Osteochondrale Defektheilung nach chirurgischer Versorgung mittels biodegradierbarer synthetischer Implantate im Schafsmodell: Evaluation des Heilungsverlaufs mittels MR-Arthrographie und histologischer Untersuchungen

Abstract

Das intrinsische Heilungspotential des hyalinen Knorpelgewebes ist stark limitiert. Der natürliche Regenerationsprozess osteochondraler Defekte basiert auf der Rekrutierung mesenchymaler Stammzellen aus dem Knochenmarkraum und deren folgenden Differenzierung zu chondrogenen Vorläuferzellen. Die begrenzte Selbstheilungskapazität beinhaltet die Bildung von biomechanisch inadäquatem fibrösem Gewebe und Faserknorpelgewebe. Die klinisch angewendeten Therapieoptionen von Gelenkknorpeldefekten traumatischer und degenerativer Genese sind derzeit restorative Verfahren zur mesenchymalen Stammzellrekrutierung, wie die osteochondrale autologe Transplantation (OAT) und die autologe Chondrozytentransplantation (ACT). Diese chirurgischen Behandlungsoptionen führen jedoch nur zeitlich begrenzt zu einer Verbesserung der klinischen Symptomatik. Längerfristig hält das faserknorpelige Regeneratgewebe den natürlichen Belastungseinwirkungen nicht stand und entwickelt progressive Degenerationserscheinungen im späteren Heilungsverlauf. In der Literatur wird eine Vielzahl über die Ergebnisse experimenteller Studien zur Versorgung osteochondraler Defekte mit synthetischen resorbierbaren Implantaten berichtet. Diese restorativen Therapieansätze, auch unter dem Begriff „Tissue-Engineering“ zusammengefasst, beinhalten die Regeneration zwei verschiedener Gewebespezies, dem hyalinen Knorpelgewebe und dem subchondralen Knochengewebe. Die limitierte Heilungstendenz des hyalinen Knorpelgewebes erfordert eine Eröffnung der subchondralen Knochenlamelle, um eine Einwanderung biologisch potenten Stammzellen und die anschließende Bildung von hyalin-ähnlichem oder hyalinem Knorpelgewebe zu ermöglichen. Um eine temporäre Stabilität im Defektareal zu schaffen und eine Geweberegeneration nach der Zellinfiltration in der initialen Heilungsphase zu unterstützen wird der Defekt mit biodegradierbaren Scaffolds aufgefüllt. In der vorliegenden Studie wurden ostochondrale Defekte im Kniegelenk von Schafen geschaffen und mit biodegradierbaren Scaffolds aus Poly(D,L)Laktid-co-Glykolid (85:15 PLG) als Basismaterial versorgt. Die Heilungsergebnisse wurden nach drei und sechs Monaten Standzeit immunhistologisch, histologisch und histomorphometrisch untersucht. Durch die Verwendung von Scaffolds unterschiedlicher Steifigkeit (87% und 55% zum subchondralen Knochengewebe) stand diese biomechanische Einflussgröße im Vordergrund der Auswertung. Des Weiteren wurden die Biodegradation und das Implantatdesign als weitere Kriterien im Heilungsverlauf miteinbezogen. Die zusätzliche Darstellung des Heilungsverlaufs anhand der indirekten MR-Arthrographie nach sechs Monaten Standzeit diente der Überprüfung der Sensitivität dieses Verfahrens. Durch den Vergleich mit den histologischen Ergebnissen sollte die klinische Aussagekraft dieses nichtinvasiven Diagnostikums zur Beurteilung chirurgisch versorgter osteochondraler Defekte dargestellt werden. Die spontane Regeneration ungefüllter Defekte äquivalenter Größe wurde als Kontrolle angesehen. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen die anfangs aufgestellte Hypothese, dass die initialen mechanischen Rahmenbedingungen in der osteochondralen Defektheilung von der Steifigkeit der verwendeten Scaffolds beeinflusst werden. Die Verwendung von Scaffolds höherer mechanischer Stabilität wirkte sich positiv auf den Heilungsverlauf und das Heilungsergebnis aus. Die Quantität und Qualität der ossären und chondralen Geweberegeneration der mit Scaffolds höherer Steifigkeit versorgten Defekte war den Heilungsergebnissen der Scaffolds geringerer Steifigkeit überlegen. Die erhöhte mechanische Stabilität im Defektareal führte zu einer direkten Osteogenese und somit zur Wiederherstellung der subchondralen Knochenlammelle. Diese direkte Regeneration der subchondralen Knochenlamelle stellte die Grundvoraussetzung für die chondrale Gewebeproliferation an der Gelenkoberfläche dar. Die verminderte mechanische Stabilität der Scaffolds geringerer Steifigkeit führte vorerst zu einer fibrösen unspezifischen Gewebeauffüllung und wurde von einer indirekten enchondralen Ossifikation gefolgt. Dies verzögerte den Heilungsverlauf und hatte sklerotische ossäre Gewebemerkmale im Heilungsergebnis nach sechs Monaten zur Folge. Die unzureichende Defektstabilität spiegelte sich ebenfalls in der Quantität und Qualität der chondralen Geweberegeneration an der Gelenkoberfläche wider. Es wurden vermehrt Anzeichen der Gewebedegeneration, wie Fibrillationen und Zelluntergang detektiert. Die indirekte MR-Arthrographie bewies sich als ein sensibles Verfahren zur Beurteilung des Heilungsverlaufs osteochondraler Defekte. Als kritischer Aspekt ist die erhöhte Signalintensität in der subchondralen Region der gefüllten Defekte zu erwähnen. Diese hyperintensen Darstellungen sind auf die verbliebenen Scaffoldbestandteile und die damit assoziierten Artefakte zurückzuführen. Dies sollte bei der Beurteilung des Heilungsverlaufs nach Implantation von PLGA-Scaffolds anhand von MRT- Untersuchung beachtet werden. Die hyperintense Darstellung der subchondralen Region im Defektbereich kann zu falsch-negativen Diagnosen, wie beispielsweise subchondrales Knochenmarksödem, führen. Die Darstellung des Knorpelgewebes anhand der indirekten MR-Arthrographie hingegen erwies sich als zuverlässiges Diagnostikum. Die strukturellen Inhomogenitäten an der Gelenkoberfläche und auch defizitärer Proteoglykangehalt der extrazellulären Matrix ließen sich anhand des MRT-Bildmaterials in Korrelation zu den histologischen Beobachtungen evaluieren.

