2  Experimentelle Untersuchungen

Für die Durchführung und Interpretation tierexperimenteller Untersuchungen ist die Wahl des adäquaten Tiermodels entscheidend. Obwohl die Schafshalswirbelsäule als Tiermodell der humanen Halswirbelsäule bereits vor dieser Untersuchung etabliert war [201], ist die bestehende Datenlage nicht dazu geeignet, eine zuverlässige Interpretation der im Tierexperiment gewonnenen Ergebnisse zu gewährleisten. Im Einzelnen wurden daher folgende Fragestellungen in dieser anatomisch-biomechanischen Untersuchung adressiert.

• Für die folgenden tierexperimentellen Untersuchungen waren humane Implantate vorgesehen. Daher war es notwendig zu klären, ob die Höhe und Breite des Bandscheibenraums sowie der angrenzenden Deck- und Bodenplatten der Wirbelkörper der Schafshalswirbelsäule dazu geeignet sind, human große zervikale Implantate aufzunehmen.
• Da eine biomechanische in vitro Evaluation zervikaler Cages geplant wurde, war es notwendig, die Bewegungssegmente der Schafshalswirbelsäule hinsichtlich ihrer biomechanischen Kenngrößen Bewegungsumfang, Steifigkeit, neutrale und elastische Zone mit den humanen Bewegungssegmenten zu vergleichen.
• Die Knochendichten der Deck- und Bodenplatten der Wirbelkörper sind für das in vivo Sinterungsverhalten von intervertebralen Cages von großer Bedeutung [69,85,103,123]. Daher war es notwendig zu klären, welche Unterschiede zwischen humaner und Schafs-Halswirbelsäule in der Knochendichte der Wirbelkörper bestehen.
• Funktionsradiologische Parameter in maximaler Flexion und Extension erlauben beim Menschen die Unterscheidung zwischen einem fusionierten und einem nicht fusioniertem Bewegungssegment [111,138]. Demzufolge war es erforderlich, Unterschiede in den segmentalen funktionsradiologischen Parametern zwischen den Spezies zu erheben.
• Schließlich war es das Ziel dieser Untersuchung, bei entsprechender Eignung des Tiermodells, in der Zusammenfassung aller Ergebnisse das Bewegungssegment auszuwählen, dass eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen den Spezies zeigt.

Da sich in dieser Untersuchung gezeigt hatte, dass das Bewegungssegment C3/C4 der Schafshalswirbelsäule als Model des humanen Bewegungssegmentes C3/C4 geeignet ist, wurden alle weiteren Untersuchungen an diesem Bewegungssegment durchgeführt.

Zervikale Cages können nach Weiner [200] in 3 verschiedene Designgruppen unterteilt werden: Schrauben-, Box- und Zylinderdesigne. Die bisher vorliegenden Untersuchungen [140,203] lassen keine eindeutige Aussage darüber zu, ob prinzipielle Unterschiede in der biomechanischen in vitro Primärstabilität zwischen diesen Cagedesigngruppen bestehen. Der Einfluss des Cagedesigns auf die biomechanische in vitro Primärstabilität bleibt demzufolge momentan unklar und sollte in dieser rein biomechanischen Untersuchung geklärt werden.

• Daher sollten in dieser Untersuchung Cages aller drei Designgruppen hinsichtlich ihrer biomechanischen Kenngrößen Bewegungsumfang, Steifigkeit, neutrale und elastische Zone verglichen werden, um potentielle Unterschiede zwischen den Designgruppen zu evaluieren.
• Zusätzlich sollten Parameter entwickelt werden, die es erlauben, anhand von biomechanischen in vitro Daten die in vivo Einheilung eines Cages zu prognostizieren.
• Schließlich sollten anhand der gewonnenen Daten Cages ausgewählt werden, die für eine in vivo Evaluation im Tiermodell geeignet sind.

