Muskuloskeletale Analysen und innovative Knochenregeneration zur Ergebnisoptimierung nach Hüft-TEP

Abstract

Die endoprothetische Versorgung des Hüftgelenkes ist ein sehr erfolgreiches und entsprechend oft eingesetztes Standardverfahren der orthopädischen Chirurgie. Schmerzen, Lockerungen und Luxationen sind häufige Komplikationen, die zu Revisionsoperationen führen. Hinsichtlich der Weiterentwicklung und Verbesserung kommt somit der Komplikationsanalyse entscheidende, und in diesem Fall auch sozioökonomische Bedeutung zu. Die Hüftgelenkrekonstruktion, die Funktionalität der Abduktionsmuskulatur, sowie die korrekte und dauerhafte Prothesenverankerung sind hierfür erfolgsrelevant. Ziel der vorliegenden Arbeiten war es, hüftfunktionsrelevante Parameter am Hüftgesunden zu erfassen und das Hüftfunktionsmodell anhand dieser nachzuvollziehen. Die problematische Verankerungstechnik mittels PMMA soll in Hinblick auf intraoperativ auftretende, kritische Oberflächentemperaturen untersucht werden. Zur Entwicklung von Alternativen zur zementierten Prothesenverankerung sollen innovative Therapien zur Verbesserung der Knochenheilung und damit der zementfreien Prothesenverankerungsmöglichkeiten im Kleintiermodell getestet werden. Die hier gewonnen Erkenntnisse sollen das Verfahren Hüft- TEP im Hinblick auf Komplikationsanalyse und Prothesenverankerungsstrategie weiter verbessern und grundlegende Erkenntnisse für künftige Innovationen zur Knochenregeneration liefern. In den vorliegenden Arbeiten konnte ein grundsätzlicher und geschlechtsspezifischer Zusammenhang der hüftgelenkumgreifenden Abduktionsmuskulatur und der Hüftgelenkgeometrie beschrieben werden. Die Ergebnisse zeigten mehr Muskelmasse zur Balance der während des Einbeinstandes auftretenden Momente im Hüftgelenk und höhere Gelenkkontaktkräfte bei Männern. Die Quantifizierung o.g. Zusammenhänge in einer Formel erlaubt es, das Volumen des M. glutaeus medius basierend auf der Hüftgelenkgeometrie zu berechnen. Die Gelenkkontaktkräfte sind bei Männern höher. Das häufig zur Prothesenverankerung bei rarefizierter Knochensubstanz verwendete PMMA zeigte während der Polymerisationsphase in situ hinsichtlich des Knochenstoffwechsels kritische Oberflächentemperaturen von mehr als 100°C über 2 Minuten. Für die knöcherne Regeneration kritische Faktoren konnten bei der Etablierung eines Kleintiermodells berücksichtigt und abgebildet werden. Durch die Transplantation von vorab in vitro als proangiogen identifizierten CD133(+) Zellen aus dem peripheren Blut konnte die lokale Angiogenese und damit auch die Knochenregeneration im diesem Modell verbessert werden. Das vertiefte Verständnis um die Zusammenhänge und die erstmalige Quantifizierung der funktionellen Hüftanatomie und der geschlechtsspezifischen muskuloskeletalen Strukturen erlauben die verbesserte, ursächliche Symptomanalyse von Komplikationen nach Hüft-TEP unter mechanisch-biologischen Aspekten. Die gewonnen Erkenntnisse argumentieren die Notwendigkeit der individualisierten Strategien bei der zur Gelenkrekonstruktion. Bei Frauen ist demnach höchstes Augenmerk auf die Schonung des periartikulären Muskelmantels zu achten, während bei Männern die Dauerhaftigkeit der Verankerung als besonders kritisch identifiziert und erstmals auch anhand eines Hüftfunktionsmodells argumentiert werden kann. Während der Handhabung von PMMA zur Prothesenverankerung erscheint die Kühlung während der Polymerisationsphase wesentlich. Die Anwendung vor allem bei rarefizierter Knochensubstanz sollte kritisch hinterfragt werden. Die in den tierexperimentellen Arbeiten dargestellten Untersuchungsergebnisse zur Stimulation der Knochenregeneration durch vermehrte Gefäßneubildungen in der Regenerationszone, stellt einen richtungsweisenden Ansatz in der Geweberegeneration dar. Ausblickend kommt zur Verbesserung der Ergebnisse nach Hüft-TEP als erster Schritt der landesweiten, registerhaften Erfassung der Hüft-TEP Daten und, v. a. der Komplikationen höchste Priorität zu. Die in dieser Arbeit dargestellten mechanobiologischen Aspekte der Hüftfunktion und der Prothesenstandzeiten können dann als Grundlage für die künftige Individualisierung der Analyse und für den künstlichen Hüftgelenkersatz dienen. Der für die Dauerhaftigkeit der knöchernen Prothesenverankerung ausschlaggebende lokale Knochenstoffwechsel wird auch in Zukunft einen wesentlichen Parameter für den Erfolg von Hüft-TEP darstellen. Eine Verbesserung des verbreiteten PMMA im Sinne einer geringeren Hitzefreisetzung während der Polimerisationsphase ist anzustreben. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit stellen eine Entwicklungsgrundlage für weitere innovative Therapieansätze zur Verbesserung der knöchernen Regeration dar. Die Translation der dargestellten Therapiemöglichkeiten in die klinische Anwendung am Menschen soll in den nächsten Jahren möglich gemacht werden.

