J. Zeichen

Tissue engineering of osteochondral constructs in vitro using bioreactors

Articular cartilage is a relatively simple tissue, but has a limited capacity of restoration. Tissue engineering is a promising field that seeks to accomplish the in vitro generation of complex, functional, 3-dimensional tissues. Various cell types and scaffolds have been tested for these purposes. The results of tissue engineered cartilage and bone are as yet inferior to native tissue. Strain and perfusion have been shown to stimulate cell proliferation and differentiation of various cell phenotypes. The perfect protocol to produce articular cartilage has not been defined yet. Bioreactors could provide the environment to engineer osteochondral constructs in vitro and to provide a stress protocol. The bioreactor has to provide an economically viable approach to automated manufacture of functional grafts under clinical aspects. Composite engineered tissues, like an engineered joint, represent a future goal. Cross-disciplinary approaches are necessary in order to succeed in engineering osteochondral grafts that provide adequate primary biomechanical stability and incorporate rapidly in vivo with histological appearance close to healthy osteochondral tissue. This review surveys current clinical and experimental concepts and discusses challenges and future expectations in this advancing field of regenerative medicine focusing human osteochondral constructs in bioreactors.

Ätiologie der Arthrofibrose

Die Arthrofibrose ist eine gravierende Komplikation nach Verletzungen und operativen Eingriffen an Gelenken mit einer meist schmerzhaften Einschränkung der Gelenkbeweglichkeit. Die primäre Form wird durch eine generalisierte Narbenbildung charakterisiert, während sich die sekundäre Form auf eine lokale Pathologie zurückführen läßt. Die kausale und formale Pathogenese der primären Arthrofibrose sind bisher nicht geklärt. Neben Veränderungen im Bindegewebe, ähnlich denen bei Organ- und systemischen Fibrosen, findet sich eine chronische inflammatorische Reaktion, die Hinweise auf eine Immunpathogenese liefert. Während die sekundäre Arthrofibrose eine lokale Komplikation darstellt, ist die primäre Form wahrscheinlich ein eigenständiges Krankheitsbild.Arthrofibrosis represents a severe complication of trauma and surgery around joints with loss of motion due to an excessive fibrotic response in the repair process. Patients with primary arthrofibrosis suffer from a general fibrotic healing response after injury or surgery, while patients with secondary arthrofibrosis exhibit loss of motion due to a local fibrotic healing response. Nonisometric positioning of cruciate ligament grafts, notch impingement or hardware problems may lead to secondary arthrofibrosis. In contrast, the etiology of primary arthrofibrosis is still unknown. There are alterations of the extracellular matrix with an increase in collagen type VI expression similar to other local or systemic fibrotic disorders. A chronic inflammatory process may play a crucial role in the mechanism of primary arthrofibrosis and may indicate an immune response. This immune response may activate inflammatory cells and stimulate resident cells to proliferate and to form extracellular matrix. We still do not know which stimuli trigger the fibrotic response. It may be reasonable to assume that primary arthrofibrosis is an independent disease while secondary arthrofibrosis represents a true complication of trauma and surgery around joints.

