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cKnorpelverletzung
Dem Knorpel fehlt weitestgehend eineintrinsische Heilungskapazität.
cChondrozyten
Die Fähigkeit des Gelenkknorpels, auf Verletzungen mit Heilungsvorgängen zu antwor-ten, die zur Restitutio ad integrum führen, ist sehr gering. Der Leser soll eine Übersichtüber die technischen Möglichkeiten und deren Resultate erhalten, die eine Knorpelrepa-ration induzieren oder einen Knorpelersatz anstreben.
c Knorpelverletzungen können durch verschiedene Mechanismen hervorgerufenwerden. Hier sind in erster Linie traumatische Gelenkschädigungen mit Beteiligungdes Knorpels, avaskuläre Nekrosen von Gelenkanteilen (beispielhaft die Osteochon-drosis dissecans), primäre degenerative Veränderungen, sekundäre degenerativeVeränderungen bei anlagebedingten oder posttraumatischen Achsenfehlstellungenund Instabilitäten sowie postarthritische Veränderungen nach bakteriellen, reaktivenoder autoimmunbedingten Gelenkentzündungen zu nennen. Schon 1743 erkannteder Engländer Hunter, daß sich zerstörter Knorpel nicht aufbauen kann [39]. Ist dieMechanik des Gelenkes durch eine Knorpelverletzung gestört, kommt es zum ver-stärkten Verschleiß der verbleibenden Knorpelareale und damit zur Arthrose, dienicht nur den Gelenkknorpel, sondern auch die Gelenkkapsel mit der Gelenk-schleimhaut, den subchondralen Knochen und das periartikuläre Weichteilgewebebetrifft. Wegen der fehlenden intrinsischen Heilungskapazität des Knorpelgewebesschreitet die Schädigung weiter fort und kann so starke Beschwerden hervorrufen, biseine Resektion oder ein alloarthroplastischer Ersatz des Gelenkes notwendig wird.Umfangreiche experimentelle und klinische Untersuchungen beschäftigen sich des-halb seit Jahren mit möglichen Therapieformen zur Knorpelreparation, um diesenVerlauf zu unterbrechen.
Anatomie und Funktion des Gelenkknorpels
Anatomie
Gelenkknorpel entwickelt sich aus dem embryonalen Bindegewebe, dem Mesen-chym. Während seiner Entwicklung ist der Knorpel noch über Blutgefäße versorgt,beim Faserknorpel der Bandscheiben können sie bis zum Abschluß des Wachstumsnachweisbar bleiben [69]. Im ausdifferenzierten Zustand ist hyaliner Knorpel einnervenfreies und gefäßloses Gewebe, das sich aus seinen Zellen, den Chondrozyten,und der extrazellulären Matrix zusammensetzt [80].
Die c Chondrozyten sind in die Matrix eingebettet und machen nur einen An-teil von 1 bis 10% des Knorpelvolumens aus. Sie sind sowohl für die Synthese als
Prof. Dr. Carl Joachim Wirth • Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover,Heimchenstraße1-7, D-30625 Hannover
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Der Orthopäde 5•98 309
M. Rudert• C.J.Wirth • Orthopädische Klinik der MH Hannover
Knorpelregeneration und Knorpelersatz
Orthopäde1998 · 27:309-321 © Springer-Verlag 1998
RedaktionR. Graf • StolzalpeJ. Löhr • ZürichC.J.Wirth • Hannover
Die Beiträge der Rubrik „Weiterbildung“ sollendem Wissensstand zur Facharztprüfung für denOrthopäden entsprechen und zugleich demFacharzt als Repetitorium dienen. Die Rubrikbeschränkt sich auf klinisch gesicherte Aussa-gen zum Thema.
cKnorpelmatrix
cKollagene
Im menschlichen Gelenkknorpel herrscht Kollagen Typ II vor
cProteoglykane
cAggrekan
cZonen des Gelenkknorpels
auch für den Abbau von Kollagenen und Proteoglykanen zuständig. Der Knorpel-stoffwechsel erfolgt vorwiegend anaerob. Die Chondrozyten werden über die Syno-vialflüssigkeit und zum geringen Teil aus den Gefäßen des subchondralen Knochensversorgt.
Die c Knorpelmatrix besteht hauptsächlich aus Kollagenen, Proteoglykanenund aus Wasser (Abb. 1). Das arkadenförmig angeordnete Netz aus kollagenen Fa-
sern liefert die Zugfestigkeit und Festigkeit gegenüber Scherkräften [57]. Dies un-terscheidet den Knorpel von der Sehne, die auf Zug beansprucht wird, und vomMeniskus, der auf Druck und Zug reagieren muß. Die c Kollagene sind neben demgebundenen Wasser der Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix. Im menschli-chen Gelenkknorpel herrscht Kollagen Typ II vor, das 90 bis 95% des Kollagen aus-macht. Kollagen vom Typ I kommt im Faserknorpel vor wie in den Menisken undBandscheiben. Weiterhin enthält Knorpel Kollagene vom Typ V, VI, IX, X und XI[14]. Die Synthese des Kollagens findet in den Chondrozyten statt. Die Größe derKollagenfibrillen variiert in Abhängigkeit von der Knorpelzone, und die Anordnungim Gelenkknorpel reicht von einem tangentialen Verlauf an der Gelenkoberflächebis hin zu einem Verlauf senkrecht zur Knorpel-Knochengrenze. Die c Proteogly-kane tragen an einem Kernprotein sulfatierte Polysaccharideinheiten, die Glykosa-minoglykane. Die Proteoglykane sorgen aufgrund ihres hohen Wasserbindungsver-mögens für die Druckelastizität des Knorpels [3]. Sie werden ebenfalls von denChondrozyten produziert. Ihre Halbwertszeit liegt bei 2 bis 14 Tagen, abhängig vonder Bindung an Hyaluronsäure.