Total hip arthroplasty (THA) is a very successful and thus frequently conducted standard procedure in orthopedic surgery, especially in older patients suffering from osteoarthritis. Painful hips, aseptic loosening and hip joint displacements are the most common complications associated with THA. Towards further development and improvement of THA causative analysis of the underlying mechanisms and reason that lead to such complications are necessary and in this very case of socioeconomic interest. Reconstruction of the hip joint geometry, preserving the functionality of the abductor muscles and sufficient bony integration of the prosthetic joint components are regarded as the keys for the success of this procedure. The aim of the presented studies was to analyze relevant parameters for the hip joint function in patients without osteoarthritis of the hip joint and quantitatively reenact the current hip joint function model using these parameters. The controversially discussed component fixation technique using bone cement shall be analyzed in terms of surface temperatures during the polymerization phase. For the development of alternative strategies to improve the bony integration of the prosthetic components possible options for the enhancement of bone regeneration shall be tested in a small animal model setup. The presented work aims to improve the analysis of complications that are frequently encountered after THA as well as further development of bony integration strategies including possible options for bone regeneration in the future. In the first stud two studies a numerical, sex-specific coherence between the hip joint geometry and the hip join encompassing muscles was found. The results show more muscle mass and higher joint contact forces in men than in women. A formula describing this correlation was derived. Based upon this formula the individual volume of the most important abductor muscle, the musculus gluteus medius, can be determined with a good accuracy and can further be used to individually determine rehabilitation goals or interpret symptoms of muscle insufficiency using numerical methods. The in reduced bone stock situations frequently used PMMA showed critically high surface temperatures during the polymerization phase of more than 100°C over a period of longer than two minutes. In a pilot study we introduced a model for impaired bone healing taking the major biological risk factors for such impaired bone healing into account. In a further study we could demonstrates the suitability of angiogenic precursor cells (CD133+) to further bone healing and giving an indication that peripheral blood is a promising source for progenitor cells circumventing the problems associated with bone marrow extraction in order to enhance bone regeneration. Improved understanding of the complex interactions of the functionally relevant musculoskeletal structures of the hip joint and the establishment of a formula that sex-specifically describes the quantitative relations between joint geometry and muscle mass allow a more causative analysis of complications arising after THA. The gathered results argument for sex-specific strategies in THA. While in women a muscle sparing operative technique should be of highest importance in men the bony integration of the prosthesis and the management of the joint reaction forces should be in the focus. Critically high surface temperatures during the polymerization phase should be encountered by intraoperative cooling. The application of PMMA in situations with reduced bone stock should be regarded critically. The results gathered from the experimental studies where bone regeneration could be pushed through stimulation of angiogenesis can lead the way for future undertakings aiming for the improvement of bone healing, especially in the elderly population.