Entscheidend für jedes chirurgische Tierexperiment mit humanmedizinischer Fragestellung ist die Übertragbarkeit der gewonnenen Ergebnisse auf den Menschen. Diese Forderung stellt sich umso dringender, als in der heutigen Zeit die Öffentlichkeit allen Tierversuchen sehr kritisch gegenübersteht. Vorraussetzung für die Übertragbarkeit der gewonnenen Ergebnisse als Grundlage der humanmedizinischen Anwendung ist die Auswahl eines geeigneten Tiermodells.

KUMMER [58] hat sich mit der Frage, ob die Wirbelsäule der Haussäugetiere in ihrer Statik und Dynamik mit der des Menschen vergleichbar ist, befasst. Durch das von ihm perfektionierte Bogen - Sehnen Prinzip konnte nachgewiesen werden, dass beim Quadrupeden, genauso wie beim Bipeden, die Wirbelsäule immer unter Druckspannung steht und somit in ihrer Biomechanik durchaus vergleichbar ist.

Der Vorteil eines Tiermodells im Gegensatz zur Verwendung von Leichenwirbeln von Menschen besteht darin, dass nicht nur technische Vorgehensweisen, sondern auch der tatsächliche Erfolg oder Misserfolg einer Operationsmethode in einer Langzeitstudie überprüft werden kann. Außerdem kann man im Tierversuch homogene Untersuchungsgruppen z.B. in Bezug auf Gewicht, Größe, Alter und Geschlecht zusammenstellen, um standardisierte Bedingungen zu erreichen. Die Verwendung landwirtschaftlicher Nutztiere ermöglicht es dem Forscher, aus einer großen Zahl genetisch verwandter Tiere eine genügend große Gruppe zusammenzustellen.

Ein weiterer Vorteil besteht laut BRILL [17] darin, dass der Umgang mit den Tieren durch die Gewöhnung an den Menschen vereinfacht ist. Dabei eignen sich wiederum Schafe besonders. Sie zeichnen sich durch ein leichtes Handling und ein geringes Aggressionspotential während der Untersuchungen aus.

Ein weiteres Kriterium für die Auswahl der geeigneten Tierspezies ist die Größe, Form und Festigkeit des Knochens, was ein beim Menschen übliches und analoges Vorgehen mit gleichen Instrumenten sowie erprobten Implantaten erlaubt [110].

Die Abmessungen des Wirbelsäulensegmentes eines ausgewachsenen Schafes entspricht etwa der des Menschen [52,108]. Somit ist die Verwendung der in der Humanmedizin üblichen Instrumente und Implantate möglich. Dies erspart Kosten und vermeidet die zeitraubende Konstruktion eines Spezialinstrumentariums.

Einen weiteren Vorteil bietet die weitgehend übereinstimmende Reaktion der Schafe bezüglich der Knochenregeneration im Gegensatz zu der uneinheitlichen Knochenregeneration bei Hund und Kaninchen. Die Interpretation der nach experimenteller Manipulation gesetzten Schäden wird dadurch wesentlich erleichtert. Aufgrund des langsamen Regenerationsverlaufes und Ablaufes der Heilungsvorgänge beim Schaf, welche mit denen des Menschen vergleichbar sind, ist eine leichtere Interpretation von knöcherner Resorption und Umbau und somit eine eindeutigere Beurteilung der abgelaufenen Regenerationsvorgänge möglich [110]. Aufgrund dieser Vorteile wird das Schaf häufig als Versuchstier für die Wirbelsäulenforschung verwendet.

Ein Beobachtungszeitraum von 12 Wochen wurde in diesen Untersuchungen gewählt, da zu diesem Zeitpunkt die Spondylodese im Schaf weit fortgeschritten, jedoch noch nicht vollständig ist [27,78]. In dieser frühen Phase der Spondylodese sind daher besonders gut Unterschiede im Einheilungsverhalten der Implantate zu demonstrieren [27].