Die wesentlichsten Glykosaminoglykane des Knorpels sind Chondroitinsulfat,Dermatansulfat, Keratansulfat und Heparansulfat. Ihre Zusammensetzung und Ver-teilung ist abhängig vom Alter, vom anatomischen Ort und vom Gesundheitszu-stand des Individuums. Das größte und am stärksten vertretene Proteoglykan desKnorpels mit mehr als 100 Chondroitinsulfat- und Keratansulfatketten wird auch alsc Aggrekan bezeichnet. Aggrekane können über ein Bindungsprotein (Link-Pro-tein) nicht-covalent an einen Hyaluronsäurefaden gebunden sein. Diese Proteogly-kanaggregate widerstehen einwirkenden Kompressionen und sind deshalb auch inder Bandscheibe, in Menisken und den Teilen von Sehnen vorhanden, die über Kno-chenvorsprünge umgelenkt werden. Die Bindung an Hyaluronsäure, dem einzigennicht sulfatierten Glykosaminoglykan, kann durch einen niedrigen pH, starke Inter-aktionen von Ionen oder vermehrte Scherkräfte gestört werden [68].
Gelenkknorpel läßt sich in 4 c Zonen unterteilen (Abb. 2):I. In der oberflächlichen Tangentialfaserzone liegen die Knorpelzellen spindelför-
mig angeordnet. Hier liegt ein hoher Gehalt an geordneten Kollagenen und einniedriger Gehalt an Proteoglykanen vor.
II. In der Übergangszone runden sich die Zellen langsam ab und liegen teilweisezu mehreren in den Chondronen. Die Konzentration an Proteoglykanen steigt indieser Zone.
III. In der Radiärzone, der breitesten Zone des hyalinen Knorpels, liegen die Zellengeordnet zu Säulen zusammengefaßt. In dieser Zone haben die Kollagenfibrillen
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Abb. 1 bKnorpelmatrix bestehend ausKollagenfasern mit ihrer regel-mäßigen Strukturierung.Dazwischen liegen Aggrekane,die aus Proteoglykanen beste-hen, die an einen Hyaluron-säurefaden über Verbindungs-proteine gebunden sind
Proteoglykan
Kollagen
Hyaluronsäure
Funktion des Knorpels: praktisch reibungs-freies Gleite der Gelenkpartner, Stoßdämp-fung, Kraftübertragung zwischen den Ske-lettelementen
cViskoelastisches Verhalten
den größten Durchmesser, hier liegt die höchste Proteoglykankonzentrationund der niedrigste Wassergehalt der Zonen vor.
IV. In der Zone des mineralisierten Knorpels sind Kalziumkristalle in die extrazel-luläre Matrix eingelagert. Untergehende Zellen sind hier häufig sichtbar. Zwi-schen der Radiärzone und der Zone des mineralisierten Knorpels ist eine baso-phile Grenzlinie erkennbar, die auch als „Tidemark“ bezeichnet wird. IhreFunktion ist noch nicht geklärt. Am Übergang der Zone des mineralisiertenKnorpels zum subchondralen Knochen sollen die Kollagenfasern ihre zonen-spezifischen Grenzen nicht überschreiten.
Funktion
Hyaliner Knorpel bedeckt die Gelenkflächen echter Gelenke, der Diarthrosen. DieDicke des Knorpels variiert beim Menschen zwischen 1mm an den Fingergelenken biszu 7 bis 8mm an der Patella. Das glasartig-opake Gewebe gewährleistet ein praktischreibungsfreies Gleiten der Gelenkpartner, es hat eine stoßdämpfende Funktion, undes dient der Kraftübertragung zwischen den Skelettelementen.
In Verbindung mit der Synovialflüssigkeit weist Knorpel einen sehr niedrigenReibungswiderstand auf. Der Friktionskoeffizient beträgt nur etwa 1/5 des Wertesvon Eis auf Eis. Dieser Friktionskoeffizient ist ebenfalls wesentlich niedriger als dervon Metalloberflächen auf Polyethylen [48]. Die biomechanischen Eigenschaftendes Knorpels werden durch sein c viskoelastisches Verhalten erklärt, das von der Interaktion zwischen den Kollagenen, Proteoglykanen und dem Wassergehalt ab-hängt [57]. Etwa 30% des Wassergehaltes im Knorpel sollen im Kollagengerüst ent-halten sein, der Rest wird hauptsächlich durch die Proteoglykane gebunden [50].Das Kollagennetzwerk und Proteoglykannetzwerk verbindet sich lediglich durchFriktionskräfte zur soliden extrazellulären Matrix.Wasser,das etwa 60 bis 85% des Vo-lumenanteiles von Knorpel ausmacht, wird unter Belastung über molekulare Poren(3 bis 6,5 nm) aus dem Gewebe gepreßt. Bei diesem reversiblen Vorgang treten enor-me Strömungskräfte im Knorpel auf,die das viskoelastische Verhalten mit bestimmen[56]. Auch für die Ernährung des Knorpels sind diese Kräfte wichtig, was sich in dernachteiligen Auswirkung einer langfristigen Immobilisierung von Gelenken zeigt.
Durch die Verbindung des arkadenförmigen Kollagennetzwerkes und der übri-gen Grundsubstanz wird eine gleichmäßige Kraftübertragung auf den darunter lie-genden Knochen gewährleistet. Druckspannungen treten durch die Deformationvon Knorpel und subchondralem Knochen auf. Die Größe der das Gelenk beanspru-chenden Druckspannung ist dabei abhängig von der Gesamtkraft, die auf das Ge-lenk wirkt, von der Größe der kraftaufnehmenden Gelenkfläche und von der Vertei-
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Abb. 2 bZonen des GelenkknorpelsI. Oberflächliche Tan-
gentialfaserzoneII. Übergangszone III. RadiärzoneIV. Zone des minerali-
sierten Knorpels.Zwischen der Radiärzone und derZone des minerali-sierten Knorpelsliegt die sogenann-te „Tidemark“
Zone I
Zone II
Zone III
Zone IV
SubchondralerKnochen
Tidemark
cChondrale Defekte
Eine oberflächliche Schädigung des Knorpels führt nicht zu einer ausreichendenKnorpelantwort, um die Reparatur einesMinimaldefektes zu erzeugen
cOsteochondrale Defekte
cDebridementcLaserchirurgie
lung der Spannungen innerhalb der kraftaufnehmenden Fläche [81]. Die Deformati-on des Knorpelgewebes ist durch seine viskoelastischen Eigenschaften reversibel.