Die kniegelenknahe Focal-dome-Osteotomie

ZusammenfassungDie Focal-dome-Osteotomie (FDO) ist eine zylindrische Osteotomie, deren korrespondierende Knochenenden ineinander um das Zentrum der Deformität gleiten. Hierdurch kann eine vollständige, achsengerechte Korrektur ohne unerwünschte Translationsabweichungen erreicht werden. Die FDO ermöglicht eine hohe intraoperative Justierbarkeit, einen optimalen Knochenkontakt sowie eine hohe Primärstabilität.Ähnlich wie bei „Opening-wedge-“, „Closing-wedge-“ und „Neutral-wedge-Keilosteotomien“ können FDO als neutrale, öffnende und schließende Osteotomien durchgeführt werden. Aufgrund der domförmigen Osteotomie sind öffnende FDO unter Erhalt des Knochenkontaktes und schließende FDO ohne Verlust von Knochensubstanz möglich. Interligamentäre FDO können durch Valgisierung gleichzeitig zu einer Straffung des Knieinnenbandes führen. Infratuberositäre FDO beeinflussen üblicherweise die Funktion des Patellofemoralgelenks nicht und minimieren das Risiko intraartikulärer Frakturen. Sofern das gelenknahe Fragment eine ausreichende Länge aufweist, ist eine Stabilisation mit einem Verriegelungsnagel möglich. Auch für höhergradige Fehlstellungen in der Frontal- und Sagittalebene stellt die kniegelenknahe FDO eine hervorragende Therapieoption dar.AbstractFocal dome osteotomy (FDO) is a cylindrically shaped osteotomy, with corresponding bone cuts rotating around the central axis of the deformity. Thus, complete correction can be achieved without secondary translation. FDO provides high adjustability of the bone ends, optimal bone contact, and high primary stability.As with straight cut closing, neutral, and opening-wedge osteotomies, FDO allows closing, neutral, and opening corrections. Opening FDO allows preservation of bone contact, whereas closing FDO does not require removal of bone stock. The osteotomy can be modified to tighten the medial collateral ligament. A FDO below the tuberosity does not compromise patellofemoral function and reduces the risk of intra-articular fractures. Sufficient bone stock of the proximal tibial or distal femoral fragment allows intramedullary stabilization. FDO is of high value in the treatment of sagittal plane and frontal plane corrections of the knee even in severe deformities.

Einfluss von zyklischer Dehnung auf die Matrixsynthese von humanen Patellarsehnenzellen

ZusammenfassungDie Bedeutung von Mobilisation und Belastung für die Band- und Sehnenheilung ist heute allgemein anerkannt. Die lokale Deformation von Zellen ist dabei der zentrale Stimulus für die zelluläre Antwort. Über den Einfluss von zyklischer Dehnung auf zellulärer und molekularer Ebene ist bisher jedoch wenig bekannt. Der Einfluss kurzzeitiger zyklischer Dehnung auf die Synthese von Kollagen Typ I und III sowie von Fibronektin wurde daher in humanen Fibroblasten aus der Patellarsehne untersucht. Die Fibroblasten wurden aus Gewebeproben von 5 Donoren (mittleres Alter 29,2 Jahre) kultiviert. Zellen der 3. Passage wurden auf Silikonschalen für 30 bzw. 60 min zyklisch gedehnt (Dehnung 5%, Frequenz 1 Hz).Nach 6 h und 12 h wurde im Überstand die Konzentration des carboxyterminalen Propeptids von Prokollagen I (P-I-CP) und des aminoterminalen Propeptids von Prokollagen III (P-III-NP) mit einem Radioimmunassay bestimmt. Die Konzentration von Fibronektin wurde nach Reaktion mit einem spezifischen Antiserum nephelometrisch gemessen.Eine signifikante Zunahme gegenüber nichtgedehnten Fibroblasten fand sich für P-I-CP und Fibronektin lediglich 6 h nach 60 min zyklischer Dehnung, für P-III-NP 12 h nach 30 min sowie 6 h und 12 h nach 60 min zyklischer Dehnung. Zyklische Dehnung stimuliert in Abhängigkeit von der Zeitdauer differenziell die Synthese von Kollagen Typ I und III sowie von Fibronektin. Diese Effekte können die Gewebequalität und damit die mechanischen Eigenschaften des Reparaturgewebes nach Band- und Sehnenheilung beeinflussen. Kenntnisse über die zelluläre Antwort auf zyklische Dehnung sind daher für das Verständnis der Gewebeheilung von Bedeutung und tragen zur Verbesserung von Rehabilitationsprogrammen bei.AbstractThe significance of mobilization and loading for healing ligaments and tendons is generally accepted today. Local deformation of cells thereby represents the key stimulus for the cellular response. Less is known, however, about the effects of cyclic strain on the cellular and molecular level. The aim of the in vitro investigation was to determine the effect of cyclic mechanical strain on collagen type I and III and on fibronectin formation in human patellar tendon derived fibroblasts. Human patellar tendon derived fibroblasts from 5 donors (mean age 29.2 years) were cultured under standard conditions. Monolayers of subconfluently grown 3rd passage cells were stretched in rectangular silicone dishes with cyclic movement along their longitudinal axes. Cyclic strain (5%, 1 Hz) was applied for 30 min and 60 min, respectively.Carboxyterminal procollagen type I propeptide (P-I-CP) and aminoterminal procollagen type III propeptide (P-III-NP) release was measured by a radio-immunoassay 6 h and 12 h after stretching. The release of fibronectin was measured by nephelometry following immunoreaction with a specific antiserum. Cells from each donor without any cyclic stretching served as controls. Compared with the controls, only cyclic stretching for 60 min resulted in a significantly increased release of P-I-CP and fibronectin after 6 h.The release of P-III-NP was significantly increased 12 h after 30 min of cyclic stretching as well as 6 h and 12 h after 60 min of cylic stretching, respectively. We conclude that cyclic stretching causes a time-dependent, differential regulation of formation of fibronectin and collagen type I and III. This may effect the quality and thus the mechanical properties of healing tendon and ligament tissues. In order to improve current treatment protocols and to enlarge our knowledge of tissue healing, it is necessary to understand the cellular response to cyclic strain.

