Arch. klin. exp. Ohr.-, Nas.- u. Kehlk.Heilk. 203, 70--80 (1972) © by Springer-Verlag 1972

III. Experimentelle Untersuchungen zur osteogenetischen LeistungsfShigkeit der PaukenhShle

und der GehSrknSchelchen nach ihrer orthotopen und heterotopen Transplantation

E. R. Kas tenbauer

tIals-Nasen-Ohrenklinik der Universitgt Miinehen (Direktor: Prof. Dr. H. H. Naumann)

Eingegangen am 3. M~rz 1972

The Osteogenetic Capabilities of the Tympanic Cavi ty

and of Ossicular Grafts upon Orthotopic and Heterotopie Transp lan ta t ion

Summary. The osteogenetie capability of transplanted middle-ear ossicles was studied by means of (a) orthotopic transplantation (i. e., into the tympanic cavity) or (b) heterotopic transplantation (i.e., subcutaneously into the lateral attic space). The present experiments in rabbits employed fresh homologous ossieles as well as Cialit-stored material. Heterotopic subcutaneous transplantations enables one to differentiate the osteogenetic capability of the ossicles themselves from that of the tympanic cavity. Two distinct phases were observed after the subcutaneous imbedding of a homologous ossiele. The first one, the osteoblastic phase, lasted for about ten days. During this time, osteoblastic cells proliferated and osteogenesis got under way in the grafted tissues. The live cells of the transplant died off on account of the antigen/antibody reaction. This in turn kept stimulating the production of new osteoblasts, initiating the second phase, which usually lasted for about three to six months. After this latter period, the transplanted ossicles were completely resorbed, presumably because their normal mechanical strain--sound conduction-- was not present.

The osteogenetic capability of the tympanic cavity was also assessed by means of the same two kinds of transplantation. Tissues from young calves, so called "Kieler" bone grafts, were being utilized. These experiments indicated that the tympanic cavity is an excellent bed for the receipt of osseous transplants.

Three factors are responsible for optimal integration of autologous and homolo- gous ossicular grafts into the host tissues and for best preservation of the shapes of the ossicles: 1. transplantation into their normal site within the ossicular chain; 2. the action of a physiological, mechanical strain, and 3. the osteogenetic capabili- ties of both the ossicle and the tympanic cavity.

Zusammen/assung. Durch die orthotope (Paukenh6hle) und heterotope (Weich- teilgewebe, seitliche Kuppelraumwand) Transplantation frischer und Cialit-konser- vierter allogener GehSrknSchelehen beim Kaninchen, konnte deren osteoinduktive Leistungsf~higkeit nachgewiesen werden. Auch die osteogenetische Potenz der Paukenh6hle als kn6chernes Ersatzlager konnte durch orthotope und heterotope

Untersuehungen der PaukenhShle und der GehSrknSchelchen. III 71

~ Geh~6r kn6chelchen allogen

> Histologie von 12- 365 Tagen

,,Kieler Knochen"

xenogen

) Histologie von 12- 210 Tagen

Versuchsschema. Versuehsanordnung der orthotopen (PaukenhShle) und heterotopen (Weiehteilgewebe) Ubertragung yon allogenen und xenogenen Knochentrans-

plantaten (Kaninchen/Kalb)

Transplantation von xenogenem Knochenmaterial (,,KielerKnochen") nach- gewiesen werden. Wie sehr die funktionelle, physiologische Verlagerung der Geh6r- knSchelchentransplantate in die Sehalleitungskette auf die Formerhaltung und letztlich die taugliche kn6eherne Integration in das Empfangergewebe Einflu6 nimmt, lie] sich durch die heterotope Transplantation yon allogenen GehSrknSchel- chen-Transplantaten aufzeigen. Wir ersehen daraus, dal~ die Voraussetzung fflr eine taugliche kn6eherne Integration eines allogenen und autogenen GehSrkn6ehelchen- transplantates die eigene osteoinduktive Fahigkeit des Transplantates, die starke knScherne Ersatzleistung der Paukenh6hle sowie die funktionsgereehte physiolo- gische Verlagerung des Transplantates in die Schalleitungskette sind. Erst das Zusammenwirken dieser drei Faktoren sichert einen guten knSehernen Ein- und Umbau yon allogenen und autogenen Geh6rknSchelchen-Transplantaten in die Schalleitungskette.