Reaktion des Knorpels auf Verletzungen
Bei Untersuchungen zur Antwort des Knorpels auf Verletzungen wird zwischen fla-chen Defekten der Knorpeloberfläche und Knorpelverlusten bis zur subchondralenKnochenzone unterschieden.
Die oberflächlichen, c chondralen Defekte runden sich an den Kanten ab undbilden zunächst eine neue Knorpeloberfläche aus Faserknorpel, die nach Jahrenwieder abgetragen ist.
Meachim beschrieb 1963 ein Verletzungsmodell am Kaninchen, in dem vieleoberflächliche Schlitze in den Gelenkknorpel geritzt wurden [51]. Dies geschah un-ter der Vorstellung, daß diese Läsionen mit der Zeit zu einer Osteoarthritis führenmüßten. Er konnte aber zeigen, daß diese Läsionen stabil blieben und nur gelegent-lich eine frühzeitige Arthrose verursachten.Von vielleicht größerem Interesse, gera-de für den Arthroskopeur sind aber die Untersuchungen von Fuller und Ghadiallyvon 1972. Sie konnten am verletzten Kaninchenknorpel zeigen, daß selbst bei jungenTieren keine Knorpelheilung entstand [26]. So verursachen oberflächliche Schädi-gungen des Knorpels lediglich eine kurzlebige metabolische und enzymatischeKnorpelantwort, die aber nicht ausreicht, genügend neue Knorpelzellen oder eineKnorpelmatrix selbst für die Reparatur eines Minimaldefektes zu erzeugen. Ober-flächliche Knorpelverletzungen können jedoch abhängig von ihrer Größe unverän-dert bestehen und müssen nicht zwangsläufig zu degenerativen Gelenkveränderun-gen führen [47].
Bis auf den Knochen reichende,c osteochondrale Verletzungen werden im Ge-gensatz dazu zunächst mit Granulationsgewebe ausgefüllt, das als gefäßloses Binde-gewebe Fibroblasten bzw. Fibrozyten in Knorpelzellen umwandelt, fibrösen Knorpelbildet und schließlich unter Umständen sogar in hyalinen Knorpel übergeht. DieserVorgang dauert länger als 12 Monate. Wakitani und Mitarbeiter konnten 1994 amKaninchenknorpel zeigen, daß ein Knorpeldefekt bis zum subchondralen Knochennach 2 Wochen in der Tiefe mit spongiösem Knochen und zur Oberfläche hin mitBindegewebe gefüllt wurde. Nach 4 Wochen reichte das Bindegewebe bereits bis zuden Defekträndern, nach 12 Wochen hatte sich der subchondrale Knochen bereitswieder vollständig neu gebildet. Die Deckschicht des Defektes war faserknorpelartigund dünner als die des angrenzenden unversehrten Gelenkknorpels [89]. ÄhnlicheBeobachtungen wurden bereits 1966 von Faber und Walther gemacht [22].
Diese Ergebnisse zeigen also, daß pluripotente Zellen aus dem subchondralenKnochen in Faserknorpel und unter Umständen sogar in hyalinen Knorpel umge-wandelt werden können. Beobachtet man dieses intrinsische Reparationsgewebeüber einen längeren Zeitraum, so kommt es im Verlauf leider gehäuft zu degenerati-ven Veränderungen [75].
Anregung zur Knorpelregeneration
Aus den experimentellen Untersuchungen lassen sich zwei prinzipiell unterschiedli-che Therapieansätze ableiten, die sich zum Teil in der chirurgischen Praxis bereitsetabliert haben. Bei der Behandlung von rein chondralen Defekten kann neben dermechanischen Knorpelglättung, dem c Debridement (Abb. 3a), die arthroskopischec Laserchirurgie zum Glätten der Knorpeloberfläche verwendet werden [77] (Abb.3b). So hat sich das Debridement von Knorpelanteilen, die bei der arthroskopischenUntersuchung nicht mehr fest im Matrixverbund lagen, als überlegen gegenüber derreinen Gelenkspülung erwiesen [38]. Dieses auch als „chondral shaving“ bezeichne-te Vorgehen führte in klinischen und experimentellen Untersuchungen jedoch nichtzu einer regenerativen Antwort des benachbarten Knorpels [43]. Der Laser wird ent-weder alleine oder in Verbindung mit photochemischen Substanzen angewandt, umdie Knorpeloberfläche zu versiegeln [40]. Es muß jedoch aus heutiger Sicht betontwerden, daß eine flächenhafte Laseranwendung zu Osteonekrosen und Chondroly-sen führen kann [7, 27]. Äthiologisch wird hier durch die Versiegelung der Knorpe-
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Abb. 3
a) Debridement desgeschädigten Knor-pels mit einemscharfen Löffel oderMesser
b) Laserglättung desgeschädigten Knor-pels zur Ober-flächenversiegelung
c) Pridie-Bohrungzur punktuellenEröffnung des sub-chondralen Mar-kraumes
d) Spongialisierungzur großflächigenEröffnung des sub-chondralen Mar-kraumes
e) Mikrofrakturie-rung zur Eröffnungdes subchondralenMarkraumes ohnethermische Beein-flussung
f) Knorpel-Knochen-Transplantation
g) Mosaikplastik alsForm der Knorpel-Knochen-Transplan-tation
h) Knorpelzelltrans-plantation durch In-jektion einer Zell-suspension unter ei-nen in den Knorpel-defekt eingenähtenund mit Fibrinkleberabgedichteten Periostlappen
a Debridement b Laserglättung
c Pridie-Bohrung d Spongialisierung
e Mikrofraktur f Knorpel-Knochen-Tranplantation
g Mosaikplastik h Knorpelzelltransplantation
Eine Laserbehandlung versiegelt die Knor-peloberfläche, was zu einer Diffusionsbar-riere führen kann, die eine irreversible Degeneration des hyalinen Knorpels verursacht.