Lokalisation von TGF-β und PDGF und deren Bedeutung für die Pathogenese der Arthrofibrose

Arthrofibrosis is a disabling complication after knee trauma and surgery and is characterised clinically by joint stiffness. Due to an immune response, the proliferation of fibroblasts and synthesis of extracellular matrix proteins are increased. The cytokines transforming growth factor beta (TGF-beta) and platelet-derived growth factor (PDGF) are critical players in tissue fibrosis, stimulating cell proliferation and the production of various extracellular matrix proteins. Tissue samples from the infrapatellar fat pad and intercondylar synovia of seven patients (age 18-49 years) suffering from arthrofibrosis were taken at surgery. The mean interval between trauma and arthrolysis was 14.3 months. All samples were stained with haematoxylin and eosin, and monoclonal and polyclonal antibodies were applied for immunohistological localisation of TGF-beta and PDGF. The percentage of both cytokines was then analysed using an image analysis system. Tissue samples with no macroscopic pathology of the synovial tissue from eight patients for anterior cruciate ligament replacement served as controls. Immunostaining for TGF-beta and PDGF was found to be increased in arthrofibrotic tissue. Both cytokines could be detected subsynovially around inflammatory cells. The profibrotic cytokines TGF-beta and PDGF play an important role in the pathogenesis of arthrofibrosis. Both cytokines are key mediators of tissue fibrosis.

Operative Therapie der Arthrofibrose

Die Arthrofibrose des Kniegelenks sollte in eine lokalisierte und eine generalisierte Form differenziert werden. Lokalisierte Arthrofibrosen sind das Zyklopssyndrom, die Transplantathypertrophie bei Notch-Impingement und die intra- bzw. extraartikuläre Bridenbildung. Diese Pathologien können durch limitierte, meist arthroskopische Eingriffe therapiert werden. Die generalisierte Arthrofibrose ist eine entzündliche Reaktion des gesamten Gelenks unter besonderer Betonung des Hoffa-Fettkörpers und der Retinacula. Durch Sklerosierung des Hoffa-Fettkörpers und hintere Kapselschrumpfung entstehen hartnäckige Streckdefizite. Therapeutisch sollte in diesen Fällen ein limitiertes anteriores Débridement mit einer posterioren Kapsulotomie kombiniert werden. Insgesamt wurden 115 Fälle operativ behandelt, die Ergebnisse von 53 nachuntersuchten Patienten werden dargestellt.Arthrofibrosis of the knee may be a localized or generalized condition. The localized forms are cylops tumors, hypertrophic cruciate grafts due to notch-impingement, and intra- or extraarticular adhaesions. These problems can usually be managed by limited, arthroscopic procedures. Generalized arthrofibrosis is caused by a diffuse inflammatory reaction of the knee with fibrosis of the anterior fat pad and the parapatellar retinaculae and contracture of the posterior capsule. Treatment should include open resection of the dense fibrotic tissue, replacing the fat pad and parts of the anterior retinaculae. In addition, open posterior capsulotomy allows for complete extension of the knee. A total of 115 cases have been treated by the authors, and the results of 53 are reported.