Intervertebrale Cages wurden mit der Zielsetzung entwickelt, die Höhe des Intervertebralraums und die Lordose des Bewegungssegmentes während der knöchernen Fusion besser zu erhalten, als dies mit dem Beckenkammspan-Transplantat möglich ist [106]. Jedoch liegen bisher nur wenige tierexperimentelle Untersuchungen in vivo vor, in denen verschiedene Cagedesigne und das autologe Beckenkammspan-Transplantat miteinander verglichen wurden. SANDHU [88] konnte in einem Wirbelsäulenfusionsmodell am Schaf nachweisen, dass Schraubendesign-Cages die postoperativ erzielte Distraktion und Lordose besser erhalten, als das autologe trikortikale Beckenkammspan-Transplantat. Zu den in dieser Untersuchung verwendeten Cagedesignen (Harmscage = Zylinderdesign; Syncage-C = Boxdesign) liegen derzeit hinsichtlich des Sinterungsverhalten in vivo keine Daten vor.

Zur Evaluation dieses Parameters wurden, wie in vielen Studien beschrieben, konventionelle statische Röntgenaufnahmen verwandt. Anhand dieser Aufnahmen ist es möglich, schnell, effizient und kostengünstig den Status der ablaufenden Fusion abzubilden und eine Aussage über die mechanischen Veränderungen im Bewegungssystem zu treffen [11,46]. Wichtig war es, zu überprüfen, ob die Lagerung des Tieres zum Zeitpunkt der Röntgenaufnahme einen Einfluss auf die zu erhebenden radiologischen Parameter hat. Diesbezüglich wurde vor Beginn des eigentlichen Versuches eine Messreihe mit zehn wiederholten seitlichen Röntgenaufnahmen eines Tieres durchgeführt. In jeder Aufnahme wurden im Anschluss die radiologischen Parameter (vordere Bandscheibenraumhöhe, Intervertebralwinkel, Lordosewinkel) bestimmt. Bei der Auswertung dieses Vorversuches zeigte sich eine gute Übereinstimmung für die Parameter vordere Bandscheibenraumhöhe und Intervertebralwinkel mit einer Standardabweichung von jeweils 10% des Gesamtwertes. Bei der Auswertung dieser Parameter im Versuch konnten diesbezüglich ebenfalls signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten Gruppen nachgewiesen werden. Bei der im Vorversuch durchgeführten Auswertung des Lordosewinkels war eine große Streubreite der gemessenen Werte mit einer Standardabweichung von maximal 60% des Gesamtwinkels nachweisbar. Dieses Ergebnis spiegelt sich auch in der Darstellung des Lordosewinkels im Versuch wieder. So konnten bei der Auswertung des Lordosewinkels im Versuch zwar Unterschiede innerhalb der untersuchten Gruppen erkannt werden, die aber aufgrund der hohen Standardabweichung zu keinem Zeitpunkt Signifikanzen aufzeigten.

Die Analyse der seitlichen Röntgenbilder im Verlauf dieser Untersuchung zeigen, dass beide Cages und der trikortikale Beckenkammspan in der Lage waren, postoperativ eine Distraktion und Lordosierung des Bewegungssegmentes in gleichem Ausmaß zu erzielen. Während der 12-wöchigen postoperativen Verlaufsbetrachtung zeigte sich in allen drei Gruppen eine Reduktion der Bandscheibenraumhöhe und Re-Kyphosierung des Bewegungssegmentes. Während die Reduktion der Bandscheibenraumhöhe und der Verlust der Lordose in beiden Cage-Gruppen als Folge eines Einsinken des Cage in die benachbarten Endplatten zu werten ist, muss die Verringerung der Bandscheibenraumhöhe und Re-Kyphosierung in der Beckenkammspan-Gruppe wahrscheinlich aus einem Kollaps des Transplantats resultieren, da radiologisch kein Einsinken des Beckenkammspanes in die angrenzenden Grund- und Deckplatte erkennbar war. Diese Aussage steht in Übereinstimmung mit zahlreichen anderen Studien, welche eine signifikante Reduktion der Bandscheibenraumhöhe und eine Kyphosierung des Bewegungssegmentes für das Beckenkammspan-Transplantat im postoperativen Verlauf nachwiesen [31,41,59,88]. Im Vergleich zum Beckenkammspan-Transplantat waren beide Cages jedoch in der Lage, über den 12-wöchigen Verlauf die Bandscheibenraumhöhe und den Intervertebralwinkel signifikant besser zu erhalten. Hier konnten identische Ergebnisse, wie in der Studie von Sandhu [88] beschrieben, nachgewiesen werden. Bei der Evaluation beider Cage-Designs bezüglich Unterschieden in der Sinterungstendenz zeigte sich trotz der unterschiedlich großen Auflagefläche beider Cages [Tabelle 3] ein sehr ähnliches Sinterungsverhalten. Einzig in der 1. postoperativen Woche fand sich eine geringere Sinterungstendenz bei dem Cage mit der größeren Auflagefläche (Boxdesign-Cage). Daraus muss gefolgert werden, dass die Größe der Auflagefläche des Cages die Sinterung nur in der direkten postoperativen Phase geringfügig beeinflusst, ohne jedoch einen Effekt auf den Endzustand des Sinterungsvorgangs nach 12 Wochen zu haben. Gemäß der häufig geäußerten Hypothese - je größer die Auflagefläche des Cages, desto geringer die Sinterung des Cage [34,48,88] - hätte der Syncage-C, dessen Auflagefläche mehr als doppelt so groß ist wie die des Harmscages [55], ein geringeres Sinterungsverhalten aufweisen müssen. Daher ist die oben genannte Hypothese, welche in experimentellen in vitro Untersuchungen aufgestellt wurde, in Frage zu stellen.

