Volumetrische Quantifizierung von Knorpelregeneraten mittels Ultraschallbiomikroskopie am Schafsmodell
Schöne M, Männicke N, Marquaß B, Aydogan E, Zscharnack M, Josten C, Schulz R, Raum K
Fragestellung: Zur Beurteilung von Knorpelregeneraten in experimentellen Studien gilt die histologische Untersuchung und Klassifizierung als der derzeitige Goldstandard. Nachteilig ist, dass es sich hierbei um die Beurteilung eines 2D Schnittbildes handelt welches als repräsentativ für den gesamten 3D Defekt gesehen wird. Hier bietet sich die Ultraschallbiomikroskopie (UBM) als additive Untersuchung an, da sie nicht-destruktiv eine 3D Abbildung der gesamten Knorpelschicht ermöglicht. Daraus abgeleitete volumetrische Daten sollten in dieser Studie genutzt werden, um Knorpelregenerate retrospektivisch zu charakterisieren.
Methodik: An 32 Schafen wurde an beiden medialen Femurkondylen je ein vollschichtiger Knorpeldefekt (7 mm Durchmesser) gesetzt. Im Anschluss erfolgte die Versorgung mit einem stammzellbesiedelten Kollagen-I-Hydrogel (Fa. Arthro Kinetics) oder einem unbesiedelten Leergel, die kontralaterale Seite blieb als Kontrolle unbehandelt.
Nach 1- bzw. 2-jähriger Standzeit erfolgte die verblindete Explantation der Kondylen. Nach makroskopischer Beurteilung wurde die Defektregion mit einem portablen UBM (laterale Auflösung 50 µm) gescannt. Die Auswertung der 3D Datensätze erfolgte mit eigens entwickelter Software.
Zunächst wurden die Oberfläche und der Knorpel-Knochenübergang automatisch rekonstruiert, gefolgt von manueller Kontrolle und Korrektur bei Bedarf. Auf Grundlage der rekonstruierten Flächen außerhalb des Defektbereiches wurden die präoperativen Verläufe von Oberfläche und Knorpel-Knochenübergang im Defektbereich abgeschätzt. Anhand der Differenzen zwischen den prä- und postoperativen Grenzflächen wurden Knorpeldicke und die Volumina von entferntem Gewebe, neuem Gewebe, hypertropher Ossifikation, Zysten und neuem knorpelartigem Gewebe berechnet.
An 6 Datensätzen von gesundem Gelenkknorpel wurde die Methode zum Abschätzen der präoperativen Grenzflächen überprüft und deren Genauigkeit quantifiziert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der mittlere Fehler aufgrund der Abschätzung der Grenzflächen lag bei 0,6%, die maximale Abweichung bei 1,5%.
Die operierten Schafsproben wiesen eine Knorpeldicke von 0,98 ± 0,29 mm auf. Das entfernte Volumen lag bei 31,6 ± 9,9 mm³, ohne signifikante Unterschiede bezüglich Standzeit und Seite. Die relative Defektfüllung war nach einem Jahr Standzeit mit 64 ± 19% signifikant kleiner als nach zwei Jahren mit 79 ± 11%. Davon blieb der Anteil hypertropher Ossifikation mit 10 ± 12% (Median ± IQR) über beide Jahr unverändert, die Menge des neuen knorpelartigen Gewebes nahm jedoch signifikant zu. Das Volumen von Zysten war nach einem Jahr signifikant größer als nach zwei Jahren (5,9 vs. 2,5 mm³).
Durch die UBM-Daten konnten erstmals Volumendaten zur Knorpelregeneration und Defektsetzung am Großtier gezeigt werden. Aus knorpelregenerativer Sicht ist eine signifikante Zunahme der Defektfüllung zwischen erstem und zweitem Jahr interessant. Die UBM stellt eine sinnvolle Ergänzung zur histologischen Untersuchung dar und übertrifft die Auflösung experimenteller Hochfeld-MRT.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocGR15-1059
doi: 10.3205/14dkou501, urn:nbn:de:0183-14dkou5011
Published: October 13, 2014
© 2014 Schöne et al.
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