cPridie-Bohrung
cAbrasionsarthroplastik
cKontinuierliche passive Mobilisation
cMikrofrakturierung
Unabhängig vom Operationsverfahren ent-steht bei der Eröffnung des subchondralenMarkraumes in der Regel ein Faserknorpel.
cAutologe osteochondraleTransplantation
loberfläche eine Diffusionsbarriere geschaffen, die zur irreversiblen Degenerationdes hyalinen Knorpels führt [65].
Ein anderes Ziel verfolgen die Techniken, die durch die Verletzung des subchon-dralen Knochens eine Eröffnung des Markraumes und seiner zum Teil pluripotentenZellen hervorrufen, die zu einer Anregung zur Knorpelregeneration führen sollen[90]. Diese Therapieformen sind einmal die Anbohrung des subchondralen Kno-chens nach Pridie [64] (Abb. 3c), die Abrasion des degenerierten Knorpels mit An-fräsung des darunter liegenden Knochens nach Magnuson [46], die Spongialisie-rung nach Ficat [23] (Abb. 3d), die Abrasion und Mikrofrakturierung des subchon-dralen Knochens nach Rodrigo [67] (Abb. 3e) und die subchondrale Abrasion mitkontinuierlicher passiver Bewegung nach Salter [72].
Pridie erzeugte durch das c Anbohren des subchondralen Knochens eine fa-serknorpelige Ausfüllung des Knorpeldefektes [64]. Mitchell und Shepard unter-suchten diesen Effekt 1976 am Kaninchenknorpel und fanden, daß sich das Bohr-loch zunächst mit hyalinartigem Knorpel auffüllte, der sich nach einem Jahr in dich-tes Bindegewebe umwandelte [55]. Magnuson fand nach der c kompletten Entfer-nung des degenerativ veränderten Gelenkknorpels, der Abrasion, ein sehr gutes bisgutes klinisches Resultat in 70% der Patienten, er mußte jedoch fast alle Patienten inNarkose etwa 3 Wochen postoperativ mobilisieren [46]. Eine bedeutende Verbesse-rung der Ergebnisse wurde durch arthroskopische Techniken erreicht [66]. Im Ver-gleich mit dem Debridement erbrachte die Abrasion im klinischen Einjahresergeb-nis und in experimentellen Untersuchungen deutlich bessere Resultate [25,43].
Langfristige Untersuchungen der Abrasionsarthroplastik konnten bisher aller-dings keine überzeugenden Ergebnisse liefern [41]. Ebenfalls enttäuschende Resultatewurden von Milgram nach der Abrasion von Patelladefekten bei 5 Patienten be-schrieben, die alle in einer Patellektomie endeten [54]. Die Gefahr der Bewegungs-einschränkung kann durch c kontinuierliche passive Mobilisierung direkt posto-perativ vermindert werden. Salter erkannte in einer vergleichenden Studie am Ka-ninchen 1975, daß ein Knorpeldefekt nach Immobilisation bindegewebig ausheilt,unter krankengymnastischer Beübung inkomplett ausgefüllt wird und lediglichdurch kontinuierliche passive Bewegung nach 3 Wochen hyaliner Knorpel bis zurOberfläche des Defektes entsteht [72]. Dabei sollte die kontinuierliche passive Bewe-gungsübung mindestens 6 bis 8 Stunden pro Tag durchgeführt werden, um eine Ge-weberegeneration anzuregen; 1 bis 2 Stunden pro Tag seien nicht ausreichend [76].Rodrigo kombiniert die subchondrale Abrasionsarthroplastik und c Mikrofraktu-rierung mit einer kontinuierlichen passiven Mobilisation des Gelenkes. Eine Teilbe-lastung des Beines mit Sohlenkontakt wird für mindestens 8 Wochen empfohlen[67]. Unabhängig vom Operationsverfahren entsteht bei der Eröffnung des sub-chondralen Markraumes in der Regel ein Faserknorpel, der durch eine Mischungaus Kollagen vom Typ I und vom Typ II gekennzeichnet ist.
Knorpeltransplantation
Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde an die Transplantation von alloge-nem, später autogenem Knorpel gedacht, um Defekte in den Gelenkoberflächen zutherapieren.
1972 stellte Wagner die autogene c orthotope Knorpel-Knochen-Transplantati-on vor [88] (Abb.3f).Das Knorpel-Knochen-Transplantat wurde aus dem hinteren Be-reich des Femurkondylus gewonnen und in den Knorpeldefekt des vorderen Kondy-lusbereichs verpflanzt.Wagner erhielt aber wie andere Operateure nur in den ersten2 bis 5 postoperativen Jahren in etwa 70% gute Ergebnisse im Sinne einer signifi-kanten Schmerzreduktion und verbesserten Funktion. Als Ursachen für die allmäh-lich oder abrupt eintretende Verschlechterung in 30% der Fälle wurden folgendePunkte angeführt:• eine mangelhafte Transplantatstabilität;• eine mechanische Überlastung des Transplantates;• ein immunologischer Angriff durch die Synovia;• die Inkongruenz der Gelenkflächen.