Um verschiedene chirurgische Techniken, verschiedene Implantate oder verschiedene Transplantate bezüglich deren Effektivität miteinander zu vergleichen, ist die Definition und der Nachweis einer erfolgreichen Wirbelkörperfusion ein wichtiges Kriterium für die Forschung an der Wirbelsäule. In der klinischen Praxis existieren nur klinische und radiologische Untersuchungsmethoden, um den Status der Fusion nachzuweisen. In experimentellen Studien bestehen diesbezüglich noch die Möglichkeiten, histologische und biomechanische Untersuchungen am Präparat durchzuführen.

Die radiologische Untersuchung der Fusionsregion ist die am häufigsten angewandte Untersuchungstechnik, um den Status der Fusion zu beschreiben. Problematisch ist, dass präzise Kriterien, anhand derer eine solide knöcherne Fusion radiologisch nachgewiesen werden kann, derzeit nicht universell akzeptiert sind. Die bildmorphologische Beschreibung des knöchernen Remodellings im ehemaligen Bandscheibenraum ist das am weitesten verbreitete Kriterium, um den Fusionsgrad einzuschätzen. Bis zum heutigen Tag ist es problematisch, klinische Studien bezüglich der Fusionsresultate miteinander zu vergleichen, da keine einheitlichen Kriterien zur Beurteilung des Fusionsstatus existieren. Auch die Region, in der die knöcherne Überbrückung des Bandscheibenraumes analysiert werden soll, ist nicht eindeutig festgelegt [62,74,75]. Aufgrund der derzeitig existierenden verschiedenartigen Scoresysteme und des Fehlens eines Scoresystems für die Schafshalswirbelsäule, wurde in vorausgegangenen Untersuchungen der Arbeitsgruppe [55] ein eigenes Scoresystem entwickelt, um die Durchbauung, welche hier im Bereich des ehemaligen Bandscheibenraumes evaluiert wurde, zu beschreiben. Das in dieser Arbeit verwandte Scoresystem konnte sowohl für die Analyse der Röntgenbilder, als auch für die Analyse der CT-Bilder verwandt werden.

Einig ist man sich darüber, dass der Status der Fusion nicht allein anhand der konventionellen Röntgenbilder eingeschätzt werden sollte [11,26,56]. Als mögliche Alternativen werden nicht-invasive Methoden wie funktions-radiologische Untersuchungen [5,20,25,28,29] und die computer-tomografische Darstellung der Fusionsregion [10,26,40,46,61,68,90] häufig benannt. Invasive Methoden wie die chirurgische Exploration der Fusionsregion bei Revisionsoperationen oder Materialentfernungen galt lange Zeit als der goldene Standard um den Fusionsstatus zu überprüfen [19,56,61]. Diese Methode wurde häufig bei dorsalen Spondylodesen im Bereich der LWS verwendet, da in diesem Bereich häufiger Implantatentfernungen durchgeführt wurden. Für die ventrale Spondylodese an der HWS erscheint diese Methode sehr ungeeignet, da eine Entfernung des ventralen Implantates so gut wie nie durchgeführt wird und diese Methode somit an der Halswirbelsäule keine Anwendung fand.

