als PH-GPx. Es konnte in Vorarbeiten gezeigt werden, dass Selenoproteine im Gastrointestinaltrakt eine differentielle Expression aufweisen. Kürzlich konnte in unserer Arbeitsgruppe die inverse mRNA-Expression selnocysteinhaltigen Proteine GI-GPx und Selenoprotein P in kolorektalen Adenomen im Vergleich zur Normalmukosa charakterisiert werden. Dabei zeigte sich eine dramatische Abnahme der Selenoprotein P-Expression, während die Expression der GI-GPx signifikant erhöht war. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten wir die Expression der GI-GPx in kolorektalen Karzinomen und Kolonkarzinom-Zelllinien, um auf Ebene der Selenoprotein-kodierenden Gene nach Alterationen zu suchen, die die veränderte Expression mit verursachen könnten.
Im seltenen Krankheitsbild der Hypophosphatasie (HPP) treten aufgrund der Fehlfunktion der Gewebe-unspezifischen Alkalischen Phosphatase (tissue-nonspecific alkaline phosphatase, TNAP) skelettale und dentale Symptome in sehr variabler Ausprägung auf. Der vorzeitige Verlust von Milchzähnen ist das zahnmedizinische Leitsymptom und in vielen Fällen ein erstes Anzeichen dieser Erkrankung. In dieser Arbeit wurde ein in vitro Modell der HPP etabliert und der Fokus auf die dentalen Aspekte dieser Erkrankung gelegt. Hierzu wurden mesenchymale Stammzellen (MSCs) aus Bereichen analysiert, die bei einer Erkrankung von dieser Mineralisierungsstörung betroffen sind. Es wurden dentale Stammzellen aus der Pulpa (dental pulp stem cells, DPSCs) und dem parodontalen Ligament (periodontal ligament stem cells, PDLSCs) isoliert und im Vergleich zu Stammzellen aus dem Knochenmark (bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs) charakterisiert. Um den Einfluss der Spendervariabilität zu reduzieren, wurden aus dem gesamten dentalen Probenmaterial nur vollständige Probenpaare aus DPSCs und PDLSCs von 5 Spendern für die vergleichenden Analysen verwendet. Die dentalen MSCs konnten somit paarweise direkt miteinander verglichen werden.
DPSCs gelten seit ihrer Entdeckung von Gronthos et al. im Jahr 2000 als geeignete Quelle für die Stammzellgewinnung mit vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen muskuloskelettalen Medizin. PDLSCs sind aufgrund der parodontalen Problematik der HPP von besonderem Interesse in dieser Arbeit. Die Isolation von Stammzellen aus Pulpa und PDL konnte mit dem Nachweis der sogenannten Minimalkriterien für MSCs bestätigt werden.
In diesem durch Enzyminhibition mit Levamisol induzierten in vitro Modell der HPP wurde die TNAP-abhängige Genexpression, die Enzym-Aktivität und das osteogene Differenzierungspotenzial an diesen drei Mineralisierungs-assoziierten MSCs untersucht. Die erweiterte Genexpressionsanalyse in Kooperation mit der Core Unit Systemmedizin der Universität Würzburg mit einer RNA-Sequenzierung der PDLSCs ergab interessante Einblicke in die differentielle Genexpression nach der TNAP-Inhibition während der osteogenen Differenzierung und Ansatzpunkte für weitere Analysen. Die beobachteten Genregulationen waren nach dem derzeitigen Verständnis pathologischer Zusammenhänge nachvollziehbar und simulierten in vitro HPP-relevante Signalwege repräsentativ. Insbesondere die signifikante Genregulation von P2X7 und DMP1, sowie Zusammenhänge aus dem Wnt-Signalweg zeigen hinsichtlich der dentalen Aspekte der HPP neue Ansatzpunkte auf. Die erhöhte P2X7-Expression in diesem in vitro HPP-Modell scheint mit der Parodontitis-Problematik der HPP zu korrelieren und verdeutlicht unter anderem die multifaktorielle Ätiologie und Pathogenese der Parodontitis. Die Tatsache, dass die experimentellen Beobachtungen in Einklang mit dem klinischen Bild der HPP gebracht werden können, bestätigt die Relevanz des hier etablierten in vitro Modells. Zusammenfassend konnten anhand dieses in vitro Modells der HPP neue Aspekte aufgedeckt werden, die nicht nur im Hinblick auf die dentale Problematik der HPP aufschlussreich sind.