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cAllogene osteochondrale Transplan-tation
Beste Resultate bei verletzungsbedingtenKnorpelschäden erreicht.
Besonders die letztgenannte Inkongruenz der Transplantate sollen neue Technikenvermeiden, bei denen osteochondrale Zylinder kleinen Durchmessers mosaikför-mig in einen Knorpeldefekt eingestanzt werden [31] (Abb. 3g und 4). Hierdurchkann auch bei großen Defekten eine Inkongruenz vermindert werden. Ein weitererVorteil ist die mögliche arthroskopische Anwendung dieser Technik [6]. Die Vorläu-figen Ergebnisse sind vielversprechend, haben jedoch die Nachuntersuchungszeitder herkömmlichen osteochondralen Transplantationen noch nicht erreicht [32].
Outerbridge et al. verwendeten autologe Transplantate der lateralen Patella zurBehandlung femoraler Knorpeldefekte. Sie erhielten nach einer mittleren Nachun-tersuchungszeit von 6 1/2 Jahren in einer kleinen Gruppe von Patienten gute Ergeb-nisse. Bei 5 von 10 Patienten konnte jedoch eine radiologische Progression der Ar-throse nicht verhindert werden [62].
Die Problematik der Inkongruenz der Oberflächen könnte auch durch c allo-gene, frische bzw. konservierte Transplantate vermieden werden. Hier treten aberneue Probleme auf wie die Erhaltung der Vitalität der Knorpelzellen, Größe und Artder Transplantate, die Konservierung, Immunologie und Ernährung des Knorpels.
Insbesondere die Arbeitsgruppe um Czitrom hat sich intensiv mit der allogenenfrischen Knorpel-Knochen-Transplantation befaßt [20]. Nach den ersten 100 alloge-nen Knorpel-Knochen-Transplantaten kamen sie zu folgendem Ergebnis:• die besten Resultate wurden bei verletzungsbedingten Knorpelschäden erreicht;• die Patienten mit primärer Arthrose hatte keinen signifikanten Nutzen;• die Resultate bei Osteochondronekrose, Osteochondrosis dissecans und unter
Steroidmedikation waren schlecht;• die einseitige Transplantation in eine Gelenkhälfte erbrachte bessere Ergebnisse
als die gleichzeitige Knorpel-Knochen-Transplantation in korrespondierende Ge-lenkflächen;
• Beinachsenfehler sollten zuerst korrigiert werden.
Aus der gleichen Arbeitsgruppe fanden Beaver und Mitarbeiter 1992 bei ausgedehn-ten osteochondralen Transplantaten nach 5 Jahren immerhin noch 75% gute Ergeb-nisse, nach mehr als 10 Jahren noch mehr als 63% [4]. Auch Meyers und Mitarbeitersahen 1989 nach 2 bis 10 Jahren noch 77% erfolgreiche Transplantationen [53], eben-so Gross et al.1983 [30]. Betrachtet man die Überlebensrate der Chondrozyten von
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Abb. 4 m a1,5 x 2 cm großer osteochondraler Defekt im medialen Femurkondylus eines 32 Jahre alten Patienten; b Entnahme osteochondraler Zylindermit einem Spezialinstrumentarium zur Aufnahme der Transplantate (FA Arthrex, Deutschland); c Fertige Mosaikplastik mit osteochondralen Transplanta-ten aus dem femoropatellaren Gleitlager
a b c
c Gründe für Fehlergebnisse
cPerichondrium
Das Verfahren der Transplantation von Perichondrium befindet sich bereits in derklinischen Anwendung.
osteochondralen Transplantaten, so ergeben sich hier unterschiedliche Resultate.Czitrom und Mitarbeiter fanden vitale Chondrozyten noch 2 Jahre nach der Trans-plantation in mehr als 60%, nach 6 Jahren aber nur noch in 37%. So war die Überle-bensrate der Knorpelzellen 12 Monate nach allogenem Ersatz des Capitulum hume-ri noch 96 bis 99%, 24 Monate nach allogenem Ersatz des medialen Femurcondylusnur noch 69 bis 78% [19].
Als c Gründe für die Fehlergebnisse wurden ein höheres Patientenalter,Beinachsenfehler und technische Transplantationsfehler wie die Fehlpositionie-rung, die Übergröße und die zu geringe Dicke des Transplantates gesehen [61]. Bea-ver und Gross konstatierten 1992, daß zu einer erfolgreichen allogenen frischenKnorpel-Knochen-Transplantation folgende Punkte Beachtung finden sollten [4]:• die Transplantatdicke sollte größer als 10 mm sein• die Transplantatfixation ist adäquat zu wählen und• es sollte nicht versucht werden, Beinachsenfehler mit dem entsprechenden Auf-
bau des Transplantates auszugleichen.
So hat die autogene Knorpeltransplantation neben der limitierten Verfügbarkeit dasProblem der mangelnden Kongruenz und unterschiedlichen Knorpeldicke der Ge-lenkflächen auf der Spender- und Empfängerseite. Die allogenen Knorpeltransplan-tate sind ebenfalls nur begrenzt verfügbar, und die Überlebensrate der Chondro-zyten ist gerade bei den allogenen konservierten Knorpeltransplantaten in Abhän-gigkeit von der Konservierungsart vermindert. Deshalb befaßt man sich in jüngererZeit zunehmend mit proliferationsfähigen Spendermaterialien, die in der Lage sind,ein Knorpelähnliches Gewebe zu bilden.
Transplantation chondrogener Materialien
Perichondrium und Periost
Am häufigsten wurden Untersuchungen mit c Perichondrium an Schafen, Kanin-chen und Hunden durchgeführt.Um langfristig funktionieren zu können,soll sich da-bei das Transplantat an die Umgebung der Empfängerseite anpassen können [2, 11, 17,37, 91].