Diese Untersuchung konnte zeigen, dass Cages mit Schraubendesign nur eine geringe Primärstabilität in vitro aufweisen. Hingegen legt die in dieser Untersuchung dokumentierte hohe in vitro Primärstabilität des Syncage-C dessen in vivo Evaluation nahe. Der aus dieser Untersuchung hervorgegangene Parameter der Volumen-bezogenen-Steifigkeit macht darüber hinaus auch die Evaluation des Harmscages in vivo interessant, obwohl dessen in vitro Primärstabilität deutlich geringer ist als die des Syncage-C.

In klinischen Untersuchungen finden sich Hinweise, dass Cages im Vergleich zum trikortikalen Beckenkammspan in der Lage sind, die Ergebnisse der intervertebralen Spondylodese zu verbessern [19,[],66,67,111,112,113,152]. Zusätzlich konnte trotz ähnlicher Evaluationsprotokolle eine relevante Variabilität des operativen Erfolges bei Verwendung verschiedener zervikaler Cagedesigns demonstriert werden [66,67,152,155]. Ob diese Ergebnisvariabilität eine Folge von operativen Faktoren ist oder ob das Implantatdesign der Cages hierbei eine entscheidende Rolle spielt, ist derzeit unbekannt.

• Daher sollten in dieser Untersuchung in einem operativ standardisiertem Tiermodell unterschiedliche Cagedesigns hinsichtlich radiologischer, biomechanischer und histologischer Parameter der Einheilung miteinander verglichen werden.
• Zusätzlich sollte evaluiert werden, ob Spongiosa gefüllte Cages der herkömmlichen Spondylodese mit autologem trikortikalem Beckenkammspan hinsichtlich radiologischer, biomechanischer und histologischer Parameter während der Einheilung gleichwertig sind.

Diese Untersuchung konnte nachweisen, dass mit Spongiosa gefüllte Cages im Vergleich zum trikortikalen Beckenkammspanimplantat in der Lage sind, die Ergebnisse der zervikalen Spondylodese zu verbessern. Die vorliegende Untersuchung konnte des weiteren zeigen, dass trotz standardisierter Operationsbedingungen Unterschiede im Einheilungsverhalten verschiedener Cagedesigns existieren.

Da das Design von Cages offensichtlich eine wesentliche Bedeutung für die Einheilung der Implantate hat, sollte in dieser Untersuchung geklärt werden, welche Designparameter im Einzelnen Einfluss auf das Einheilungsverhalten ausüben. Als entscheidende Designparameter wurden bisher in in vitro Untersuchungen die Endplattenkonfiguration (Auflagefläche), die maximale Pore in der Auflagefläche und die in vitro Primärstabilität des Cages definiert [25,29,51,79,87,165]. Ziel dieser Untersuchung war es daher, folgende aus vorausgegangenen Untersuchungen hervorgegangene Hypothesen auf ihre Bedeutung zu prüfen:

• Je größer die Auflagefläche des Cages, desto geringer die Sinterung des Cages.
• Je größer die maximale Pore in der Auflagefläche eines Cages, desto geringer das „stress shielding“ auf die inkorporierte Spongiosa und desto besser das Einheilungsverhalten des Cages.
• Je höher die biomechanische Primärstabilität eines Cages in vitro, desto höher die biomechanische Sekundärstabilität in vivo.

Diese Untersuchung konnte zeigen, dass designspezifische Charakteristika von Cages existieren, die das Einheilungsverhalten der Implantate definieren. Von besonderer Bedeutung für das Einheilungsverhalten eines Cages ist das "stress shielding" des Implantates auf die inkorporierte Spongiosa. Der Harmscage weist aufgrund des geringeren "stress shielding" ein signifikant besseres Einheilungsverhalten auf als der Syncage-C. Daher wurde in allen folgenden Untersuchungen der Harmscage eingesetzt.

Da bei der Verwendung von Polylaktid-Carriern inflammatorische Reaktionen mit begleitender Ausbildung von Osteolysen beschrieben wurden [53], fanden in der experimentellen Wirbelsäulenchirurgie bisher, trotz zahlreicher Nachteile, vorwiegend Kollagen-Carrier zur lokalen Applikation von Wachstumsfaktoren Anwendung. [127,167,180,184]. Eine neu entwickelte dünne PDLLA-Beschichtung von Implantaten zur lokalen Freisetzung von Wachstumsfaktoren könnte im Vergleich zu derzeit verfügbaren Polylaktid- und Kollagen-Carriern Vorteile aufweisen [73,171].