Phosphat stellt einen essenziellen Bestandteil der Knochenhartsubstanz dar und ist zudem erforderlich, um mesenchymale Stammzellen osteogen zu differenzieren. Bei der Aufklärung molekularer Pathomechanismen von Störungen der Phosphathomöostase wurden in den vergangenen zehn Jahre mehrere Botenstoffe identifiziert, die spezifische Wirkungen auf den systemischen Phosphathaushalt haben. Die als „Phosphatonine“ bezeichneten Substanzen FGF23 (Fibroblastenwachstumsfaktor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7 (Fibroblastenwachstumsfaktor 7) und MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein) induzieren eine negative Phosphatbilanz, indem sie an der Niere phosphaturisch wirken. Ziel dieser Arbeit war es, eventuell vorhandene Interaktionen zwischen knochenbildenden Zellen, Phosphat und den inzwischen bekannten Substanzen mit Wirkung auf den Phosphathaushalt zu charakterisieren. Dazu wurden immortalisierte Zelllinien mesenchymaler Stammzellen (hMSC-TERT) und fetaler Osteoblasten (hFOB) konzentrations- und zeitabhängig mit Phosphat stimuliert (von 1,25 mM bis 20 mM, von 0 bis 48 h). Die quantitative real-time-PCR zur relativen mRNA-Quantifizierung wurde dabei in der Arbeitsgruppe als Methode etabliert, um den Einfluss dieser erhöhten Phosphatspiegel im Nährmedium auf die Expression von Genen des Phosphatstoffwechsels und Markern der osteogenen Differenzierung zu analysieren. Untersucht wurden Col1 (Kollagen 1), OC (Osteokalzin), AP (Alkalische Phosphatase) und OP (Osteopontin) als Differenzierungsmarker, Pit-1 (Natrium-Phosphattransporter), sFRP4, MEPE und FGF23 als Schlüsselsubstanzen im Phosphatstoffwechsel sowie Aktin und EF1a als Housekeeping-Gene. Die real-time-PCR wurde mit der SYBR® Green-Methode durchgeführt, die Effizienzbestimmung erfolgte mit LinRegPCR, die Auswertung mit REST© und REST 2005, jeweils für die ermittelte Effizienz und die als optimal angenommene Effizienz (E=2). Zunächst konnte die Expression des Natrium-Phosphattransporters Pit-1 in den Zellen hMSC-TERT und hFOB nachgewiesen werden. Bei beiden Zelllinien zeigte sich, dass die Expression von sFRP4 mit steigender Phosphatkonzentration bzw. steigender Stimulationsdauer nach unten reguliert wird. Beim Vergleich aller stimulierten Proben mit den unstimulierten Kontrollen fiel das Expressionsverhältnis bei hMSC-TERT ungefähr auf die Hälfte des Ausgangswertes (0,52; p<0,05), bei hFOB reduzierte es sich auf zwei Drittel (0,67; p<0,05). Es ist somit anzunehmen, dass Phosphat in der Lage ist, die Genexpression von sFRP4 in hMSC-TERT und hFOB nach unten zu regulieren. Für Pit-1 ergab sich bei hMSC-TERT der Hinweis auf eine gesteigerte mRNA-Expression unter Phosphateinwirkung, für hFOB-Zellen konnte diese Beobachtung nicht gemacht werden. Beide Zelllinien zeigten unter Phosphat-Stimulation und maximaler Einwirkzeit von 48 h kein einheitliches Expressionsmuster, das auf eine beginnende Differenzierung hinweisen würde. Der in dieser Arbeit gefundene Hinweis auf eine Phosphatsensitivität von sFRP4 in mesenchymalen Stammzellen und Osteoblasten lässt somit die Vermutung einer physiologischen Beteiligung von sFRP4 an der Phosphatregulation zu. Es bleibt zu klären, inwieweit andere Phosphatonine an solchen Signalachsen beteiligt sind. Spekuliert werden kann, dass sFRP4 auch als Antagonist des Wnt-Signalweges bei Differenzierungsvorgängen eine größere Rolle spielt als bisher angenommen. Des Weiteren sollte in der vorliegenden Arbeit ein Genexpressionssystem (Tet-On™ Konstrukt) in mesenchymalen adulten Stammzellen (hMSC-TERT) etabliert werden, mit dem im Endzustand die Expression beliebiger Gene Tetracyclin-abhängig induziert werden kann. Diese Arbeiten konnten bis zur ersten Transfektion erfolgreich durchgeführt werden: Für einen Referenz-Vektor zeigte sich eine ausgeprägte Induzierbarkeit durch Doxycyclin. Als erstes Gen sollte sFRP4 überexprimiert werden, das dafür zunächst isoliert, sequenziert und kloniert wurde und nun für den Einsatz in diesem Genexpressionssystem zur Verfügung steht. Die Aufklärung der Regulationsmechanismen und auch der Wirkungsweise von Phosphat wird ein wichtiges Ziel zukünftiger Forschung sein und eventuell neue therapeutische Möglichkeiten zur Behandlung von krankhaften Abweichungen der Phosphathomöostase eröffnen.
Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob mittels IHH-Gentransfer aus Hüftköpfen gewonnene hMSCs chondrogen im Pelletkultursystem differenziert werden können und ob zugleich durch IHH eine Modulation der hypertrophen Enddifferenzierung der hMSCs in diesem System möglich ist. IHH bestimmt in der Wachstumsfuge zusammen mit PTHrP während der endochondralen Ossifikation die Chondrozytenreifung und -differenzierung entscheidend mit und ist daher ein interessanter Kandidat zur Induktion von hyalinem oder zumindest hyalin-ähnlichem Knorpelgewebe in der stammzellbasierten Gentherapie. Nach Gewinnung und Kultivierung der hMSCs wurden diese mit Ad.GFP, Ad.IHH, Ad.IHH+TGF-β1, Ad.IHH+SOX-9 oder Ad.IHH+BMP-2 transduziert bzw. ein Teil für die Negativkontrolle nicht transduziert und im Anschluss alle Gruppen zu Pellets weiterverarbeitet. Histologische, biochemische sowie molekularbiologische Untersuchungen wurden an verschiedenen Zeitpunkten zur Evaluierung des chondrogenen Differenzierungsgrades sowie der hypertrophiespezifischen Merkmale der kultivierten Pellets durchgeführt. Es konnte durch diese Arbeit sowohl auf Proteinebene als auch auf Genexpressionsebene reproduzierbar gezeigt werden, dass primäre hMSCs im Pelletkultursystem sowohl durch den adenoviralen Gentransfer von IHH allein als auch durch die Co-Transduktionsgruppen IHH+TGF-β1, IHH+SOX-9 und IHH+BMP-2 chondrogen differenziert werden können. Dabei zeigten alle IHH-modifizierten Pellets Col II- und CS-4-positive immunhistochemische Anfärbungen, eine gesteigerte Synthese von Glykosaminoglykanen im biochemischen GAG-Assay sowie eine Hochregulation von mit der Chondrogenese assoziierten Genen. Das Auftreten hypertropher Merkmale bei den chondrogen differenzierten MSCs konnte durch IHH-Gentransfer nach 3 Wochen in vitro-Kultivierung nicht vollkommen unterdrückt werden, war jedoch besonders stark ausgeprägt, wenn BMP-2 co-exprimiert wurde und war etwas weniger evident in der IHH+SOX-9-Gruppe. Dabei zeigte die Ad.IHH+BMP-2-Gruppe sowohl in der ALP-Färbung als auch in dem ALP-Assay und der quantitativen RT-PCR die stärkste Hochregulierung des hypertrophen Markers ALP. Möglicherweise brachte die Überexpression von IHH das fein aufeinander abgestimmte Regulationssystem zwischen IHH und PTHrP aus dem Gleichgewicht und könnte als ein Grund dafür angeführt werden, warum die Hypertrophie im Pelletkultursystem nicht vollkommen supprimiert werden konnte. Es bleibt abzuwarten, ob IHH in vivo die Chondrogenese induzieren und dabei zugleich das Phänomen der chondrogenen Hypertrophie regulieren kann. In der Zukunft würde dies letztlich der stammzellbasierten Knorpelregeneration in vivo zu Gute kommen.
Chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and articular cartilage reconstruction
(2008)
Articular cartilage defects are still one of the major challenges in orthopedic and trauma surgery. Today, autologous chondrocyte transplantation (ACT), as a cell-based therapy, is an established procedure. However, one major limitation of this technique is the loss of the chondrogenic phenotype during expansion. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have an extensive proliferation potential and the capacity to differentiate into chondrocytes when maintained under specific conditions. They are therefore considered as candidate cells for tissue engineering approaches of functional cartilage tissue substitutes. First in this study, hMSCs were embedded in a collagen type I hydrogel to evaluate the cartilaginous construct in vitro. HMSC collagen hydrogels cultivated in different culture media showed always a marked contraction, most pronounced in chondrogenic differentiation medium supplemented with TGF-ß1. After stimulation with chondrogenic factors (dexamethasone and TGF-ß1) hMSCs were able to undergo chondrogenesis when embedded in the collagen type I hydrogel, as evaluated by the temporal induction of cartilage-specific gene expression. Furthermore, the cells showed a chondrocyte-like appearance and were homogeneously distributed within a proteoglycan- and collagen type II-rich extracellular matrix, except a small area in the center of the constructs. In this study, chondrogenic differentiation could not be realized with every hMSC preparation. With the improvement of the culture conditions, e.g. the use of a different FBS lot in the gel fabrication process, a higher amount of cartilage-specific matrix deposition could be achieved. Nevertheless, the large variations in the differentiation capacity display the high donor-to-donor variability influencing the development of a cartilaginous construct. Taken together, the results demonstrate that the collagen type I hydrogel is a suitable carrier matrix for hMSC-based cartilage regeneration therapies which present a promising future alternative to ACT. Second, to further improve the quality of tissue-engineered cartilaginous constructs, mechanical stimulation in specific bioreactor systems are often employed. In this study, the effects of mechanical loading on hMSC differentiation have been examined. HMSC collagen hydrogels were cultured in a defined chondrogenic differentiation medium without TGF-ß1 and subjected to a combined mechanical stimulation protocol, consisting of perfusion and cyclic uniaxial compression. Bioreactor cultivation neither affected overall cell viability nor the cell number in collagen hydrogels. Compared with non-loaded controls, mechanical loading promoted the gene expression of COMP and biglycan and induced an up-regulation of matrix metalloproteinase 3. These results circumstantiate that hMSCs are sensitive to mechanical forces, but their differentiation to chondrocytes could not be induced. Further studies are needed to identify the specific metabolic pathways which are altered by mechanical stimulation. Third, for the development of new cell-based therapies for articular cartilage repair, a reliable cell monitoring technique is required to track the cells in vivo non-invasively and repeatedly. This study aimed at analyzing systematically the performance and biological impact of a simple and efficient labeling protocol for hMSCs. Very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) were used as magnetic resonance (MR) contrast agent. Iron uptake was confirmed histologically with prussian blue staining and quantified by mass spectrometry. Compared with unlabeled cells, VSOP-labeling did neither influence significantly the viability nor the proliferation potential of hMSCs. Furthermore, iron incorporation did not affect the differentiation capacity of hMSCs. The efficiency of the labeling protocol was assessed with high resolution MR imaging at 11.7 Tesla. VSOP-labeled hMSCs were visualized in a collagen type I hydrogel indicated by distinct hypointense spots in the MR images, resulting from an iron specific loss of signal intensity. This was confirmed by prussian blue staining. In summary, this labeling technique has great potential to visualize hMSCs and track their migration after transplantation for articular cartilage repair with MR imaging.
Background
The aim of this study was to review the patient rated outcome (PROM) of surgically treated fractures to the lateral process of the talus (LPTF) and identify factors influencing the outcome.
Methods
Retrospective study with a current follow-up. Eligible were all patients treated surgically for a LPTF (n = 23) with a minimum follow-up of one year. Demographics, medical history, trauma mechanism, fracture characteristics, concomitant injuries, treatment details, complications, return to work and sports were assessed retrospectively. The current follow-up included the VAS FA, Karlsson Score, and SF-12. The primary outcome was the VAS FA. Secondary aim was the identification of parameters influencing the PROMs.
Results
22 patients (96% follow-up) with a mean age of 32 ± 9 (18 to 49) years were included. 73% suffered a Hawkins Type 1, 23% a Type 2, and one patient a Type 3 fracture. 82% suffered concomitant injuries. 9% suffered minor surgical side infections, 50% developed symptomatic subtalar osteoarthritis. At final follow-up (44 ± 2 (12 to 97) months), the mean VAS FA Overall was 77 ± 21 (20 to 100), the Karlsson Score 72 ± 21 (34 to 97), and for the SF 12 the PCS 53 ± 8 (36 to 64) and the MCS 53 ± 7 (32 to 63). 50% of patients returned to their previous level of sports. Hawkins Type 1 fractures resulted in better VAS FA Overall score than Type 2 fractures. Posttraumatic subtalar osteoarthritis was the independent factor associated to a poor patient rated outcome (VAS FA, Karlsson Score).
Conclusion
After a follow-up of over 3.5 years, surgically treated LPTF resulted in only moderate results. 50% suffered posttraumatic symptomatic subtalar osteoarthritis, which was the primary independent parameter for a poor outcome following LPTF.
Level of evidence
Level III.
Background
To identify injury patterns and mechanisms in professional men’s basketball by means of video match analysis.
Methods
In Germany, injuries are registered with the statutory accident insurance for professional athletes (VBG) by clubs or club physicians as part of occupational accident reporting. Moderate and severe injuries (absence of > 7 days) sustained during basketball competition in one of four seasons (2014–2017 and 2018–2019) in the first or second national men’s league in Germany were prospectively analyzed using a newly developed standardized observation form. Season 2017–2018 was excluded because of missing video material.