Bruns hat Knorpeldefekte am Schaf in der gewichttragenden und nicht ge-wichttragenden Zone des Kniegelenkes mit Rippenperichondrium behandelt. In dernicht gewichttragenden Region waren die Bohrlöcher 4 Wochen nach Transplantationkomplett mit einem knorpelähnlichen Material ausgefüllt, die Bohrlöcher in der ge-wichttragenden Region lediglich unvollständig mit Bindegewebe verschlossen. Hi-stologisch ließ das Perichondrium in Defekten der nicht gewichttragenden Zone 4Wochen nach Transplantation eine Umwandlung in hyalinähnlichen Knorpel erken-nen, während das Perichondrium im Knorpeldefekt der gewichttragenden Zoneauch 8 Wochen nach Transplantation nur an wenigen Stellen eine Umwandlung inFaserknorpel aufwies [11]. Ähnliche tierexperimentelle Modelle wurden durch dieArbeitsgruppe von Woo mit Perichondrium verfolgt, das als Überzug auf deminera-lisiertem Knochen oder Empfängerknochen diente. Coutts und Mitarbeiter entnah-men dazu einen osteochondralen, 4mm großen Block aus dem medialen Femurcon-dylus. Der Knorpel wurde entfernt und als Ersatz autogenes Rippenperichondriumauf diesen Knochenblock genäht, bevor er in den Defekt replantiert wurde [18]. Bil-lings et al. demineralisierten allogenen Femurknochen, deckten ihn mit autogenemPerichondrium und implantierten das Produkt in den medialen Femurkondylusvon Kaninchen [5]. Sie erhielten ähnliche Ergebnisse wie Bruns.
Das Verfahren der Transplantation von Perichondrium befindet sich bereits inder klinischen Anwendung. Die Behandlung osteochondraler Defekte führte beimehr als 80% von 25 Patienten zu guten bis sehr guten Ergebnissen ein Jahr nach derTransplantation [36]. In einer klinischen Studie von Bruns wurden 10 von 19 derartbehandelte Patienten mindestens ein Jahr nach der Perichondriumtransplantationnachuntersucht. Sie wiesen alle eine signifikante Verbesserung des klinischen Scoreszum präoperativen Zustand auf [10]. Einer verstärkten Mineralisation des entste-henden Gewebes soll durch die Gabe von nicht-steroidalen Antiphlogistika entge-gengewirkt werden können.
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cPeriost
cChondrozyten
Therapiekonzept zur Ausheilung von Knorpeldefekten im Kniegelenk mit kultivierten autogenen Chondrozyten
Züchtung knorpelähnlichen Gewebesin einer Perfusionskammer
Hauptproblem in der Entwicklung eines implantierbaren Materials vitaler Zellenscheint der geeignete Zellträger zu sein
c Periost wurde als Füllmaterial für Knorpeldefekte hauptsächlich in Verbin-dung mit einer passiven kontinuierlichen Gelenkbewegung verwendet. O'Driscolund Salter füllten 3,5 mm breite zirkuläre Knorpeldefekte des medialen Femurcon-dylus von Kaninchen mit periostüberzogenem Knochen auf und bewegten das Kniekontinuierlich passiv. Im Gegensatz zu einer Kontrollgruppe ohne passive Mobili-sierung zeigten die Knorpeldefekte der Kaninchen mit CPM eine Neochondrogene-se [60]. In einer Studie von 13 Patienten, bei denen die retropatellare Gelenkflächedurch freies Periost gedeckt wurde, erlangten 8 Patienten im Mittel 4 Jahre postope-rativ ein gutes und 4 Patienten ein befriedigendes Ergebnis [34]. Weitere vielver-sprechende Erfolge wurden über die Behandlung von chondralen und osteochon-dralen Defekten mit Periost berichtet [12]. Die Verwendung von osteo-periostalenTransplantaten hat ebenfalls bei großen Defekten klinisch zu befriedigenden Ergeb-nissen geführt [45].
Chondrozyten und mesenchymale Stammzellen
Neue Erkenntnisse über die Bedingungen, die das Chondrozytenwachstum in in-vitro-Kulturen fördern führten zu der Vorstellung, isolierte Chondrozyten und me-senchymale Zellen zu transplantieren, um einen Knorpelaufbau zu fördern.
Die In vitro-Kultivierung und Vermehrung von c Chondrozyten ist bereits seitden sechziger Jahren bekannt [35, 49]. Die klinische Anwendung von isolierten auto-logen Chondrozyten zur Therapie von traumatischen Gelenkdefekten ist jedoch erstnach Veröffentlichung der Untersuchung einer schwedischen Arbeitsgruppe von1994 in den Vordergrund allgemeinen Interesses gerückt. Brittberg und Mitarb. ha-ben ein Konzept gezeigt, wie man mit kultivierten autogenen Chondrozyten Knor-peldefekte im Kniegelenk möglicherweise ausheilen kann [9]. Den Patienten wur-den arthroskopisch Knorpelstücke aus einer minderbelasteten Region des betroffe-nen Kniegelenkes entnommen. Aus diesen Knorpelstücken wurden im Labor dieKnorpelzellen isoliert, im Kulturmedium vermehrt und 14 Tage bis drei Wochenspäter als Suspension in den chondralen Knorpeldefekt transplantiert. Der Knorpel-defekt wurde dazu mit einem Perioststreifen überzogen, mit Fibrinkleber abgedich-tet und die Suspension mit den gezüchteten Knorpelzellen in den Defekt einge-spritzt (Abb. 3h).
Die Nachbehandlung wurde frühfunktionell unter zunehmender Belastung desKniegelenkes in den ersten 8 Wochen durchgeführt. 2 Jahre nach der Knorpelzell-transplantation in femorale Defekte hatten 14 von 16 Patienten gute bis exzellenteErgebnisse. Patienten mit patellaren Defekten schnitten weit schlechter ab. Die Au-toren folgerten,daß gezüchtete autogene Chondrozyten in Suspension zur Ausheilungtiefer Knorpeldefekten im femorotibialen Gelenk benutzt werden können. In einertierexperimentellen Untersuchung am Hundemodell von Breinan et al. konnte je-doch kein Unterschied zwischen der Verwendung von Chondrozyten mit einem Pe-riostlappen und der reinen Implantation eines Periostlappens ohne Zellen festge-stellt werden [8].
