Neue Ansätze zur Knorpelgeweberestitution durch selektiven Wärmeeintrag mittels Laserstrahlung

Abstract

In Abhängigkeit von den Laserparametern – Wellenlänge, Leistungsdichte und Expositionszeit – sowie den optischen und thermischen Gewebeeigenschaften können durch die Laserbestrahlung von biologischen Geweben drei Typen von Gewebereaktionen erzielt werden: photochemische-, thermische- und Photodekompensationseffekte. Eine zunehmende Bedeutung gewinnt die Laserchirurgie bei der Behandlung von bradytrophen Geweben. Die Schneideigenschaften verschiedener Lasersysteme am humanen Knorpel wurden in Bezug auf die klinische Einsetzbarkeit, Qualität des Schnitts, Größe der thermischen Schädigungszone und Vorhandensein von Karbonisation untersucht. Die Morphologie, die Proliferation und die Differenzierung der Chondrozyten werden durch die extrazellulären Matrixproteine Fibronektin und Kollagen beeinflusst. Beta 1-Subfamilie der Integrine vermitteln die Signalübertragung zwischen Chondrozyten und den Matrixproteinen, wobei die Interaktion zu spezifischen Antworten der anabolen intrazellulären Signalkaskade in den Knorpelzellen führt. Mit einem niedrigenergetischen Diodenlaser (780 nm) bei drei unterschiedlichen Energiedichten (1 J/cm², 4 J/cm² und 6 J/cm²) sind die Matrixkomponenten in osteoarthrotischem Knorpel untersucht worden. Bei dreimaliger Bestrahlung mit einer Energiedichte von 4 J/cm² zeigten Kollagen Typ II und Fibronektin die höchste Synthesesteigerung. Bei In-vivo- Untersuchungen von verschiedenen Lasersystemen (Nd:YAG-, CO2-, Ho:YAG- und Excimer-Laser) wurden in der arthroskopischen Knorpelchirurgie Auswirkungen auf die gesamte funktionelle Einheit der inneren Gelenkanteile nachgewiesen. Makroskopische, mikroskopische und immunhistochemische Veränderungen nach Laserbestrahlung mit niedriger Energiedichte konnten tierexperimentell gefunden werden. Eine Abnahme des Proteoglykans und Zunahme des Kollagen Typ VI als Charakteristikum für gesunden Knorpel nach Bestrahlung der Osteoarthrose spricht für eine Stoffwechselsteigerung im hyalinen Knorpel. Es konnte gezeigt werden, dass die niedrigenergetische Laserbestrahlung sowohl des tierexperimentellen als auch humanen osteoartrotischen Knorpels den Zellstoffwechsel auf einer bestimmten Ebene bei definierten Bedingungen positiv beeinflusst. Die Zytochrom C-Oxidase dient als möglicher Fotoakzeptor bei der Bestrahlung von Zellen mit monochromatischem Rot bis nahem Infrarotlicht. In den Studien der unterschiedlich verwendeten Wellenlängenbereiche absorbieren die Zytochrome als Teil der Elektronentransportkette äußerst stark. Auf der Suche nach wachstumsfördernden bzw. -erhaltenden Maßnahmen für das verletzte oder arthrotische Knorpelgewebe in Kombination mit den herkömmlichen Maßnahmen könnte eine zusätzliche oder alleinige niedrigenergetische Laserbestrahlung unter definierten Bedingungen der Schlüssel zum Erfolg sein. Hierbei sind die neuesten Erkenntnisse des wärmestimulierten Verhaltens des Zellstoffwechsels von entscheidender Bedeutung.

Depending on laser parameters - wavelength, power density and exposition time – and optical and thermal tissue characteristics there are three types of laser reactions: photochemical, thermal and photodecompensation effects. Laser surgery is getting more and more important in treatment of bradytrophc tissue. Cutting characteristics of different laser systems at the human cartilage were examined regarding clinical applicableness, cut quality, expansion of thermal damage zone and existence of carbonisation. Morphology, proliferation and differentiation of chondrocyts are affected by the extracellular matrix protein fibronectin and collagen. Beta 1-subfamily of integrins act as a signal transmitter between chondrocyts and matrix proteins, whereby interaction leads to specific answers of anabolic intracellular signal cascade in cartilage cells. With low suppl. tables a diode laser (780 Nm) with three different power densities (1 J/cm ², 4 J/cm ² and 6 J/cm ²) the matrix components in osteoarthrotic cartilage were examined. In the case of threefold irradiation with a power density of 4 J/cm ² type II and fibronectin the highest synthesis increase showed collagen. Effects of entire functional unit of the inner joint were investigated by in-vivo-experiments of different laser systems (lp: YAG, CO2, Ho: YAG and Excimer lasers) in arthroscopic cartilage surgery. Macroscopic, microscopic and immune-histochemical changes in result of laser irradiation with low power density could be found in animal experiments. A decrease of proteoglycans and an increase of collagen type VI as a characteristic for healthy cartilage after irradiation of osteoarthrosis can be seen as a sign for a metabolic increase in hyaline cartilage. On a certain level with definite conditions investigations of laser irradiation showed a positive effect to low suppl. tables in animal and human osteoartrotic cartilage. Cytochrom C-oxidase is a possible photo acceptor for irradiation of cells with monochromatic light in interval about red to almost infrared. In studies of different wavelength coverages could be shown that cytochromes absorb extremely strong as part of electron conveyor chain. In investigations of growth-promoting and/or - receiving measurements for injured or arthrotic cartilage tissue additional or exclusive low suppl. tables laser irradiation could be the key to success. Here are the newest realizations of the warm-stimulated behavior of the cellulose change of crucial importance.