Als Begründung, weitere Verfahren neben dem konventionellen Röntgenbild zum Einschätzen des Fusionsstatus zu fordern, wird die zum Teil unzureichende Auflösung der Röntgenaufnahmen angeführt [75]. Feine Unterbrechungen der Knochenstruktur, die bei einer Pseudarthrose typischerweise auftreten, konnten somit nicht nachgewiesen werden [75]. Des weiteren ist das konventionelle Röntgenbild als Summationsbild zu sehen, in dem alle durchstrahlten Gewebe in einer Ebene abgebildet werden. Aus diesem Grunde ist es häufig schwierig zu entscheiden, ob eine vollständige Fusion vorliegt oder der residuale Pseudarthrosenspalt nur durch den Summationseffekt überdeckt wird. Zahlreiche Studien wurden durchgeführt, um die Reliabilität des Fusionsergebnisses aus dem konventionellen Röntgenbild zu überprüfen. So konnte KANT [56] in einer Studie an der LWS bei 61 Prozent der Fälle, bei denen anhand des konventionellen Röntgenbildes von einer kompletten Fusion gesprochen wurde, während der chirurgischen Exploration eine unvollständige Fusion nachweisen. Untersuchungen, in denen der Versuch unternommen worden war, den Fusionsstatus im konventionellen Röntgenbild mit dem Fusionsstatus im CT-Bild zu korrelieren, konnten nachweisen, dass bei der getrennten Evaluation des konventionellen Röntgenbildes und des CT-Bildes des gleichen Patienten die Fusion im konventionellen Röntgenbild meist höhergradig als im CT-Bild bewertet wurde. Somit konnte keine Korrelation zwischen diesen Untersuchungsmethoden nachgewiesen werden [22,56,61,63,90].

Die funktionelle Untersuchung der Halswirbelsäule während Flexion und Extension mit Messung der segmentalen Beweglichkeit ist eine klinisch und experimentell häufig verwendete Methode, um die biomechanischen Verhältnisse im Bewegungssegment nicht-invasiv erfassen zu können [25,28,29,49,66,67,79]. Bei einem stabil fusionierten Bewegungssegment sollten keine oder nur sehr geringfügige Relativbewegungen im Bewegungssegment nachweisbar sein. Nach KUSLICH und RAY [75] ist bei einer segmentalen Beweglichkeit größer als 3 Grad vom Vorhandensein einer Pseudarthrose bzw. nicht abgeschlossener Fusion auszugehen. Trotz der in einigen Studien nachgewiesenen Korrelationen zwischen dynamischen Röntgenuntersuchung und der CT Untersuchung sollte bei einer in der dynamischen radiologischen Untersuchung nachgewiesenen Unbeweglichkeit im Segment nicht unbesehen auf eine solide Fusion geschlussfolgert werden. Das Problem liegt in der relativen Ungenauigkeit der röntgenologischen Methode. Geringfügige Restbeweglichkeiten, wie sie beim Vorliegen einer Pseudarthrose bestehen können, werden möglicherweise durch den Zug der Halsmuskulatur, die Stabilisierung durch das intervertebrale Implantat und die in weiteren Untersuchungen zusätzlich verwendete ventrale Platte maskiert [11]. SANTOS et al [90] beschreibt, dass bei Analyse von radiologischen Funktionsuntersuchungen meist eine zu hohe Fusionsrate angenommen wird. So konnte nachgewiesen werden, dass bei 15 funktionsradiologisch als fusioniert beschriebenen Bewegungssegmenten nur vier dieser Bewegungssegmente eine solide knöcherne Durchbauung bei der Analyse der CT-Schichten aufwiesen.

Die Analyse der helicalen Dünnschicht-Computertomografie mit der Möglichkeit zur zweidimensionalen frontalen und sagittalen Rekonstruktion kann bei störungsfreier Bildqualität eindeutig das Vorhandensein oder Fehlen von überbrückendem Knochen ventral bzw. zwischen den Wirbelkörpern nachweisen. Ein Problem, welches die Analyse der Fusion im CT erschweren kann, ist die Artefaktüberlagerung durch die verwendeten metallischen Implantate [22]. Die Nutzung von Titan bei der Konstruktion der Implantate konnte die Artefaktüberlagerung im Gegensatz zur Verwendung anderer metallischer Legierungen in Grenzen halten [77].