Results
Video analysis included 175 (53%) of 329 moderate and severe match injuries. Contact patterns categorized according to the different body sites yielded eight groups of typical injury patterns: one each for the head, shoulders, and ankles, two for the thighs, and three for the knees. Injuries to the head (92%), ankles (76%), shoulders (70%), knees (47%), and thighs (32%) were mainly caused by direct contact. The injury proportion of foul play was 19%. Most injuries (61%) occurred in the central zone below the basket. More injuries occurred during the second (OR 1.8, p = 0.018) and fourth quarter (OR 1.8, p = 0.022) than during the first and third quarter of the match.
Conclusion
The eight identified injury patterns differed substantially in their mechanisms. Moderate and severe match injuries to the head, shoulders, knees, and ankles were mainly caused by collision with opponents and teammates. Thus, stricter rule enforcement is unlikely to facilitate safer match play.
Cartilage offers limited regenerative capacity. Cell-based approaches have emerged as a promising alternative in the treatment of cartilage defects and osteoarthritis. Due to their easy accessibility, abundancy, and chondrogenic potential mesenchymal stromal cells (MSCs) offer an attractive cell source. MSCs are often combined with natural or synthetic hydrogels providing tunable biocompatibility, biodegradability, and enhanced cell functionality. In this review, we focused on the different advantages and disadvantages of various natural, synthetic, and modified hydrogels. We examined the different combinations of MSC-subpopulations and hydrogels used for cartilage engineering in preclinical and clinical studies and reviewed the effects of added growth factors or gene transfer on chondrogenesis in MSC-laden hydrogels. The aim of this review is to add to the understanding of the disadvantages and advantages of various combinations of MSC-subpopulations, growth factors, gene transfers, and hydrogels in cartilage engineering.
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.
Purpose. Copal\(^®\) spacem is a new PMMA bone cement for fabricating spacers. This study compares elution of gentamicin, elution of vancomycin, and compressive strength of Copal\(^®\) spacem and of Palacos\(^®\) R+G at different vancomycin loadings in the powder of the cements. We hypothesized that antibiotic elution of Copal\(^®\) spacem is superior at comparable compressive strength. Methods. Compression test specimens were fabricated using Copal\(^®\) spacem manually loaded with 0.5 g gentamicin and additionally 2 g, 4 g, and 6 g of vancomycin per 40 g of cement powder (COP specimens) and using 0.5 g gentamicin premixed Palacos\(^®\) R+G manually loaded with 2 g, 4 g, and 6 g of vancomycin per 40 g of cement powder (PAL specimens). These specimens were used for determination of gentamicin and vancomycin elution (in fetal calf serum, at 22°C) and for determination of compressive strength both prior and following the elution tests. Results. Cumulative gentamicin concentrations (p < 0.005) and gentamicin concentration after 28 days (p ≤ 0.043) were significantly lower for COP specimens compared to PAL specimens. Cumulative vancomycin concentrations were significantly higher (p ≤ 0.043) for COP specimens after the second day. Vancomycin concentrations after 28 days were not significantly higher for the Copal specimens loaded with 2 g and 4 g of vancomycin. Compressive strength was not significantly different between COP specimens and PAL specimens before elution tests. Compressive strength after the elution tests was significantly lower (p = 0.005) for COP specimens loaded with 2 g of vancomycin. Conclusion. We could not demonstrate consistent superior antibiotic elution from Copal\(^®\) spacem compared to Palacos\(^®\) R+G for fabricating gentamicin and vancomycin loaded spacers. The results do not favor Copal\(^®\) spacem over Palacos\(^®\) R+G for the use as a gentamicin and vancomycin biantibiotic-loaded spacer.
Physical interaction of skeletal precursors with multiple myeloma cells has been shown to suppress their osteogenic potential while favoring their tumor-promoting features. Although several transcriptome analyses of myeloma patient-derived mesenchymal stem cells have displayed differences compared to their healthy counterparts, these analyses insufficiently reflect the signatures mediated by tumor cell contact, vary due to different methodologies, and lack results in lineage-committed precursors. To determine tumor cell contact-mediated changes on skeletal precursors, we performed transcriptome analyses of mesenchymal stem cells and osteogenic precursor cells cultured in contact with the myeloma cell line INA-6. Comparative analyses confirmed dysregulation of genes which code for known disease-relevant factors and additionally revealed upregulation of genes that are associated with plasma cell homing, adhesion, osteoclastogenesis, and angiogenesis. Osteoclast-derived coupling factors, a dysregulated adipogenic potential, and an imbalance in favor of anti-anabolic factors may play a role in the hampered osteoblast differentiation potential of mesenchymal stem cells. Angiopoietin-Like 4 (ANGPTL4) was selected from a list of differentially expressed genes as a myeloma cell contact-dependent target in skeletal precursor cells which warranted further functional analyses. Adhesion assays with full-length ANGPTL4-coated plates revealed a potential role of this protein in INA6 cell attachment. This study expands knowledge of the myeloma cell contact-induced signature in the stromal compartment of myelomatous bones and thus offers potential targets that may allow detection and treatment of myeloma bone disease at an early stage.