Articular cartilage lesions generally do not heal, or heal only partially under certain biological conditions. They are frequently associated with disability and with symptoms such as joint pain, locking phenomena and reduced or disturbed function. Moreover, such lesions are generally believed to progress to severe forms of osteoarthritis. This limited ability for self- repair of hyaline cartilage is caused by specific tissue properties, partly because of its low cellularity and partly because of its lack of vascular supply. In the case that the defect is larger than a certain critical size, spontaneous subchondral bone healing even fails. In these critical defects, bone resorption at the base of the defect is observed. Biomechanical analysis suggests that bone resorption is related to inappropriate mechanical conditions at the base of the defect. Therefore, early reconstruction of the subchondral structure to permit load transfer appears to be essential not only for the regeneration of the subchondral bone but also the overlying cartilage. Numerous methods have been devised to augment its natural healing response, but these methods generally lead to filling of the defects with fibrous tissue or fibrocartilage, which lacks the mechanical characteristics of articular cartilage and fails with time. Two of the more common cartilage repair procedures are autologe chondrocyte implantation (ACI) and autologe osteochondral transplantation (AOT). Recently, tissue engineering has emerged as a new discipline that amalgamates aspects from biology, engineering, material science and surgery. Tissue engineering has as a goal the fabrication of functional new tissue to replace damaged tissue. Biodegradable scaffolds offer a new treatment alternative for full-thickness osteochondral defects of critical size that fail to heal spontaneously by providing a supportive matrix that also encourages the in-growth of cell and tissues. These scaffold materials must fulfil specific requirements with respect to the demands for mechanical stability and biocompatibility. The goal is still to promote repair of subchondral bone with restoration of the cortical plate and an overlay of normal hyaline articular cartilage. In twenty four adult merino ewes osteochondral defects in the femoral condyle were created and the subchondral bone was reconstructed with either a stiff or a soft scaffold. In order to analyze the influence of scaffold stiffness, a commercial scaffold was used to reconstruct the subchondral bone of a critical osteochondral defect. The scaffold was composed of polylactide-co-glycolide (PLG) copolymer for providing structure and calcium sulfate for enhancing bone growth. An untreated defect was created in other condyle of the same knee which served as an untreated control. After three and six months the osteochondral repair has been evaluated by immunohistological, histological and histomorphometric assessments. MRI studies were performed six months postoperatively. The histological and MRI findings show that the mechanical scaffold properties have a profound effect on the healing response of the subchondral bone and cartilage. The stiff scaffold was found to improve the regeneration of subchondral bone. Osteochondral defects treated with stiff scaffolds were characterised by trabecular bone formation with continuous osseous replacement of the scaffold. In contrast, soft scaffolds provided less support and as a consequence the surrounding subchondral bone became more sclerotic. This direct regeneration of the subchondral bone was the basic requirement for the chondral regeneration at the joint surface. These results of the present study showed that the stiff osteochondral scaffolds are safe and easy to use, and may represent a suitable matrix to direct and coordinate the process of bone and hyaline-like cartilage regeneration. MRI has been shown to be accurate in the evaluation of the repair tissue, the subchondral bone and the interface between the repair tissue and the neighbouring native cartilage. One critical aspect is the enhanced signal intensity in the subchondral bone of the filled defects. These hyper intensive displays go back to the remaining scaffolds and the associated artefacts. This should be kept in mind when assessing the healing process after implementing PLGA-scaffolds by MRI. The hyper intensive findings in distal defect area could lead to wrong diagnosis.