Untersuchung der Regeneration osteochondraler Defekte im Kniegelenk unter histologischen und histomorphometrischen Gesichtspunkten zu ausgewählten Zeitpunkten: ein Vergleich zwischen verschiedenen Steifigkeiten der Poly-D,L-Lactid- Scaffolds und den unversorgten Defekten ; eine Studie im Schafmodell

Abstract

Seit langem ist bekannt, dass hyaliner Knorpel über ein limitiertes Regenerationspotential für Läsionen verfügt. Die vollständige Funktionsfähigkeit eines Gelenkes ist aber nur bei intaktem hyalinem Gelenkknorpel gewährleistet. Vor diesem Hintergrund erlangt diese Problematik sozioökonomische Bedeutung, denn Verletzungen des hyalinen Gelenkknorpels verlaufen in den meisten Fällen progressiv und können letztlich Gelenksarthrosen induzieren. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene chirurgische Therapieansätze für die Wieder-herstellung degenerierten und traumatisch geschädigten Gelenkknorpels im Kniegelenk ent-wickelt. Mit den klinisch etablierten Methoden gelingt es in der Regel nicht zufrieden stellend, die Struktur und die Funktionalität hyalinen Gelenkknorpels zu reproduzieren. Ziel der vorliegenden Studie war der Vergleich standardisierter osteochondraler Defekte im Kniegelenk des Schafes im Hinblick auf die Regeneration und in Abhängigkeit von der Steifigkeit der Poly-D,L-Lactid- Implantate zu drei und sechs Monaten Standzeit. Als un-erlässlich für eine komplikationsarme Heilung osteochondraler Defekte wurde die Rekonstruktion der subchondralen Lamelle angesehen. Aus diesem Grund sollte der Einfluss der initialen Steifigkeit synthetisch hergestellter, biodegradierbarer Materialien auf die Heilung untersucht werden. Zahlreiche Studien belegen, dass durch die Eröffnung des vaskularisierten subchondralen Knochens bei gleichzeitiger Rekrutierung von mesenchymalen Stammzellen eine adäquate Defektheilung induziert werden kann. Die Hypothese bestätigte sich, dass eine dem nativen Gewebe ähnliche Steifigkeit der Poly-D,L-Lactid-Implantate zu einer besseren Regeneration der osteochondralen Defekte führt. Das gewählte Versuchdesign gewährte einerseits die Möglichkeit, den Einfluss der mechanischen Belastung auf die Trans-plantate im Kniegelenk während der physiologischen Be- und Entlastung, andererseits die Reaktion des Organismus auf die Implantate, bzw. auf die Regeneration osteochondraler Defekte zu evaluieren. Die Defekte wurden jeweils im lasttragenden Bereich der beiden Femurkondylen des linken Kniegelenkes von 24 Merino-Mix Schafen platziert. Die Heilungs-ergebnisse in Bezug auf die Integration der Implantate, die Degradation und die Knorpel- regeneration wurden histologisch und histomorphometrisch analysiert. In die Auswertung flossen Safranin-Orange / von Kossa und Safranin-Orange / Lichtgrün gefärbte Präparate ein. Ergänzend erfolgte der Vergleich mit den unversorgten Defekten, die als Kontrolle dienten. Über den gesamten Beobachtungszeitraum wurden Bodenreaktionskraftmessungen durch-geführt, die einen Vergleich der Wiederherstellung der Gliedmaßenbelastung in Abhängigkeit von der Versorgung anstrebten. Die Rekonstruktion der subchondrale Lamelle ist für eine komplikationsarme Regeneration osteochondraler Defekte entscheidend. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die ver-wendeten Poly-D,L-Lactid Scaffolds die nötige mechanische Steifigkeit zur subchondralen Auffüllung aufweisen und osteoinduktiv wirken. Zu allen Zeitpunkten waren sie den unver- sorgten Defekten überlegen. Die effektiv durch die harten Scaffolds stabilisierte Defekt-situation vermag die Regeneration des subchondralen Knochens und des Knorpels zum frühen Zeitpunkt zu fördern. Ihre mechanische Kompetenz und langsamere Degradation unterstützt die Osteogenese und führt zu einer deutlichen Verbesserung im Hinblick auf die Rekonstruktion einer lasttragenden Gelenkoberfläche.

It is common knowledge that articular hyaline cartilage has only limited regenerative potential to prior lesion. Normal physiological function of the joint can only be accomplished with an intact hyaline cartilage. Injury to the joint’s cartilage are in most cases of progressive nature and can lead to osteoarthritis. They gain more and more socio-economic relevance. During the last decades there have been several different surgical approaches to recover degenerated or traumatised cartilage in the stifle joint. The clinical established methods could not be achieved satisfactory reproduction of the physiological structure and function of the hyaline cartilage. Many studies have shown that the repair process can be initiated by the creation of a penetrat-ing defect into the marrow cavity. The quality of healing is dependent on the lesion size and depth. The aim of the study was to compare the regenerative potential of standardized critical osteo-chondral defects in the left stifle of the sheep after three, respectively six months postopera- tive observation periods in relation to the different rigidity of poly-d,l-lactid implants. The subchondral bone was filled up with a stiff scaffold or a modified softer one, and an untreated defect served as control. Reconstruction of the subchondral bone lamella proved a crucial prerequisite for an uncomplicated process of recovery. The influence of the initial rigidity of synthetic, biodegradable implant materials is therefore a question of interest. Numerous studies document adequate recovery of cartilaginious lesions after opening the subchondral bone, and recruiting mesenchymale stem cells at the same time. The hypothesis was corroborated that stiffer poly-d,l-lactid implants of similar rigidity to native tissue lead to better regeneration of osteochondral defects. The chosen experimental design allowed the evaluation of mechanical strain on the implants in the stifle during physiological movement as well as the organism’s reaction and regeneration of the osteochondral defects. Lesions were induced in the left stifle of twenty- four merino sheep on the load bearing region of both femoral condyles. Histological as well as histomorphometrical analysis was performed on the results regarding implant integration, biodegradation and regeneration of the cartilage. The evaluation of the specimen was carried out after Safranin- Orange / from Kossa and Safranin-Orange / lightgreen staining. In addition, the comparison with the untreated cartilaginious lesion of the same kind was carried out. During the whole period of observation ground-reaction force measurements were carried out in order to compare recovery and subsequent limb function in relation to prior treatment. Reconstruction of the subchondral bone lamella is crucial for full regeneration of osteochondral lesions. The study shows that the use of poly-d,l-lactid implants have osteoconductive effects and provide the necessary rigidity to fill up subchondral bone lesions. At any time they are superior to the uninfluenced physiological healing process. Stabilisation of the lesions with the stiffer poly-d,l-lactid implants have a beneficial effect on the regeneration of the cartilage and the subchondral bone at an early stage. Their mechanical qualities and their slow biodegradation support osteogenesis and lead to a significant improvement of reconstruction of the load bearing articular surface.