Bujia und Mitarb. züchteten knorpelähnliches Gewebe in einer Perfusionskam-mer, um den aufwendigen Vorgang der Chondrozyten-kultivierung zu vereinfachen[13]. So wurde von Patienten im Rahmen von rekonstruktiven Eingriffen gesundesKnorpelgewebe vom Nasenseptum entnommen. Aus dem Knorpelgewebe lassensich die Chondrozyten enzymatisch isolieren und mit Agarose als Trägersubstanzumhüllen. In der Perfusionskammer werden die Zellen einem Kulturmedium ausge-setzt, das mit kontinuierlicher Geschwindigkeit infundiert wird. Die gesamte Kul-turzeit betrug in dieser speziellen Untersuchung 2 Monate. Die Chondrozyten bliebenvital und produzierten eine extrazelluläre Matrix und Kollagen vom Typ II. Nach 15Tagen konnte deutlich eine perizelluläre Akkumulation von Kollagenen beobachtetwerden, nach 45 Tagen eine Neochondrogenese.
Das Hauptproblem in der Entwicklung eines implantierbaren Materials vitalerZellen scheint der geeignete Zellträger zu sein. Neben der reinen Zellsuspensionwurden deshalb verschiedene Trägersubstanzen wie Agarose, Alginat, Methylzellu-lose, Kollagen, Kohlestofffaser, Fibrinkleber oder Hydroxylapatit getestet. In jüng-ster Zeit sind synthetische biodegradable Polymere wie Dexon,Vicryl oder PDS zu-nehmend als Trägersubstanzen in Erprobung.
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cVerwendbarkeit synthetischerMaterialien zur Gewebekultur
cMesenchymale Stammzellen
Die Transplantation von isolierten Zellen istnicht unproblematisch und kann dem Pati-enten erst nach weiteren Untersuchungenempfohlen werden
Wachstumsfaktoren:ÜTGF-b (Transforming Growth Factor)BFGF (Basic Fibroblast Growth Factor) undIGF-I (Insulin Like Growth Factor)
Als Bedingung für die c Verwendbarkeit synthetischer Materialien zur Gewe-bekultur wurden von Freed und Mitarb. angegeben [24]:• die Oberfläche sollte das Anheften und Wachsen von Zellen erlauben;• weder das Polymer noch seine Degradationsprodukte sollen eine entzündliche
Reaktion oder Toxizität in vivo erzeugen;• das Material sollte reproduzierbar in eine dreidimensionale Struktur gebracht
werden können;• die Porosität sollte möglichst hoch sein, um eine große Oberfläche für die Inter-
aktion von Zellen und Polymer zu schaffen, genügend Zwischenräume für die Re-generation extrazellulärer Matrix bereitzustellen und eine minimale Diffusions-barriere während der in-vitro-Kultur zu bilden;
• das Material sollte resorbiert werden können, nachdem es nicht mehr benötigtwird;
• die Degradationsrate des Netzes sollte steuerbar sein, um die Regenerationsratedes gewünschten Gewebes zu egalisieren.
In eigenen Untersuchungen ist uns die Kultivierung von Chondrozyten aus Kniege-lenken vom Kaninchen auf unterschiedlichen biokompatiblen Trägersubstanzen ge-lungen [71]. Die Zellen werden dabei ebenso wie bei den oben angeführten Techni-ken enzymatisch isoliert und in einer Monolayerkultur vermehrt. Dieser Schritt istnotwendig, um aus einer kleinen Biopsie genügend Zellen für die Behandlung einesgroßen Defektes zu gewinnen. Dabei wird die Dedifferenzierung der Zellen in Kaufgenommen. Das bedeutet, sie verlieren ihre charakteristischen Eigenschaften undwandeln sich in einen fibroblastenartigen Zelltyp um [29, 87]. Erst auf der Träger-substanz kommt es durch eine dreidimensionale Anordnung der Zellen zur soge-nannten Redifferenzierung. Die Zellen verringern ihre Teilungskapazität und er-höhen die chondrozytenspezifische Matrixproduktion [44, 79, 84].
Um die Problematik der Zellvermehrung und der Seneszenz zu umgehen, be-steht die Möglichkeit c mesenchymale Stammzellen zu verwenden [1,15,16]. Waki-tani et al. behandelten osteochondrale Defekte beim Kaninchen mit mesenchyma-len Stammzellen, die in Kollagengel eingebettet wurden [89]. Die Zellen differen-zierten zu Chondrozyten und führten zu einer Verbesserung der Defektfüllung nach24 Wochen im Vergleich zum Kontrolldefekt.
Die Transplantation von isolierten Zellen ist trotz der vielversprechenden Er-folge nicht unproblematisch und kann dem Patienten sicherlich erst nach weiterenUntersuchungen empfohlen werden [8, 52, 58, 70]. Die Methode der schwedischenArbeitsgruppe befindet sich bereits seit einiger Zeit in der klinischen Erprobungund wird den Maßstab für ähnliche Techniken setzen.Welche Materialien besonderszur Transplantation geeignet sind, wird sich erst durch weitere Versuche zeigen. Umdiese Methoden auch dem Arthroskopeur zugänglich zu machen,werden Gele wie Po-lymere aus Polyethylenoxyd untersucht, die im Defekt polymerisieren sollen unddadurch die Verwendung weiterer Hilfsmittel überflüssig machen [33, 78].