Die Hypophosphatasie (HPP) ist eine seltene Erberkrankung, welche durch compound-heterozygote oder dominant negative heterozygote Mutationen des ALPL Gens zu einem Funktionsverlust der gewebeunspezifischen Alkalischen Phosphatase (TNAP) führt. Die daraus resultierenden Mineralisierungsstörungen betreffen sowohl den Knochen als auch in milderen Ausprägungsformen die Zähne und den Zahnhalteapparat. Das zahnmedizinische Leitsymptom und in vielen Fällen das erste Anzeichen der HPP ist dabei der vorzeitige Verlust der Milchzähne ohne physiologische Wurzelresorption. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene TNAP defiziente immortalisierte Zellen des parodontalen Ligaments (PDL) mittels der CRISPR/Cas9 Methode generiert und anschließend fünf Zelllinien charakterisiert. Die dabei entstandenen Mutationen variierten von einer moderaten heterozygoten Punktmutation zu einer schwerwiegenden homozygoten Deletion eines einzelnen Nukleotids, welche in einem vorzeitigen Stopcodon resultierte. Analysen der ALPL Expression (qPCR), TNAP Aktivitätsmessungen (CSPD Assay) und TNAP Färbungen zeigten einen signifikanten Rückgang in allen TNAP-defizienten Zelllinien mit einer starken Korrelation zwischen der Restaktivität und dem Ausmaß der Mutation, welche in Einklang mit der komplexen Genotyp-Phänotyp Korrelation bei HPP zu bringen ist. Das Potential der osteogenen Differenzierung der hTERT PDL Zellen wurde in der homozygot mutierten Zelllinie komplett unterdrückt. Mögliche Mechanismen des vorzeitigen Zahnverlustes bei HPP Patienten ist die geminderte Formation und Mineralisation des Wurzelzements und die fehlerhafte Insertion der parodontalen Fasern. Die hier erstmalig etablierten Zellkulturmodelle liefern ein valides spenderunabhängiges in vitro Modell der HPP, welches dazu beitragen kann, die molekularbiologischen Zusammenhänge der dentalen Aspekte der Hypophosphatasie zu ergründen und daraus gegebenenfalls neue Therapieansätze abzuleiten.
Locoregional recurrence is a major reason for therapy failure after surgical resection of head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). The physiological process of postoperative wound healing could potentially support the proliferation of remaining tumor cells. The aim of this study was to evaluate the influence of wound fluid (WF) on the cell cycle distribution and a potential induction of epithelial-mesenchymal transition (EMT). To verify this hypothesis, we incubated FaDu and HLaC78 cells with postoperative WF from patients after neck dissection. Cell viability in dependence of WF concentration and cisplatin was measured by flow cytometry. Cell cycle analysis was performed by flow cytometry and EMT-marker expression by rtPCR. WF showed high concentrations of interleukin (IL)-6, IL-8, IL-10, CCL2, MCP-1, EGF, angiogenin, and leptin. The cultivation of tumor cells with WF resulted in a significant increase in cell proliferation without affecting the cell cycle. In addition, there was a significant enhancement of the mesenchymal markers Snail 2 and vimentin, while the expression of the epithelial marker E-cadherin was significantly decreased. After cisplatin treatment, tumor cells incubated with WF showed a significantly higher resistance compared with the control group. The effect of cisplatin-resistance was dependent on the WF concentration. In summary, proinflammatory cytokines are predominantly found in WF. Furthermore, the results suggest that EMT can be induced by WF, which could be a possible mechanism for cisplatin resistance.
Purpose: Patient-specific, flanged acetabular components are used for the treatment of Paprosky type III defects during revision total hip arthroplasty (THA). This monocentric retrospective cohort study analyzes the outcome of patients treated with custom made monoflanged acetabular components (CMACs) with intra- and extramedullary iliac fixation. Methods: 14 patients were included who underwent revision THA with CMACs for the treatment of Paprosky type III defects. Mechanism of THA failure was infection in 4 and aseptic loosening in 10 patients. Seven patients underwent no previous revision, the other seven patients underwent three or more previous revisions. Results: At a mean follow-up of 35.4 months (14–94), the revision rate of the implant was 28.3%. Additionally, one perioperative dislocation and one superficial wound infection occurred. At one year postoperatively, we found a significant improvement of the Western Ontario and McMaster Universities Arthritis Index (WOMAC) score (p = 0.015). Postoperative radiographic analysis revealed good hip joint reconstruction with a mean leg length discrepancy of 3 mm (−8–20), a mean lateralization of the horizontal hip center of rotation of 8 mm (−8–35), and a mean proximalization of the vertical hip center of rotation of 6 mm (13–26). Radiolucency lines were present in 30%. Conclusion: CMACs can be considered an option for the treatment of acetabular bone loss in revision THA. Iliac intra- and extramedullary fixation allows soft tissue-adjusted hip joint reconstruction and improves hip function. However, failure rates are high, with periprosthetic infection being the main threat to successful outcome.