In älteren Untersuchungen stand man der Untersuchung der Fusion mittels der CT-Diagnostik noch sehr kritisch gegenüber. In diesen Veröffentlichungen wurde häufig die Studie von BRODSKY [19] zitiert, welcher eine große Ungenauigkeit für die CT-Methode bei der Evaluation der Fusion nachgewiesen hat. Die von ihm verwendete Untersuchungstechnik beinhaltete dicke CT-Schnitte von 5 mm bis 10 mm Schichtdicke, nicht wie die von uns und anderen Autoren verwendeten axialen Schichten mit nur einem Millimeter Schichtdicke. Eine Innovation, welche die Evaluation der Fusion mittels der CT-Technologie für die Wirbelsäulenchirurgie interessant machte, war die Verbesserung des Auflösungsvermögens der Geräte, die schnelle Aufnahmetechnik und die Option, zwei- und dreidimensionale Rekonstruktionen aus den axialen Schichten zu errechnen. Studien von LANG [63] und ZINREICH [118] wiesen eine Überlegenheit der rekonstruierten, coronaren und sagittalen zweidimensionalen Bilder gegenüber reinen axialen CT-Schichten beim Nachweis von nicht fusionierten Bewegungssegmenten nach. LAASONEN und SOINI [61] bewiesen die Überlegenheit der CT-Technik beim Nachweis einer residualen Pseudarthrose im Vergleich zur chirurgischen Exploration. COOK [26] und SHAH [97] konnten die Überlegenheit der CT-Untersuchung im Vergleich zum nativen Röntgenbild nachweisen. So kann die Untersuchung der Fusionsregion mittels der CT-Technologie als heutiger goldener Standard bezeichnet werden.

Auffällig in dieser Untersuchung war, dass kein wesentlicher Unterschied in den Fusionsresultaten hinsichtlich konventioneller Röntgendiagnostik, Funktionsröntgendiagnostik und Computertomografie nachgewiesen werden konnte. Ursächlich hierfür könnten die im Rahmen der tierexperimentellen Studie optimierten Untersuchungsbedingungen sein, die mit den klinischen Untersuchungsbedingungen in der Regel nicht zu vergleichen sind. Hierzu wurde die konventionelle Röntgenaufnahme am Präparat, bei dem der Weichteilmantel bereits entfernt war, angefertigt. Des weiteren konnte das konventionelle Röntgenbild in einer idealen lateralen Position artefaktfrei aufgenommen werden. Dadurch war eine standardisierte Einstellung des Bandscheibenraumes für die radiologische Auswertung möglich. Diese ist bei klinischen Untersuchungen nicht immer zu gewährleisten. Messungenauigkeiten während klinischer Röntgen-untersuchungen können zum Beispiel durch einen ungleichen Strahlengang oder schmerzbedingtes Gegenspannen des Patienten bei den Funktionsaufnahmen entstehen. Zusätzlich wurde in dieser Studie eine digitale röntgenologische Aufnahmetechnik verwendet, wodurch Röntgenbilder mit einem deutlich verbesserten Auflösungsvermögen angefertigt werden konnten. Des weiteren wurden die Untersuchungen immer am narkotisierten Tier beziehungsweise am Präparat durchgeführt, so dass immer gleichbleibende Untersuchungsbedingungen garantiert wurden.