• Daher sollten in dieser Untersuchung der PDLLA-Carrier hinsichtlich seiner lokalen Wirkung auf die intervertebrale Spondylodese im zervikalen Schafsmodell untersucht werden.
• Zusätzlich sollte die Effektivität des PDLLA-Carriers mit der eines Kollagen-Carriers bei der lokalen Applikation von BMP-2 im Spondylodesemodell der zervikalen Schafswirbelsäule verglichen werden.

Diese Untersuchung konnte zeigen, dass der PDLLA-Carrier eine sichere und effektive lokale Applikation von Wachstumsfaktoren erlaubt. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass der PDLLA-Carrier im Vergleich zum Kollagen-Carrier eine Verbesserung der Ergebnisse der intervertebralen Spondylodese ermöglicht. Daher wurden alle folgenden Untersuchungen mit dem PDLLA-Carrier durchgeführt.

Die spinale Applikation von BMP-2 ist mit Nachteilen verbunden [81,106,133]. Alternativ machen die synergistischen Effekte von IGF-I und TGF-b1 auf die Knochenneubildung und –regeneration [83,137,181] deren kombinierte Applikation zur Stimulation der intervertebralen Spondylodese interessant. Da die kombinierte Applikation von IGF-I und TGF-b1 bisher noch nicht untersucht wurde, musste zunächst eine adäquate Dosis für diese Wachstumsfaktorenkombination definiert werden.

• Daher sollte in dieser Untersuchung zunächst geklärt werden, ob die kombinierte lokale Applikation von IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage in der Lage ist, die intervertebrale Spondylodese zu stimulieren.
• Zusätzlich sollten in dieser Untersuchung 3 verschiedene Dosen von IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage appliziert werden und hinsichtlich ihres Effekts auf die radiologische, biomechanische und histologische Einheilung intervertebraler Cages untersucht werden.

Anhand dieser Untersuchung konnte gezeigt werden, dass die kombinierte lokale Applikation von IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage in der Lage ist, die intervertebrale Spondylodese zu stimulieren. Zusätzlich konnte eine geeignete Dosis dieser Wachstumsfaktorenkombination für die weiteren Untersuchungen definiert werden.

Eine neues experimentelles Verfahren, wie die kombinierte lokale Applikation von IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage, muss hinsichtlich seiner Effektivität an Standard-Therapieverfahren gemessen werden. Als Standard-Therapieverfahren zur ventralen interkorporellen Spondylodese der Halswirbelsäule werden die Stabilisierung mit trikortikalem Beckenkammspan und mittels Spongiosa-augmentierter intervertebraler Cages angesehen. Zusätzlich hat sich die Applikation des Wachstumsfaktors BMP-2 zur Stimulation der intervertebralen Spondylodese als „experimenteller goldener Standard“ etabliert.

• Daher sollte in diesen Untersuchungen die kombinierte lokale Applikation von IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage mit der intervertebralen Spondylodese durch trikortikalen Beckenkammspan verglichen werden.
• Zusätzlich sollte in diesen Untersuchungen die kombinierte lokale Applikation von IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage mit der intervertebralen Spondylodese durch Spongiosa-augmentierte intervertebrale Cages verglichen werden.
• Schließlich sollte in diesen Untersuchungen die kombinierte lokale Applikation von IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage mit der intervertebralen Spondylodese durch BMP-2 verglichen werden.

Diese Untersuchungen konnten zeigen, dass die intervertebrale Spondylodese durch IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage bessere Ergebnisse zeigt als mit autologem Knochenmaterial. Gleichzeitig konnte die Entnahmemorbidität autologen Knochenmaterials vermieden werden. Zusätzlich konnte demonstriert werden, dass die intervertebrale Spondylodese durch IGF-I und TGF-b1 mittels PDLLA-beschichtetem Cage der Applikation von BMP-2 äquivalent ist.