Die Voraussetzung fiir eine funktionell verwertbare kn6cherne Integration eines autogenen oder allogenen GehSrkn6chelchen-Trans- plantates in die Sehalleitungskette des Empfangers sind die osteo- genetische Potenz des Transplantates nnd der PaukenhShle sowie die orthotope Transplantation des Ossiculums. Das Zusammenwirken dieser Faktoren ergibt als Summationseffekt einen taugliehen Einbau des GehSrknSchelchen-Transplantates in die Schalleitungskette.

Die osteogenetische Leistungsfahigkeit eines kn6chernen Trans- plantates kann nur im knochenfreien Lager gepriift werden, da ansonsten

72 E.R. Kastenbauer:

der Ablauf der Knoehenneubildung dureh die Lagerleistung des Emp- f/~ngers iiberdeekt wird. Aus diesem Grunde verpflanzten wir beim Kaninehen frisehe und Cialit-konservierte allogene Geh6rkn6ehelehen des Kaninehens sowie Xenotransplantate vom Kalb orghotop und heterotrop (Versuehssehema).

Methodik Die heterotop iibertragenen allogenen Transplantate wurden entweder in die

Regio temporalis, an die laterale Kuppelraumwand oder in das subeutane Gewebe des Rilekens beim Kaninehen verpflanzt. Bei der orthotopen Transplantation wurde jeweils der eigene AmboB entfernt und dutch ein Allo- oder Xenotranslolantat (,,Kieler Kalbsknoehen-Spongiosa") ersetzt. Als Versuehstiere dienten 60 Kanin- ehen, die Eingriffe erfolgten in Nembutalnarkose.

Wit" entnahmen die ersten allogenen Transplantate naeh der hetero- topen Verlagerung am 12. Tag, also bereits in der Phase der zu erwarten- den Antigen-Antik6rper-Reaktion. Bei der histologischen Auswertung sehen wir zu diesem Zeitpunkt neben seheinbar vitalen, anf~rbbaren Knorpelzonen kMne osteoide Neubildungsherde um einzelne Knoehen- kan/ilehen, wobei der unkonserviert friseh iibertragene Hammer weitaus vitaler erseheint als der Cialit-konservierte (Abb. 1 und 2). Dieser erste

Abb. 1. Subeutan (heterotop) verpflanzter friseher, allogener Hammer (H) (Kanin- ehen) am 12. postoperativen Tag. Breite vitale Knorpelzonen (K1) an den Trans- plantatri~ndern, um einzelne Markkanglehen beginnende Osteoid-Anlagerung (0).

(VergrSl]erung 40faeh, H.-E.-Fgrbung)

Untersuchungen der PaukenhShle und der GehSrknSchelchen. III 73

Abb.2. Subcutan (Regio temporalis) verlagertes allogenes, Cialit-konserviertes Hammertransplantat (H) (Kaninchen) am 12. postoperativen Tag, das weniger vital erscheint als der unkonserviert iibertragene Hammer zum gleichen Zeitpunkt.

Beginnende Osteoid-Anlagerung (0). (Vergr51~erung 40fach, H.-E.-F~rbung)

Osteoid-Neubildungsprozel3 bis zur Antigen-AntikSrper-Reaktion ent- spricht der ersten osteoblastischen Phase (Axhausen, 1950/1962; Chalmers, 1959). In dieser Periode der Reossifizierung proliferieren often- bar in den autogenen und allogenen GehSrknSchelehen-Transplantaten osteoblastische Zellen und beginnen mit der Knochenneubildung. Naeh dem Untergang der vitalen transplantateigenen Zellen dureh die Antigen- AntikSrper-I~eaktion kommt dieser erste KnochenneubildungsprozeB in den allogenen Transplantaten zum Erliegen, da nun eine Periode der Osteoklasie mit Abbau der Knochengrundsubstanz und Stimnlierung zur Osteoblastendifterenzierung mit der sogenannten induzierten osteo- genetischen Phase folgt (Axhausen, 1950).

