Behandlungsergebnisse und innovative Konzepte zur Optimierung der osteosynthetischen Stabilisierung von periprothetischen Femurfrakturen

Abstract

Periprothetische Frakturen stellen ein relevantes klinisches Problem dar. Aktuell wird die Inzidenz mit 0,1% - 4,1% nach Primärimplantationen sowie mit 2,8% - 4% nach Revisionsoperationen angegeben. Im Hinblick auf die demographische Entwicklung werden die Fallzahlen in den kommenden Jahren kontinuierlich steigen. Damit stellen periprothetische Frakturen bereits heute wie auch zukünftig eine wesentliche Belastung für das Gesundheitssystem dar. Das Gros der bisher publizierten klinischen Ergebnisse belegt eindeutig, dass neben der postoperativen Infektion das Implantatversagen eine der führenden Komplikationen nach operativer Therapie der Verletzung darstellt. Das stellt den behandelnden Chirurgen vor eine große Herausforderung. Durch die von uns durchgeführten klinischen Untersuchungen konnte belegt werden, dass die Mehrzahl der Patienten das funktionelle Niveau von vor der Fraktur nicht mehr erreicht. Dies zeigt sich vor allem im Grad der postoperativen Mobilität, bei der die Betroffenen in hohem Maße auf Gehhilfen angewiesen sind. Die Analyse der klinischen Ergebnisse ergab erstmals jedoch, dass das funktionelle Outcome sowie die patientenspezifische Lebensqualität unabhängig von der Art der chirurgischen Therapie sind. Ein viel wesentlicherer, diese Parameter beeinflussender Faktor scheint ein komplikationsfreier postoperativer Verlauf zu sein. Vor diesem Hintergrund wurden die experimentellen Arbeiten konzipiert, die sich mit den kritischen Aspekten der periprothetischen Frakturstabilisierung auseinandersetzen: der Implantatverankerung im Bereich der Prothese selbst sowie der Optimierung der biomechanischen Umgebung bei multifragmentären und einfachen Frakturtypen. Das Ziel war es, durch die Optimierung von osteosynthetischen Verankerungsprinzipien sowie der mechanobiologischen Umgebung, Möglichkeiten zu erarbeiten die Rate an mechanischen Komplikationen zu senken. Dabei galt es die Prinzipien der biologischen Osteosynthese zu wahren, um das individuelle biologische Heilungspotential eines jeden Patienten optimal zu nutzen. Die kritische Implantatverankerung im Bereich der einliegenden Prothesenkomponenten stellt eine der wesentlichen Schwachstellen der osteosynthetischen Rekonstruktion dar. Die bikortikale polyaxiale Schraubenverankerung im Bereich des Prothesenschaftes zeigte eindeutig ihre Überlegenheit gegenüber der monokortikalen monoaxialen Verankerung. Wir konnten erstmals nachweisen, dass im Falle eines Implantatversagens komplexe Frakturmuster durch die bikortikale Schraubenverankerung entstehen können, welche eine erneute osteosynthetische Rekonstruktion deutlich erschwert, wenn nicht unmöglich macht. Diese Art der Verankerung ist jedoch im klinischen Alltag bereits weit verbreitet. Erste Studien, die die Ergebnisse dieser Technik dokumentieren, zeigen vielversprechende Ergebnisse, sodass abzuwarten bleibt, ob das experimentell nachgewiesene Problem tatsächlich zu einem klinisch relevanten Problem führen wird. Trotzdem sollten die Resultate unserer Untersuchung Beachtung finden und es ist zu empfehlen, dass durch bildgebende Verfahren präoperativ die möglichen Schraubenkanäle sowie –angulationen überprüft werden. Komplexe Frakturmuster werden nach aktuellen Konzepten mit überbrückenden Osteosynthesen therapiert. Dabei gilt es eine biomechanische Umgebung zu schaffen, welche die Kallusbildung anregt. Bisher existiert keine Evidenz bezüglich der zu wählenden Schwingstrecke welche eine solche Umgebung schaffen kann. Die vorgestellte Analyse konnte erstmals einen Bereich für die Stabilisierung einer periprothetischen Femurfraktur definieren, der zu interfragmentären Bewegungen im Frakturspalt führt, die denen publizierter Werte ähnlich sind. Dabei wurden erstmals physiologische Belastungen auf das Konstrukt appliziert, um eine möglichst realitätsnahe Analyse zu erlauben. Ferner konnte aufgezeigt werden, dass die Variation der übrigen Schrauben am Schaft von untergeordneter Bedeutung ist und keinen signifikanten Einfluss auf die Bewegung am Frakturspalt ausübt. Eine gänzlich andere Situation findet sich hingegen bei einfachen Frakturtypen. Unter Wahrung des Konzeptes der biologischen Osteosynthese mithilfe moderner perkutaner Repositionstechniken kann in vielen Fällen eine anatomische Reposition erreicht werden. Im Gegensatz zur multifragmentären Situation ist hier zu diskutieren, ob eine interfragmentäre Kompression zu verbesserten Heilungsraten führt. Zunächst muss jedoch geklärt werden, ob die interfragmentäre Kompression in einem winkelstabilen Plattenkonstrukt überhaupt einen signifikanten Einfluss hat. Im experimentellen Versuchsaufbau am humanen Kadaverknochen konnte dies nun erstmals validiert werden (signifikante Verbesserung der Konstruktsteifigkeit). Ähnlich wie in der Voranalyse der multifragmentären Situation zeigte sich hier ebenfalls eine wesentliche Reduktion der resultierenden Scherbewegungen. Bei ausgewählten Schwingstrecken kann in Kombination mit interfragmentärer Kompression die Steifigkeit des intakten Knochens erreicht werden. Damit kann eine Umgebung geschaffen werden, die eine primäre Knochenheilung induziert. Diese grundlegenden in vitro gewonnenen Erkenntnisse können die osteosynthetische Rekonstruktion von periprothetischen Frakturen optimieren und somit durch Reduktion der Gesamtkomplikationsrate zu einer verbesserten klinischen Funktion und konsekutiv zu einer höheren patientenspezifischen Lebensqualität führen.

