Lokaler Einsatz von modifiziertem Parathormon1-34 in einer Fibrinmatrix zur Verbesserung der ventralen Spondylodese der Schafshalswirbelsäule - Histologische Evaluation

Abstract

Die Spondylodese nach degenerativ-, entzündlich- oder traumatisch bedingten Bandscheibenerkrankungen sowie Instabilitäten der Halswirbelsäule anderer Genese ist eine der häufigsten Operationen an der menschlichen Halswirbelsäule. Zur ventralen, intervertebralen Wirbelfusion wird zunehmend der Cage als dauerhaft stabilisierendes Implantat verwendet. Zusätzlich erfolgt häufig eine Füllung mit osteokonduktiven oder osteoinduktiven Materialien. Autologe Spongiosa wird aus diesem Grund immernoch häufig aus dem Beckenkamm entnommen. Nachteilig ist dabei jedoch der zusätzliche Eingriff, sowie die damit assoziierte Morbiditätsrate und limitierte Verfügbarkeit. Aus der Literatur ist die anabole Wirkung von Parathormon1-34 (PTH1-34) auf den Knochen bei intermittierender, systemischer Gabe bereits bekannt. Ein modifiziertes PTH1-34, kovalent in eine Fibrinmatrix gebunden, konnte seine osteokonduktiven und osteoinduktiven Eigenschaften in in vivo Studien zur Knochenheilung im langen Röhrenknochen bereits unter Beweis stellen. Ziel der vorliegenden Studie war es den lokalen Effekt des neuartigen Materials zur ventralen, intervertebralen Spondylodese des dritten und vierten Schafshalswirbels mittels Titancage (SynCage-C®) zu untersuchen. Insbesondere sollte analysiert werden, ob das Material konzentrationsabhängig Knochenneubildung induziert, Entzündungsreaktionen verursacht und die autologe Spongiosa im direkten Vergleich ersetzen kann. 48 Merino-Mix Schafe wurden dazu randomisiert in sechs Gruppen eingeteilt. Nach Discektomie erfolgte die Füllung des SynCage-C® und des restlichen Bandscheibenraumes mit Ausnahme des dorsalen Bereiches in Gruppe 1 mittels autologer Spongiosa. Gruppe 2 erhielt eine Füllung durch den Fibrinkleber (3,5 ml) als solchem und die Gruppen 3 bis 6 die PTH1-34-Konzentrationen 0,2, 0,4, 0,7 und 1,0 mg/ml Fibrin. Zwölf Wochen post operationem erfolgte die Entnahme und histomorphologische, histomorphometrische und immunhistologische Auswertung des Fusionsergebnisses. Die Spongiosagruppe wies zu diesem Untersuchungszeitpunkt eine weit fortgeschrittene Wirbelfusion auf. Ein vergleichbares Fusions- und Heilungsergebnis zeigte insgesamt nur die niedrigste PTH1-34-Konzentration. Histomorphometrisch wiesen beide Gruppen bei Betrachtung des gesamten ehemaligen Bandscheibenraumes die größte Knochenfläche auf. Die Knochenflächen der Fibrinkontrollgruppe und aller höheren PTH-Konzentrationen waren im Vergleich zu Spongiosagruppe signifikant niedriger. Dieser Ergebnisse spiegelten sich auch in der histomorphologischen Auswertung und der Einteilung mittels Score wieder. Neuer Knochen wurde hauptsächlich von Deck- und Bodenplatte ausgehend gebildet. In allen Gruppen erfolgte die Ossifikation sowohl enchondral als auch desmal. Lokal begrenzte Entzündungsreaktionen konnten im Gegensatz zur Spongiosagruppe in allen anderen Gruppen verzeichnet werden, stehen einer weiteren Verwendung des Materials zur Wirbelfusion jedoch nicht entgegen. Eine dichtere Vaskularisierung war in den Gruppen mit weiter fortgeschrittener Fusion nachweisbar. Osteoklasten wurden auch durch die höheren Konzentrationen des PTH1-34 nicht verstärkt aktiviert. Die Wirkung des lokal applizierten PTH1-34 kovalent in eine Fibrinmatrix gebunden auf die ventrale, cervicale, intervertebrale Fusion war konzentrationsabhängig. In niedriger Konzentration lieferte das Hormon ein mit der Spongiosagruppe durchaus vergleichbares Fusions- und Heilungsergebnis und bietet durch nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit bei gleichbleibender Qualität ohne zusätzlichen Eingriff eine Alternative zum autologen Knochenmaterial.

Spinal fusion of the human cervical spine is a common surgical procedure in order to treat degenerative, inflammatory or traumatical disorders of the intervertebral disc or instabilities of different origin in the cervical spine. Increasingly, the cage as a lasting stabilisation device is used for the anterior, intervertebral spinal fusion. Additionally it is often filled with osteoconductive and osteoinductive materials. On this account cancellous bone graft is still harvested from the iliac crest. Although the additional surgical intervention as well as the associated donor site morbidity rate und restricted availability of the graft are unfavourable. It is widely accepted that intermittend, systemical administration of parathyroid hormone has an anabolic effect on bone metabolism. Modified parathyroid hormone1-34 that is bond covalently in a fibrin matrix was able to show its osteoconductive and osteoinductive abilities on bone healing in in vivo studies of long bones. The goal of this study was to determine the effects of the locally applied novel material for the anterior, interbody spinal fusion of the third and fourth sheep vertebra by using a titanium cage (SynCage-C®), particularly with regard to dose-dependent bone formation, inflammatory reactions induced by the material and as an alternative to cancellous bone graft 48 merino-mix sheep were randomly assigned in six groups. After explantation of the disc, the cage and the rest of the former disc space except the dorsal region were filled with cancellous bone graft in group 1 Group 2 received a filling with pure fibrin glue (3,5 ml) and group 3 to 6 with the PTH1-34 concentrations 0.2, 0.4, 0.7, and 1.0 mg per ml fibrin glue. Twelve weeks after surgical treatment, spines were removed for histomorphological, histomorphometrical and immunhistological examination of the fusion. At this investigation time point, the cancellous bone graft group showed an advanced spinal fusion. A comparable fusion and healing result was overall only seen in the group with the lowest concentration of the PTH1-34. In regard to the whole former intervertebral disc space, both groups exhibited histomorphometrical the largest bone percentage. The bone percentage of the fibrin control group and all groups with higher PTH1-34 concentrations were significantly smaller compared to the autograft group. These findings were also reflected in the histomorphological examination and the score results. New bone was primarily built at the upper and lower endplate. In all groups new bone formation was built via endochondral and desmal ossification. Locally restricted inflammatory reactions could be seen in all groups except the autograft group, however these findings do not exclude the material for further use in spinal fusion. A denser vascularisation could be seen in the groups with more advanced fusion results. Furthermore the high concentrations of PTH1-34 did not increase the activation of osteoclasts. The effect of local applied PTH1-34 covalently bound in a fibrin matrix for anterior, cervical, interbody spinal fusion was in fact dose-dependent. In lower concentration the hormone led to an absolutely comparable fusion and healing result in relation to the autograft group. The novel material has the advantage of unlimited availability at constant quality and avoids the additional surgical procedure of harvesting autograft material.