Beim Multiplen Myelom handelt es sich um eine klinisch sehr heterogene Erkrankung, bei der eine genaue Prognoseabschätzung schwierig ist. In den letzten Jahrzehnten haben sich mehrere klinische, laborchemische sowie genetische Parameter als Risikofaktoren etabliert. Das Cystein-rich-Protein 61 (CYR61) ist ein Signalprotein, das bei verschiedensten Prozessen im menschlichen Körper eine Rolle spielt. Im Knochen ist CYR61 zuständig für die Angiogenese, die Proliferation und Migration mesenchymaler Stammzellen sowie für die Differenzierung von Osteoblasten und Endothelzellen. Im Zusammenhang mit dem Multiplen Myelom konnte in Studien gezeigt werden, dass CYR61 dort in signifikant höheren Konzentrationen vorliegt und hohe CYR61-Werte bei Myelom-Patienten mit einer besseren Prognose und einem längeren Überleben einherzugehen scheinen.
In der vorliegenden Dissertation, wurde die CYR61-Konzentration im peripheren Blut bei Myelom-, Osteoporose-Patienten und gesunden Probanden gemessen. Es zeigten sich signifikant höhere CYR61-Werte in der Gruppe der Myelom-Patienten im Vergleich zur Gruppe der Osteoporose-Patienten. Hohe CYR61-Konzentrationen in der Myelom-Gruppe waren assoziiert mit günstigen Prognosefaktoren wie einem Hämoglobin-Wert > 10 g/dl, einem normwertigen Serum-Albumin, einer niedrigen Laktatdehydrogenase, einer geringen Konzentration von Immunglobulinen im Serum und einer normwertigen free light chain ratio. Patienten in "complete response" oder "very good partial response" hatten signifikant höhere CYR61-Werte. Eine Therapie mit immunmodulatorischen Medikamenten ging mit höheren CYR61-Konzentrationen einher. Der Einsatz von Proteasom-Inhibitoren war dagegen mit niedrigeren CYR61-Werten assoziiert. In der Gruppe der Osteoporose-Patienten sowie bei den gesunden Probanden ergaben sich signifikant höhere CYR61-Konzentrationen bei fortgeschrittenem Alter.
Zusammenfassend lassen die Ergebnisse vermuten, dass eine hohe CYR61-Konzentration im Serum von Myelom-Patienten im Zusammenhang mit einer geringeren Krankheitsaktivität bzw. mit einer stattfindenden Regeneration des Knochens steht. Hohe CYR61-Werte bei Myelom-Patienten waren ausschließlich mit günstigen Risiko- und Prognosefaktoren assoziiert. Eine gesteigerte Ausschüttung von CYR61 scheint für einen anabolen Knochenstoffwechsel zu sprechen. Passend dazu zeigten sich bei Osteoporose-Patienten signifikant niedrigere CYR61-Werte. In Bezug auf die durchgeführten Therapien beim Multiplen Myelom ist ein komplexer Zusammenhang zwischen Wirkungsweise der Medikamente auf das Knochenmikromilieu und der Regulation der CYR61-Produktion anzunehmen. CYR61 sollte als sensibler Parameter angesehen werden, dessen Aussage sich mit dem Verlauf der Erkrankung und unter Berücksichtigung der durchgeführten Therapien ändern kann. Beim Einsatz von Proteasom-Inhibitoren kann CYR61 möglicherweise als Parameter für das Ansprechen der Therapie genutzt werden.
Die stark limitierte intrinsische Regenerationsfähigkeit des hyalinen Gelenkknorpels stellt auch in der modernen Medizin eine große Herausforderung dar. Während eine Vielzahl von knorpelchirurgischen Techniken am Kniegelenk koexistieren, bleibt die Selektion des am besten geeigneten Therapieverfahrens eine zentrale Herausforderung des orthopädischen Chirurgen. Hierzu bieten in Zeiten evidenzbasierter Medizin medizinische Register die Möglichkeit, klinische Behandlungsdaten systematisch in einem breiten Patientenkollektiv zu erfassen, die klinische Versorgungsrealität adäquat abzubilden sowie neue Behandlungsstrategien und Hypothesen zu generieren. Das Knorpelregister der DGOU bietet als webbasierte Registerform eine besonders moderne, effiziente und unbürokratische Form der Patientennachverfolgung über subjektiv bewertete und validierte Funktionsscores. Für das gesamte Registerkollektiv von 100 Patienten an der Orthopädischen Klinik-König-Ludwig Haus ergaben sich bereits sechs Monate nach dem knorpelchirurgischen Eingriff signifikant höhere Funktionsscores im IKDC und KOOS, welche sich auch im mittelfristigen Verlauf von zwölf Monaten noch signifikant erhöht gegenüber ihren präoperativen Werten zeigten. Die mediale Femurkondyle und knorpelige Patellarückfläche waren im Registerkollektiv am häufigsten von Defekten betroffen. Meist handelte es sich hierbei um drittgradige Defekte nach ICRS degenerativer Genese.
