Nukleotomie und dynamische Restabilisierung des Lendenwirbelsäulen-Segments L3/4 bei Schaf und Mensch: eine biomechanische Studie

Abstract

Das Schaf ist in der Wirbelsäulenchirurgie ein häufig eingesetztes Modell zur Untersuchung der Bandscheibe und für präklinische Tests von Wirbelsäulenimplantaten. Vergleiche der gesunden Schaf-Segmente mit denen des Menschen haben gezeigt, dass die biomechanischen Eigenschaften der Wirbelabschnitte beider Spezies vergleichbar sind. Wenige Untersuchungen haben sich bisher mit dem biomechanischen Vergleich der beiden Spezies nach chirurgischen Eingriffen am Segment beschäftigt. Solche Eingriffe können jedoch die Integrität des fein abgestimmten Zusammenspiels von Discus intervertebralis, kleinen Wirbelgelenken und den umgebenden Bändern und Muskeln empfindlich stören. Es besteht aufgrund eindeutiger anatomischer Unterschiede in den Wirbelsegmenten die Möglichkeit, dass die einzelnen Strukturen bei Schaf und Mensch die Stabilität in verschiedener Weise beeinflussen. Aus diesem Wissen entsteht die Frage, ob ein chirurgischer Eingriff an humanen und ovinen Lendenwirbelsegmenten zu vergleichbaren Veränderungen der Biomechanik führt. Die vorliegende biomechanische Studie sollte die Frage beantworten, ob das Tiermodell Schaf für die Nukleotomie, sowie für die Testung eines experimentellen spiralförmigen Nukleusersatzimplantates und eines experimentellen posterioren dynamischen Stabilisierungssystems (PDSS) geeignet ist. Zu diesem Zweck wurden die biomechanischen Auswirkungen der Nukleusentfernung, der Implantation des Nukleusersatzes sowie der Implantation des PDSS an Wirbelsäulensegmenten L3/4 des Schafes und humanen Segmenten der selben Höhe in-vitro getestet und ausgewertet. Die Bewegungsrichtungen Flexion/Extension, Seitneigung rechts/links und Rotation rechts/links wurden einzeln betrachtet und verglichen. Als Vergleichsparameter galten Neutral Zone (NZ), Range of Motion (ROM und die daraus errechnete Neutral Zone Ratio (NZR). Signifikante Unterschiede zwischen den Auswirkungen der Manipulation am Segment bei Schaf und Mensch zeigen sich lediglich vereinzelt (Neutral Zone (NZ) der Seitneigung rechts/links durch die Nukleotomie, Range of Motion (ROM) der Flexion/Extension, sowie NZ und Neutral Zone Ratio (NZR) der Seitneigung durch die Implantation des PDSS). Die Einbringung des Nukleusersatzes in das Bandscheibenfach führte in der Bewegung der Flexion/Extension zu gegensinnigen Veränderungen der Neutral Zone und in der Folge auch der NZR. Dasselbe gilt für die NZR bei Anwendung des PDSS in der Flexion/Extension. Bei den Auswertungen der Daten zeigten sich breit gefächerte 95%-Konfidenzintervalle. Die Ergebnisse stellen dementsprechend nur Tendenzen dar. Dies zeigt, dass die Veränderungen durch die hier angewandten Methoden am Schafsegment sehr detailliert und nicht als absolut betrachtet werden sollten, zieht man diese Ergebnisse für die Prognose der möglichen Auswirkungen in klinischen Tests am Menschen zu Rate. Für den quantitativen Vergleich der Veränderungen durch die chirurgischen Eingriffe sind deutlich mehr Daten von Nöten, als sie diese Untersuchung einbeziehen konnte. Diese Studie konnte zeigen, dass die Implantation eines spiralförmigen Nukleusersatzimplantates und eines posterioren dynamischen Stabilisierungssystems am Segment L3/4 bei Schaf und Mensch zu weitestgehend nicht signifikant unterschiedlichen biomechanischen Veränderungen führt. Daraus kann man schließen, dass durch die Testung oviner Lendenwirbelsegmente 3/4 nach Implantation eines experimentellen spiralförmigen Nukleusersatzimplantates und eines experimentellen posterioren dynamischen Stabilisierungssystems (PDSS) die voraussichtlichen Auswirkungen auf das humane Segment gezeigt werden können. Die oben genannten Einschränkungen zeigen jedoch, dass eine biomechanische Testung dieser Implantate an ovinen Lendenwirbelsegmenten 3/4 lediglich einen Anhalt dafür bietet, in welcher Weise sich die Biomechanik der humanen Segmente verändern wird. Bei der Testung von Implantaten am LWS-Segment 3/4 des Schafes sollte somit nicht nur das Gesamtergebnis, sondern auch der Vergleich der Ergebnisse einzelner Bewegungsrichtungen kritisch bewertet werden.

The sheep is a frequently used model for in vivo and in vitro spinal research. Comparisons of healthy sheep segments with those of humans have shown that the biomechanical properties of vertebral sections of both species are comparable. Few studies have been devoted to the biomechanical comparison of the two species after surgery on the segment. Such intervention may, however, affect noticeably the integrity of the finely tuned interaction between intervertebral disc, facet joints and surrounding ligaments and muscles. There is clearly due to anatomical differences in the vertebral segments, the possibility that the individual structures in sheep and humans affect the stability in various ways. From this knowledge arises the question if a surgical intervention on human and ovine lumbar segments leads to comparable changes of biomechanics. The present biomechanical study should answer the question of whether the sheep model for the nucleotomy, and for the testing of an experimental spiral nucleus replacement implant and an experimental posterior dynamic stabilization system (PDSS) is suitable. To this end, the biomechanical effects of nucleus removal, implantation of nucleus replacement and implantation of the PDSS in spinal segments L3 / 4 of the sheep and human segments of the same height were tested in vitro and evaluated. The directions of motion flexion / extension, lateral bending left / right and rotation right / left were considered individually and compared. Comparison parameters were neutral zone (NZ), Range of Motion (ROM) and the calculated from these values neutral zone ratio (NZR = NZ/ROM). Significant differences between the effects of manipulation of the segment in sheep and humans show up only occasionally (neutral zone (NZ) of the side bending right / left after nucleotomy, Range of Motion (ROM) in flexion / extension, and NZ and the neutral zone ratio (NZR) of the side bending right / left after implantation of PDSS). The implantation of the nucleus replacement in the intervertebral disc lead in the movement of flexion / extension to opposite directions changes of the neutral zone and, subsequently, the NZR. The same applies to the changes of NZR after implanting PDSS in the flexion / extension.