February 09, 2013

In-vivo-, In-vitro- und In-silico-Untersuchungen zum Nukleusersatz im Schafsmodell

Bandscheibenbedingte Rückenschmerzen stellen eine Gesundheitsstörung von

herausragender Bedeutung dar. Innovative Therapiekonzepte sind darauf

ausgerichtet, schmerzhaft degenerierte Bandscheiben in ihren natürlichen Strukturen

zu regenerieren. Allein durch den chirurgischen Eingriff zur Anwendung dieser

Therapiekonzepte wird jedoch die mechanische Kompetenz der Bandscheibe

empfindlich gestört. Derzeit ist nicht bekannt, ob neue Nukleusersatzmaterialien für

Tissue engineering Strategien an der Bandscheibe diesen Verlust kompensieren

können. Daher war es das Ziel der Dissertation in einem kombinierten

experimentellen Versuchsansatz aus In-vivo-, Ex-vivo-, In-vitro- und In-silico-

Untersuchungen, neu entwickelte Hydrogele als Nukleusersatz im Tiermodell Schaf

zu untersuchen und das Schaf als Tiermodell im Bereich der Bandscheibenforschung

näher zu charakterisieren.

Um ein physiologisches Lastprotokoll für die In-vitro-Untersuchungen zu etablieren,

wurde an drei Schafen der intradiskale Druck (IDP) über je 24 Stunden gemessen.

Der gesamte Datenpool des ersten Schafes wurde in eine Aktivitäts- und

Erholungsphase unterteilt und ex vivo aus den IDP-Durchschnittswerten beider

Phasen die entsprechenden axialen Kompressionskräfte abgeleitet. In vitro wurde

ein Kriech-Relaxations-Test an 36 ovinen lumbalen Bewegungssegmenten

durchgeführt. Die Segmente wurden drei Belastungszyklen ausgesetzt, die jeweils

aus einer 15-minütigen Belastungsphase (130 N) und einer 30-minütigen

Erholungsphase (58 N) bestanden. IDP-Verlauf und Höhenverlust der Segmente

wurden in sechs verschiedenen Versuchsgruppen untersucht: (i) INTAKT;

(ii) DEF-AN: Eine schräge Anulusinzision. Der Defekt wurde durch Naht und

Cyanoacrylatkleber verschlossen. (iii) DEF-NUKn+k: Nukleusgewebe wurde entfernt

und anschließend reimplantiert. Der Anulusverschluss erfolgte wie in DEF-AN.

(iv) DEF-NUKp: Entsprechend dem Vorgehen in Testgruppe DEF-NUKn+k wurde der

Nukleus entfernt und reimplantiert. Um eine Volumenverdrängung reimplantierten

Gewebes in den inneren Anulusdefekt zu vermeiden, erfolgte der Verschluss mittels

eines Plugs. Abschließend wurden zwei Hydrogele als Nukleusersatz untersucht:

(v) DDAHA und (vi) iGG-MA. Zur besseren Interpretation der In-vitro-Ergebnisse

wurden Finite-Elemente-Analysen an einem Bandscheibenmodell durchgeführt.

In vivo lag der Bandscheibendruck beim Schaf nahezu konstant höher als beim

Menschen. Niedrigste Druckwerte wurden intraoperativ mit ~0,5 MPa ermittelt.

Höchste Druckwerte wurden für Aufstehen oder Drehen mit 3,6 bzw. 2,6 MPa

gemessen und waren damit ungefähr zwei- bis viermal höher in der ovinen

Bandscheibe. Die IDP-Mittelwerte der Aktivitäts- und Erholungsphasen des ersten

Schafes lagen bei ~0,75 bzw. ~0,5 MPa, welche axialen Kompressionskräften von

130 bzw. 58 N entsprachen. Im Kriech-Relaxations-Test hatte ein isolierter

Anulusdefekt (DEF-AN) keinen Einfluss auf Höhenverlust und IDP der Segmente.

DEF-NUKn+k, DEF-NUKp, DDAHA und iGG-MA hingegen steigerten den

Höhenverlust und verringerten signifikant den IDP im Vergleich zu INTAKT. Die

Modellvorhersagen belegten erhebliche Auswirkungen eines reduzierten

Wassergehalts, Kompressionsmoduls und osmotischen Potentials des

reimplantierten Gewebes auf den Höhenverlust und IDP des Segmentes. Die

Lastübertragung innerhalb der Bandscheibe veränderte sich hierdurch deutlich und

ging mit einer erhöhten Belastung des Anulus einher.

Die vergleichsweise hohen Bandscheibendrücke des Schafes stehen der weit

verbreiteten Meinung gegenüber, dass aufgrund der horizontal ausgerichteten

Wirbelsäule des Vierbeiners, intradiskale Lasten geringer sein müssten als beim

Menschen. In Kenntnis der vorliegenden Untersuchungen sollte die Rechtfertigung

bzw. der Ausschluss des Schafes als Modell im Bereich der Wirbelsäule nicht auf

Unterschieden im Gang begründet werden, sondern auf mechanischen

Überlegungen bzgl. künftiger Einsatzgebiete. Die In-vitro-Ergebnisse zeigen

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By Ludwig-Maximilians-Universität München