Wachstumsfaktoren und Gentherapie
Abgesehen von der eher mechanischen Betrachtungsweise der Knorpelbeanspru-chung wächst das Verständnis der biochemischen und endokrinologischen Aspekteder Knorpelphysiologie und Heilungsvorgänge von Geweben durch intensive For-schungen auf diesem Gebiet. Von besonderer Bedeutung sind hier die Wachstums-faktoren, die als Mediatoren der Gewebereaktion auf endogene oder exogene Reizedefiniert werden. TGF-β (Transforming Growth Factor), BFGF (Basic FibroblastGrowth Factor) und IGF-I (Insulin Like Growth Factor) führen so zu einer Steige-rung der Proteoglycansynthese von Chondrozyten, können jedoch auch eine kata-bole Wirkung entfalten [63,82,83]. Die wiederholte Injektion von TGF-β kann dege-nerative Veränderungen begünstigen [85]. Auch eine Reihe von BMPs (Bone Mor-phogenetic Protein) stimulieren die Synthese von Proteoglykanen und Kollagen TypII in Chondrozytenkulturen [73].
Die Applikation von humanem rekombinanten BMP-2 in osteochondrale De-fekte beim Kaninchen hat so zu einer verbesserten, wenn auch nicht vollständigen Re-paration des Defektes geführt [74]. Einerseits ist die Wechselwirkung der einzelnen
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cGentherapie
Die Gentherapie ist noch alsexperimentell zu betrachten.
Wachstumsfaktoren untereinander und ihre Wirkung in vivo noch nicht vollständigerforscht, andererseits besteht die Problematik einer therapeutischen Applikationund Aufrechterhaltung einer biologisch wirksamen Konzentration dieser Faktoren imGewebe nach der Applikation [28, 83, 86]. Zu diesem Zweck wird die c Gentherapieauch bei einer Schädigung des Gelenkknorpels interessant. Ein Gen wird in eineZielzelle eingeschleust, um dort nur ausgewählte Wachstumsfaktoren zu produzie-ren [59]. Da isolierte DNA von den meisten Zellen nicht aufgenommen wird, ist einTransportvehikel oder Vektor notwendig, um die gewünschte genetische Informati-on in die Zelle zu schleusen. Hier bieten sich Liposome oder Viren an, meist Retrovi-ren oder Adenoviren, die die Zielzelle infizieren und die fremde DNA in die Zielzel-le einschleusen (Transfektion). Um die Expression der fremden DNA durch die Zel-le besser steuern zu können, werden zum Teil zusätzlich sogenannte Promotoreneingeschleust. Promotoren sind Antriebsaggregate, die die Expression von Geneninduzieren oder verhindern können. Dadurch wird die Aufgabe der Zelle steuerbar.
Es gibt unterschiedliche Techniken, das genetische Material in die Zelle zutransportieren. Bei der In-vivo-Technik werden die Viren direkt an das Zielorgangebracht und sollen vor Ort das Gewebe infizieren. Die Ex-vivo-Technik verwendetIn-vitro-Methoden zur gezielten Veränderung von Zellen außerhalb des Körpers,die danach in den Wirtsorganismus eingeschleust werden [42]. Noch ist die Genthe-rapie als experimentell zu betrachten. Erste klinische Studien sind jedoch bereitsbegonnen worden [21] und lassen auf eine völlig neue oder zumindest unterstützen-de Therapie von Knorpeldefekten hoffen. Zu beachten ist ebenfalls, daß diese Fakto-ren natürlich auch von mesenchymalen Stammzellen, endothelialen Zellen undThrombozyten gebildet werden können. Die Eröffnung des subchondralen Raumes,wie sie bei den bereits beschriebenen Techniken durchgeführt wird, mag also auchweiterhin seine Bedeutung in der operativen Behandlung von Knorpeldefekten be-halten.
Fragen zur Erfolgskontrolle
Hyaliner Gelenkknorpel besteht aus den Chondrozyten (1-10%) und der Matrix, diehauptsächlich aus Kollagenen (Kollagen Typ II = 90-95%) und Proteoglykanen (vorallem Aggrekan), aufgebaut ist.
Der Knorpel ist nur unvollständig zur Eigenreparatur fähig. Verletzungsreize kön-nen die Knorpelzellen zur vermehrten Produktion von Knorpelmatrix anregen oderden subchondralen Markraum mit seinen pluripotenten Stammzellen eröffnen. Da-durch ist eine Defektauffüllung zumindest mit Faserknorpel abhängig von der Tiefedes Defektes möglich. Diese „Knorpelnarbe“ ist jedoch mechanisch nicht voll be-lastbar.
Verfahren, die klinisch zur Anregung der Knorpelreparation angewandt werdensind das reine Debridement des geschädigten Knorpels, die Anbohrung des sub-chondralen Knochens (Pridie-Bohrung), die Abrasion des degenerierten Knorpelsmit Anfräsung des subchondralen Knochens und die Mikrofrakturierung des sub-chondralen Knochens mit oder ohne Debridement des geschädigten Knorpels. Die-se Techniken werden sinnvoll meist mit einer kontinuierlichen passiven Mobilisati-on kombiniert.
Zum Knorpelersatz werden klinisch die allogene und autologe osteochondraleTransplantation angewandt.
Gelenkknopel ist in Kombination mit der Synovialflüssigkeit ausgezeichnet durch:• ein praktisch reibungsfreies Gleiten der Glenkpartner• seine stoßdämpfende Funktion• die harmonische Kraftübertragung zwischen den Skelettelementen
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1. Aus welchen Bestandteilen ist hyaliner Gelenkknorpel hauptsächlich aufgebaut ?
2. Was passiert bei einer Verletzung desKnorpels ?
3. Welche Verfahren zur Anregung derKnorpelreparation/zum Knorpeler-satz sind klinisch etabliert?
4. Welche mechanischen Eigenschaftenzeichnen den Gelenkknorpel aus?
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