Während das mechanische Débridement bei großflächigem, arthrotischem Gelenkknorpelverschleiß keine suffiziente Therapieoption bietet, ist zum Nutzen und Effektivität des Débridements bei fokalen, umschriebenen Gelenkknorpeldefekten bisher nur wenig bekannt. Im Registerkollektiv zeigte sich für das isoliert mechanische Débridement von Gelenkknorpeldefekten eine signifikante Verbesserung der subjektiven Funktionsscores. Im Falle begleitend durchgeführter meniskuschirurgischer Eingriffe zeigt sich die Datenlage deutlich heterogener und bietet Anlass für weiteren wissenschaftlichen Diskurs.
Background: The diagnosis of periprosthetic shoulder infection (PSI) requires a thorough diagnostic workup. Synovial fluid aspiration has been proven to be a reliable tool in the diagnosis of joint infections of the lower extremity, but shoulder specific data is limited. This study defines a threshold for synovial fluid white blood cell count (WBC) and assesses the reliability of microbiological cultures. Methods: Retrospective study of preoperative and intraoperative fluid aspiration of 31 patients who underwent a revision of a shoulder arthroplasty (15 with PSI defined by IDSA criteria, 16 without infection). The threshold for WBC was calculated by ROC/AUC analysis. Results: WBC was significantly higher in patients with PSI than in other patients. A threshold of 2800 leucocytes/mm\(^3\) showed a sensitivity of 87% and a specificity of 88% (AUROC 0.92). Microbiological cultures showed a sensitivity of 76% and a specificity of 100%. Conclusions: A threshold of 2800 leucocytes/mm\(^3\) in synovial fluid can be recommended to predict PSI. Microbiological culture has an excellent specificity and allows for targeted antibiotic therapy. Joint aspiration presents an important pillar to diagnose PSI.
Die periprothetische Infektion (PPI) ist eine seltene aber schwerwiegende Komplikation nach Implantation einer Hüftprothese. Diese Arbeit hat verschiedene Aspekte bezüglich der Diagnostik und Definition der PPI untersucht. Der primäre Fokus lag auf der mikrobiologischen Punktionsdiagnostik und seiner Korrelation mit mikrobiologischen Befunden aus intraoperativen Proben. Zudem war die Gegenüberstellung der verschiedenen Definitionen einer PPI ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit. Des Weiteren wurden auch einige weitere Untersuchungsparameter der PPI untersucht und gegenübergestellt.
Durch verbesserte Operationstechniken hat sich die Wirbelsäulenchirurgie in den letzten 100 Jahren deutlich verändert. Die im Jahr 1975 von Raimondi vorgestellte Methode der Laminotomie stellte eine die Anatomie wiederherstellende Alternative zur damals gängigen Praxis der Laminektomie bei spinalen Prozessen dar. Ziel dieser Studie ist es, die Inzidenz der Deformitäten der kindlichen Wirbelsäule nach Mehrsegment-Laminotomien zu untersuchen, und herauszuarbeiten, ob die Wahl der Methode (Laminotomie vs. Laminektomie) Einfluss auf die Inzidenz von postoperativen Deformitäten hat. Als ein entscheidender Faktor zur Entwicklung einer Deformität stellt sich die zugrundeliegende Diagnose dar. Es konnte jedoch auch gezeigt werden, daß die Wahl der Operationsmethode ein maßgebliches Mittel ist, die Entwicklung bzw. Progredienz einer Deformität zu beeinflussen. Biomechanische Untersuchungen belegen die Wichtigkeit der Unversehrtheit der knöchernen Strukturen der kindlichen Wirbelsäule. Die in dieser Studie beschriebene Methode der Laminotomie nach Raimondi legt gerade auf die Schonung bzw. Wiederherstellung der anatomischen Strukturen besonders viel Wert. Somit stellt sich gerade bei im Wachstum befindlichen Kindern die Laminotomie als besserer Zugang für Operationen am offenen Rückenmark dar, als die Laminektomie.
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.