Periprosthetic fractures represent a relevant clinical problem. Currently, the incidence is indicated with 0.1% - 4.1% for primary implantations and 2.8% - 4% following revision surgery. With regard to the demographic change, the number of cases will continue to rise. Thus, periprosthetic fractures are and will remain a substantial burden on the healthcare system. The majority of previously published clinical studies clearly demonstrate that in addition to post-operative infections, implant failure is one of the leading complications following surgical treatment of these injuries. This provides a major challenge for the treating surgeon. The results of our clinical studies have shown that the majority of patients do not reach the functional level prior to the fracture. This is especially evident in the degree of postoperative mobility, in which the persons concerned are mostly dependent on walking aids. Analysis of the clinical results showed for the first time, however, that the functional outcome as well as the patient-specific quality of life are independent of the type of surgical treatment performed. It seems that a complication-free postoperative course is much more essential to influence these parameters. Against this background, the experimental studies have been designed, which deal with the critical aspects of the periprosthetic fracture stabilization: the implant anchorage in the area of the prosthesis itself as well as to optimize the biomechanical environment in comminuted and simple fracture types. The aim was to reduce the rate of mechanical complications by optimizing the osteosynthetic anchorage and the mechanobiologic environment while preserving the principles of biological osteosynthesis to fully exploit the healing potential of each individual patient. The critical implant anchorage in the inset of prosthetic components represents one of the fundamental weaknesses of the osteosynthetic reconstruction. Polyaxial bicortical screw anchorage in the area of the prosthetic stem clearly showed its superiority over the monocortical monoaxial anchoring. We were able to demonstrate for the first time, that in the event of implant failure the bicortical screw fixation leads to complex fracture patterns, which significantly complicates or even precludes revision surgery. However, this type of anchorage is already widely used in clinical practice. First studies documenting the results of this technique show promising results. It remains uncleare whether the experimentally proven problem will actually result in a clinical one. Nevertheless, the results of our study should be adhered to and it is recommended that possible screw channels and -angulations should be checked by imaging methods preoperatively. Complex fracture patterns are treated according to the current concept of bridging osteosynthesis. The aim is to create a biomechanical environment that stimulates the formation of callus. So far, there is no evidence regarding the working length that should be selected to provide such an environment. The study presented could for the first time define a range of working lengths for the stabilization of a periprosthetic femoral fracture, which leads to interfragmentary movements in the fracture gap, similar to those published. For the first time physiological stress was applied on the construct to allow a most realistic analysis. Furthermore, it could be shown that the variation in the remaining (not defining the working length) screws on the shaft are of secondary importance and do not exert any significant influence on the motion at the fracture site. However, a totally different situation is found in simple fracture types. While respecting the concept of biological osteosynthesis using modern percutaneous reduction techniques an anatomical reduction can be achieved in many cases. Unlike comminuted situations it has to be discussed whether interfragmentary compression can lead to improved healing rates. However, in first place, it has to be clarified whether interfragmentary compression has a significant impact on stability in a locking plate construct. In an experimental setup on human cadaver bone this could be validated (significant improvement in construct stiffness) for the first time. Similar to the analysis of the comminuted fracture situation the results of this study also showed a significant reduction of the resulting shear movements. In selected working lengths the combination with interfragmentary compression can lead to stiffness values comparable to intact bone. Thus, an environment can be created which may induce primary bone healing. These fundamental gained in vitro findings can optimize the osteosynthetic reconstruction of periprosthetic fractures and thus lead to improved clinical function and consecutively to a higher patient-specific quality of life by reducing the overall complication rate.