Bekommt ein allogenes, heterotop verlagertes GehSrknSehelchen mit der seitliehen Kuppelraumwand Kontakt, so wird es fiber eine breite knScherne Verbindung in die Attikwand einbezogen (Abb. 3). Wird das Transplantat ohne Knochenkontakt ins Weichteilgewebe verpflanzt, so sehen wit nach etwa 3 Monaten dessen bindegewebigen Ersatz. Wir finden jedoch bei den heterotop fibertragenen allogenen GehSrknSchel-

74 E.R. Kastenbauer:

Abb. 3. Heterotop iibertragener allogener Hammer (H) beim Kaninchen nach 3 Mo- naten. Ausgedehnte Knochen-Neubildung (Kn) im Zentrum und an der Peripherie des Transplantates (T). Einbeziehung des Hammers (T) in die laterale Kuppelraum-

wand (Kr). (VergrSgerung 40fach, tt.-E.-Fgxbung)

ehen bis zu ihrer Resorption eine eindeutige osteogenetisehe Phase inner- halb der Transplantate mit brei~en Knoehenneubildungsherden um die einzelnen Markkan/~lehen (Abb. 3), die nut deshalb allm/~hlieh zum Er- liegen komm~, weil den Geh6rknSehelehen die lohysiologisehe, funktions- gereehte Beanspruehung fehlt. Bei teilweisem knSchernen Kontakt zum Empf/~nger wird die osteogenetisehe Phase dieser Transplantate auf einen Zeitraum yon etwa 4--6 Monaten protrahiert (Abb.4), bis dann der riesenzellige Abbau und der endgiiltige bindegewebige Ersatz dieser Ossieula erfolgen.

Die under physiologisehen Bedingungen fortwghrende Erneuerung und ~nderung yon Knoehengewebe erfghrt dureh ver~nderte Bean- spruehung eine Versehiebung des Gleiehgewiehtes hinsiehtlieh Anbau und Abbau (AllgSwer, 1967). Meehanische funktionsgereehte Kraftwirkung veranlassen die Erhaltung, unlohysiologisehe Belastung die Zerst6rung dieser Ossieula. So miissen wir das versehiedene Verhalten der orthotop- und heterotop-verpflanzten Geh6rkn6ehelehen deuten, die also nur dann formerhaltend eingebaut werden, wenn sie in einen funktionsgereehten Kontakt zu ihrem Empfgngerlager gebraeht werden.

Untersuehungen der PaukenhShle und der GehSrknSehelehen. I I I 75

Abb.4. Allogener, heterotop transplantierter Hammer (H) beim Kaninchen mit Kontakt zur Kuppelraumwand naeh 6 Monaten. Riesenzelliger Abbgu (R) des devitalen Transplantates (T). Im Zentrum ein faserbildendes Mesenehymgewebe (M) und sehmale Osteoid-Anlagerung (0) an die Transplantatreste. (Vergr68erung

100faeh, H.-E.-Fgrbung)

Zusammenfassend k6nnen wir zu diesem Punkt sagen, dab die allo- genen Geh6rkn6ehelchen-Transplanta~e -- aueh heterotop verpflanzt -- eindeutig eine osteoinduktive Fahigkeit besitzen, die in einer Knoehen- neubildung innerhalb der Transplantate zum Ausdruek kommt. Wie jedoeh aus unseren Untersuehungsergebnissen hervorgeht, handelt es sieh hier nur um eine voriibergehende Phase der Osteogenese, da letztlich aueh das Transplantat mit knSchernem Kontak t zur seitliehen Kuppel- raumwand nach 4- -6 Monaten bindegewebig ersetzt wird.

Naeh diesem sieheren Naehweis einer osteogenetisehen Eigenleistung der Geh6rkn6ehelehentransplantate konzentrierten wit unsere Unter- suehungen auf die Darstellung der osteogenetischen Leistungsf/~higkeit der PaukenhShle. Da xenogene Knoehentransplantate keine osteo- induktive F£higkeit besitzen und somit die Ossifizierungsvorg/tnge um diese Transplantate als reine Lagerleistung zur Darstellung kommen, verlagerten wir Xenotransplantate yon Menseh und Kalb in die Pauken- h6hle des Kaninehens.