Auch bezüglich des Einheilungsverhalten der hier untersuchten Cagedesigne liegen bisher keine tierexperimentellen Studien vor. In früheren Studien wurden Schraubendesign-Cages intensiv in vivo untersucht [12,27,42,116]. So konnten mehrere Autoren ein ausreichendes Einheilen von spongiosagefüllten, schraubendesignartigen Cages in zahlreichen Tiermodellen nachweisen [12,27,42,88,116]. Cages wurden unter der Vorstellung entwickelt, dass eine mechanische Protektion des inkorporierten autologen Knochenmaterials eine Einheilung des Implantats fördert [18,57,64]. Dabei wurde behauptet, dass ausschließlich die mechanische Stabilität und weniger das Design eines Cage von Bedeutung ist [54,78,103]. KANAYAMA [51] konnte jedoch in einer in vitro Untersuchung zeigen, dass das Cagedesign einen signifikanten Einfluss auf den Druck hat, der innerhalb eines Cage auf die inkorporierte Spongiosa wirkt. Er demonstrierte, dass die Größe der maximalen Pore eines Cage entscheidend für die Reduktion der Stress-Protektion der inkorporierten Spongiosa ist. Dabei formulierte er folgende, auf dem Wolf´schen Gesetz basierende, Hypothese: „Je größer die maximale Pore in der Auflagefläche eines Cage, desto geringer das 'stress shielding' auf die inkorporierte Spongiosa und desto günstiger das Einheilungsverhalten des Cage“ [51]. Eine weitere Hypothese wurde erstmalig von KANDZIORA et al. [55] entworfen. Der Cage und die inkorporierte Spongiosa konkurrieren um das Volumen des Intervertebralraumes. Je mehr Spongiosa im Intervertebralraum inkorporiert werden kann, desto wahrscheinlicher kommt es zur knöchernen Einheilung des Implantats [106]. Demzufolge müsste der Cage, der bei geringstem Volumen die größten Stabilitätswerte aufweist, ein optimiertes Milieu für die Einheilung des Implantats erreichen.

Die Hypothesen von KANAYAMA [51] und KANDZIORA [55] konnten in der hier durchgeführten radiologischen Untersuchung nicht bestätigt werden. Obwohl im Vergleich zum Beckenkammspan-Transplantat eine geringere Sinterung für beide Cagedesigne festgestellt werden konnte, waren hinsichtlich der Fusionsresultate keine wesentlichen Unterschiede zwischen den Stabilisierungsverfahren eruierbar. Sowohl bei der Betrachtung der Fusionsergebnisse, als auch die Auswertung der Funktions-röntgenuntersuchungen mit den in dieser Untersuchung verwandten Methoden ergaben für alle drei untersuchten Gruppen nahezu identische Ergebnisse. Einzig die computertomografische Untersuchung konnte für die Parameter Kallusvolumen und Knochengehalt des Kallus signifikante Unterschiede zwischen den beiden Cage-Designs nachweisen. So weist der Zylinderdesign-Cage im Vergleich zum Boxdesign-Cage ein signifikant größeres Kallusvolumen auf. Aufgrund nahezu identischer Knochendichtewerte errechnete sich in der Folge für den Zylinderdesign-Cage ein signifikat größerer Knochengehalt im Kallus.

Wie in Voruntersuchungen der Arbeitsgruppe nachgewiesen, ist der Cage im Zylinderdesign das Implantat, welches biomechanisch im in vitro Versuch eine deutlich geringere Steifigkeit im Vergleich zum Boxdesign-Cage aufweist [53]. Dieses hat möglicherweise Auswirkungen auf das frühe Einheilungsverhalten der metallischen Implantate. Studien aus dem Bereich der Frakturheilung unterstützten diese Aussage. Hier wird postuliert, dass bei der Verwendung von Implantaten, welche Microbewegungen im Frakturspalt zulassen (im in vitro Test die geringere Steifigkeit aufweisen), im klinischen Verlauf der Frakturheilung regelmäßig größere Kallusformation nachweisbar sind. Dieses führt in den meisten der Fälle zu keinem negativen Effekt auf die Heilung der Fraktur [23,39,83,113]. So muss postuliert werden, sollte diese Theorie auch auf die Fusion an der Halswirbelsäule übertragbar sein, dass möglicherweise bauartbedingt bei Verwendung des Zylinderdesign-Cages mehr Microbewegungen im Bewegungssegment auftreten und somit eine stärkere Kallusbildung induziert wird. Trotz der quantitativen Unterschiede in der Kallusformation beider Cagedesigne muss festgehalten werden, dass in dieser Untersuchung kein wesentlicher Einfluss des unterschiedlichen Cagedesigns auf die nach 12 Wochen erreichte Stabilität der Fusion gezeigt werden konnte. Hinzuweisen ist jedoch darauf, dass, wie bereits in dem vorangegangen Kapitel erwähnt, die radiologische Diagnostik nur eine limitierte Aussage über die funktionelle Stabilität des Bewegungssegmentes geben kann. Demzufolge sind die Ergebnisse dieser rein radiologischen Untersuchung mit Vorbehalt zu bewerten und sollten durch weiterführende biomechanische und histologische Untersuchungen validiert werden.