Analyse biomechanischer Einflussfaktoren zur Optimierung stabilisierender Therapieverfahren für hochgradig degenerierte lumbale Wirbelsäulensegmente

Abstract

Einleitung/ Ziel: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Ziel verfolgt, biologisch-mechanische Einflussfaktoren auf implantatbasierte Therapieverfahren hochgradig degenerierter lumbaler Wirbelsäulensegmente zu analysieren und hieraus Optimierungen für aktuell verfügbare operative Behandlungskonzepte abzuleiten. Methoden: Generell galt es hierbei unter dem biomechanischen Aspekt, die aus der Spondylodese resultierenden Probleme der Pseudarthrose und der Anschlusssegmentdegeneration zu analysieren. Dabei sollten Vor- und Nachteile rigiditätsmodifizierter und alternativer Fixationstechniken im Hinblick auf die klinisch-radiologische Erfolgsrate der Wirbelkörperfusion aufgedeckt werden. Zudem wurde der hierbei stets wirkende biologische Einfluss des Alters bei unterschiedlicher Fixationssteife auf die knöcherne Konsolidierung artefizieller Knochendefekte tierexperimentell geprüft. Daneben sollte das therapeutische Alternativkonzept der dorsalen dynamischen Stabilisierung als Ersatz oder in Kombination mit der Spondylodese unter biomechanischen, klinischen und radiologischen Kriterien untersucht werden, um Rückschlüsse bezüglich der Anwendbarkeit, der Indikation sowie der für einen Erfolg notwendigen Implantateigenschaften zu ziehen. Ergebnisse: Auf Basis dieser biomechanischen Untersuchungen wurde die Abhängigkeit der Mehrbelastung kranialer Anschlusssegmente von der Implantatsteifigkeit und der Länge der Fusionsstrecke aufgedeckt. Zudem konnte aufgezeigt werden, dass die für eine knöcherne Konsolidierung notwendige Primärstabilität altersabhängig ist, wobei ein stärkerer biomechanischer Stimulus die knöcherne Überbrückung bei älteren Individuen begünstigt. Histologische und mikrocomputertomographische Analysen identifizierten die geringere Mineralisationsdichte und eine gesteigerte Osteoklastenzahl als Risikofaktor für die schlechtere Defektüberbrückung im Alter. Durch das Vermeiden der posterioren Fixation bei Verwenden eines allein ventral applizierten, winkelstabil verankerten Cages lässt sich die perioperative und zugangsbedingte Morbidität signifikant senken und sogar frühfunktionell eine schnellere und schmerzärmere Rekonvaleszenz als nach ventrodorsaler Fusion erreichen. Die Erfolgsrate bei Verwendung dorsal-dynamischer Stabilisationsverfahren wiederum ist sehr stark abhängig der Implantatsteifigkeit und dem Widerstand gegen translatorische Beanspruchungen. Im mittel- bis langfristigen Verlauf versagen die Implantate aufgrund der dynamischen Dauerbelastung häufig. Die Rate des Implantatversagens steigt bei einer Hybridversorgung mit posteriorer Kopplung des rigiden und des dynamischen Anteils noch weiter an. Schlussfolgerung: Die vorliegende Arbeit zeigt Optimierungsmöglichkeiten der lumbalen Spondylodese durch Variation der Fixationssteife und -länge und eine medikamentöse Osteoklastenhemmung vor allem in der Risikogruppe alter Patienten auf. Bei Änderung der Fixationsart kann zudem das Problem der Zugangsmorbidität relevant gesenkt werden. Daneben konnten indikative Grenzen dorsal-dynamischer Fixationssysteme zur (Anschluss-)segmentstabilisierung aufgedeckt und die Ansprüche an die Eigenschaften dieser Implantate sowie die Testkriterien vor Zulassung derselben spezifiziert werden.

Introduction/Aim: The aim of the present work was to analyze biological- mechanical influences on implant-based therapeutic options of highly degenerated lumbar spine segments as well as to derive optimizations of actual surgical treatment concepts. Methods: The problems adjacent segment degeneration and non-union following a spondylodesis were analyzed. According to this, advantages and disadvantages of alternative and stiffness modified fixation techniques were evaluated with regard to the clinical and radiological success of spinal fusion. Besides this, under varying fixation stiffness conditions the always co-existing biological influence of an advanced age on the bony consolidation of an artificial bone defect was researched in animal experiments. Furthermore, the alternative treatment concept of posterior dynamic stabilization serving as replacement for or adjunct to a spinal fusion was clinically, radiologically and biomechanically evaluated to draw conclusions regarding its applicability, indication and implant success related properties. Results: Based on the biomechanical analysis a dependence of the load increase of superior adjacent segments on the implant stiffness and the length of a fusion could be revealed. On top of this we could demonstrate an age related difference of the primary stability necessary for a bony consolidation whereas a stronger biomechanical stimulus improved bony bridging in aged individuals. Histological and microcomputed tomographical analyses identified a lowered mineralization and an increased osteoclast count as a risk factor for an impaired defect bridging in advanced age groups. By avoiding a posterior fixation employing a stand-alone anterior angle-stable fixed cage the perioperative and approach related morbidity could be lowered and the convalescence was faster and less painful compared to an anterior-posterior fusion. Additionally, the success rate of posterior dynamic stabilization systems was strongly dependent to the implant stiffness and the resistance to translational stresses. Due to the continuous dynamic loads implant failure was frequently observed over mid- to long-term follow-up. Implant failure rate further rose when the dynamic part was posteriorly coupled to a rigid fixation. Conclusion: The present work demonstrates possibilities for an optimization of lumbar fusion by variation of the fixation stiffness and length and by medication with osteoclast inhibitors especially in the risk group of aged patients. Additionally, when changing the kind of fixation the surgical approach related morbidity can be lowered. Besides this, indication limitations of posterior dynamic fixation systems for the stabilization of (adjacent) segments could be revealed and the requirements to the properties of these implants as well as the test criteria for approval could be specified.