76 E.R. Kastenbauer:

Abb.5. Kalbspongiosaspan (T) in der PaukenhShle des Kaninchens am 12. post- operativen Tag. Kapuzenartige Anlagerung eines zellreichen Mesenchyms (M) an das devitale Transplantat (T) als Vorstufe einer mesenchymalen Ossifikation. E=Entzfindungsgewebe; m P = m e d . Paukenwand. (VergrSl~erung 100fach,

H.-E.-F~rbung)

~ach der Transplantation yon tiefgekfihlten nnd Cialit-konservierten menschlichen GehSrknSchelchen in das Mittelohr des Kaninchens wird ersichtlieh, dab die Einheilungsvorg/~nge an xenogenen Knoehen- t ransplantaten vSllig anders verlaufen als bei allogenen. Massive Rund- zellinfiltrate weisen auf eine starke Abwehrreaktion gegen das artfremde Gewebe hin, wobei die Transplantatabwehr bei weitem die Gewebe- reaktion gegeniiber allogenen Knochentransplantaten tibersteigt. Auch die Tiefktihlung und die Cialit-Konservierung kSnnen bier die massive cellulare lgeaktion nicht mindern. Eine osteogenetische Phase innerhalb der Transplantatc bleib~ aus, da die osteoinduktive Fahigkeit der ab- gebauten Knochengrundsubstanz nur innerhalb einer Species wirksam ist (Kienholz, 1956; Kenkes, 1956; Schweiberer, 1970).

Nach dcr Transplantation yon menschlichen GehSrknSehelchen in die PaukenhShle des Kaninchens konnten wir wegen der starken Ent- ztindungszeiehen nut eine geringe ostcogenetische Reaktion der Pauken- hShle histologisch erfassen. Deshalb suchten wir nach einem antigen-

Untersuehungen der PaukenhShle und der GehSrknSchelehen. III 77

Abb. 6. Macerierter Kalbsspan (T) 5 Wochen postoperativ. Um die Spanreste hat sieh eine Sehale yon lamellgrem Knoehen (Kn) gebildet. Das artfremde Gewebe ist wie ein FremdkSrper abgekapselt. (VergrSBerung 250fgeh, tt.-E.-Fgrbung)

armen oder weitgehend angigenfreien xenogenen Knochenmagerial, das uns abzfiglieh der immunologisch bedingten entziindliehen Zeichen gegen das Xenotransplantat die reine Lagerleistung der Paukenh6hle auf- zeigen sollte. Wir fanden dies in dem sogenanngen ,,Kieler Knoehenspan" (Naatz, 1986/1959, Bauermeister, 1958/1989), einem mit einem Na- ceragionsverfahren behandelgen Kalbsknochcnmaterial (Versuchs schema).

Nach der Einpflanzung in die Paukenh6hle wird dieser ,,Kieler Knoehenspan" in der Paukenh6hle mit dem Ziele, das artfremde Gewebe als Fremdk6rper abzukapseln, innerhalb weniger Wochen kn6chern umscheidet. Nach 12 Tagen finden wir das Transplantat als Vorstufe einer mesenehymalen Ossifikation yon einem zellreiehen Mesenchym- gewebe umgeben (Abb.5). Nach 4--8 Wochen beobachten wit eine teil- weise kn6eherne Umseheidung der Spanteile (Abb.6) und einen sehr verlangsamten riesenzelligen Abbau. Nach 3--6 Monaten sehen wir s~mtlichc Spongiosasp~ne ohne jegliche Knoehenneubildung innerhalb der Transplantate kn6chern umkapselt, wobei sic z .T . dutch binde- gewebige Umwachsung an die belassenen Geh6rkn6chelchen angelagert

78 E. I~. Kastenbauer:

Abb. 7.3 Monate postoperativ hat sieh um den maeerierten Kalbsknochen (T) als reine L~gerleistung der PaukenhShle eine AmboB-Imitation (A) gebildet. An den belassenen Hammer (H) sind kleine xenogene Spongiosasplitter bindegewebig an- gelagert. K n = Knochengewebe, m P = reed. Paukenwand. (VergrSBerung 40fach,

H.-E.-Fgrbung)

werden (Abb.7). Nach dieser knSchernen Umscheidung scheint der riesenzellige Abbau zu sistieren; lediglich an den Stellen, wo das Trans- plantar nur yon Bindegewebe umgeben ist, sehen wir noch vereinzelt eine riesenzellige T~tigkeit. Verpflanzen wir dieses gleiche Xenotrans- plantar in das subcutane Weichteilgewebe des Kaninchens, so wird das Transplantat innerhMb weniger Wochen in einem ausgeprggten Ent- ziindungsgewebe durch einen regen riesenzelligen Abbau destruiert (Abb. 8).

Wir sehen somit nach der 1)bertragung des macerierten Kalbsspon- giosaspanes in die Paukenh6hle des Kaninchens eine starke kn6cherne t~eaktion um das Xenotransplantat ohne jegliche Osteogenese innerhalb des Transplantates, die wir a]s Ausdruek einer Fremdk6rperreaktion a]s reine Lager- und Ersatzleistung deuten k6nnen. Diese Ersatzleistung der Paukenh6hle geht sogar soweit, dab nm dieses Xenotransplantat mit dem Zie]e der Defektiiberbriickung in der Scha]leitungskette ein Ersatz- gewebe mit der funktionell erforderlichen Form des Ambosses ent- ~tehen kann, Subeut.~n verlagert, geht dieses Xenotransplantat in

Untersuehungen der PaukenhShle und der GehSrknSehelehen. I I I 79

Abb.8. 3 l~ionate nach subeutaner Verpflanzung eines ,,Kieler Knoehenspanes"(T) geht der Span in einem zellreiehen Entzfindungsgewebe mit zahlreichen Plasmazel- len und lymphoiden ZelIen zugrunde. Reger riesenzelliger Abbau (R). (VergrSBerung

100 fach, H.-E.-F~irbung)

einem Entz i indungsgewebe zugrunde. Aus diesen Beobach tungen k6nnen wir schliegen, dab es sieh bei der PaukenhShle um ein e rsa tzs ta rkes knSchernes T ransp l an t a t l age r hande l t .

Literatur AllgSwer, !VL : Funktionelle Anpassung des Knochens auf physiotogisehe und un-

physiologisehe Beanspruehung. Langenbeeks Arch. klin. Chit. 319, 383 (i967). Axhausen, W.: Experimentelle Untersuehungen zur Theorie der induzierten

Knoehenneubildung. Langenbeeks Arch. klin. Chir. 266, 381 (1950). Axhausen, W. : Die Knoehenregeneration, ein zweiphasisehes Gesehehen. Zbl. Chir.

77,435 (1952). Axhausen, W.: Der biologische Wert k~ltekonservierter Knochentransplantate.

Langenbeeks Arch. klin. Chit. ~73, 856 (1953). Axhausen, W.: Der biologisehe WeI~ heteroplastiseher Knoehentransplantate.

Langenbeeks Arch. klin. Chir. 279, 48 (1954). Axhausen, W. : Die Bedeutung der Individual- und Artspezifitiit der Gewebe fiir

die freie Knocheniiberpflanzung. Hefte Unfallheilk., H. 72. Berlin-GSttingen- Heidelberg: Springer 1962.

Bauermeister, A. : Experimentelle Grundlagen fiir den Aufbau einer neuen Knoehen- bank. Hefte Unfallheilk., H. 58, Berlin-G6ttingen-Heidelberg: Springer 1958,

80 Kastenbauer: Untersuchungen der PaukenhShle und der GehSrkn5chelchen. I I I

Bauermeister, A.: Zur untersehiedlichen Gewebefreundliehkeit verschiedener Knochentransplantate. Langenbecks Arch. klin. Chir. 292, 828 (1959).

Burwell, R. G.: Studies in the Transplantation of Bone. J. Bone Jt Surg. B 45, 386 (1963).

Burwell, R. G. : Studies in the Transplantation of Bone. J. Bone Jt Surg. B 46, 110 (1964).

Chalmers, J.: Transplantation immunity in bone homografting. J. Bone Jt Surg. B 41, 160 (1959).

Kienholz, M., Kemkes, B.: Untersuchungen fiber den immunologischen Wert heteroplastischer konservierter Knochensp~ne. Arch. orthop, Unfallchir. 48, 623 (1956).

Maatz, R. : Die Knoehentransplantation. Verb. dtsch, orthop. Ges. (1955). Beilage- heft Z. Orthop. 87, 44 (1956).

Maatz, R. : Klinische Effahrungen mit dem eiweiBarmen Tierspan. Langenbecks Arch. klin. Chit. 292, 831 (1959).

Schweiberer, L. : Experimentelle Untersuchungen yon Knochentransplantaten mit unver~nderter und mit denaturierter Knochengrundsnbstanz. Hefte Unfall- heilk., H. 103. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1970.

Priv.-Doz. Dr. E. R. Kastenbauer Oberarzt der Univ.-HNO-Klinik D-8000 Miinchen 2, Pettenkoferstr. 8 a Bundesrepublik Deutschland