Outcomeanalyse nach offener Rekonstruktion von Rotatorenmanschettenrupturen : Eine vergleichende Beurteilung neuer Bewertungsverfahren

ZusammenfassungDie Beurteilung des Outcomes ist in der Chirurgie des Bewegungsapparats von immer größerer Bedeutung. Im Gegensatz zum traditionellen klinischen Funktionsscore wird bei neueren Outcomescores die Gesamtheit aller Effekte erfasst, die durch eine Erkrankung oder Intervention hervorgerufen werden. In der vorliegenden Studie wurden am Beispiel der offenen Rotatorenmanschettenrekonstruktion 3 neuere Scores zur Beurteilung des Outcome verglichen. Zur Anwendung kamen der Score der “American Shoulder and Elbow Surgeons” (ASES), der Simple Shoulder Test (SST) und der “Disabilities of the Arm, Shoulder and Hand (DASH-)Score”. Diese Outcomescores wurden dem Constant-Murley-Score als einem etablierten Schulterfunktionsscore gegenübergestellt. Zusätzlich wurde mit einer subjektiven visuellen Analogskala die Patientenzufriedenheit ermittelt.23 Patienten wurden prospektiv erfasst und konnten im Mittel nach 57,8±15,7 Wochen nachuntersucht werden. Das Durchschnittsalter der 7 Frauen und 16 Männer betrug 55,3±10,5 Jahre; 14-mal war die rechte, 9-mal die linke Seite betroffen; 14-mal war es die dominante Seite. Bei allen Patienten kam es postoperativ zu einer Verbesserung sowohl der Funktion als auch der Schmerzsymptomatik. Die Mittelwerte in den 3 Outcomescores und im Constant-Murley-Score waren zum Zeitpunkt der letzten Kontrolluntersuchung statistisch signifikant besser als vor der Operation (p<0,01, gepaarter, zweiseitiger t-Test). Alle Scores korrelierten mit dem Constant-Murley-Score (ASES: r=0,871, p<0,01; DASH: r=−0,758, p=<0,01, SST: r=0,494, p<0,05, Korrelationskoeffizient nach Pearson).Ähnlich wie der Constant-Murley-Score eine Verbesserung der Schulterfunktion anzeigt, zeigen die neuen Scores eine Verbesserung des Outcomes an. Sie eignen sich durch den Fragebogencharakter sowohl zum klinischen Einsatz, als auch klinik- und untersucherunabhängig zur Verlaufskontrolle. Am einfachsten ließ sich der SST anwenden. Mit dem ASES und dem DASH war eine differenziertere Outcomeanalyse möglich. Der genauen klinischen Beurteilung des Constant-Murley-Scores stehen die neuen Evaluationsscores als alternative Verfahren gegenüber. Aufgrund der guten Korrelation des ASES mit dem Constant-Murley-Score (r=0,871, p<0,01) und der gleichzeitig guten Übereinstimmung mit der visuellen Analogskala (r=0,612, p<0,01) wird der ASES-Index zum außerklinischen Einsatz bevorzugt. Ist eine klinische Untersuchung möglich, sollte weiterhin zusätzlich zum Selbstbeurteilungsscore ein validierter, funktionsorientierter Score (z. B. Constant-Murley) verwendet werden.AbstractOutcome evaluation is becoming increasingly important for reconstructive surgery in musculosceletal diseases. In addition to established shoulder-scores, new outcome-scores are being developed to cover all effects caused by a disease or intervention. Three validated, self-administered shoulder questionnaires were applied prospectively in 23 otherwise healthy patients suffering from rotator cuff deficiency. These were correlated to the Constant-Murley Shoulder Score and to a visual analogue scale for satisfaction. 7 women and 16 men with combined tears of supraspinatus and infraspinatus (mean age 55.3±10.5, r/l: 14/9, FU 57.8±15.7 weeks) were gathered prospectively and evaluated pre- and postoperatively with the American Shoulder and Elbow Surgeons Shoulder Index (ASES), the Simple Shoulder Test (SST) and the Disabilities of the Arm, Shoulder and Hand Module (DASH questionnaire). In addition, a visual analogue scale for satisfaction was employed. All four scores as well as the visual analogue scale revealed improvement at a statistically significant level (paired, two-tailed t-test, P<0.01) after surgery.All questionnaires had a significant correlation with the Constant-Murley Shoulder Score (Pearsons correlation coefficient: ASES: r=0.871, P<0.01; DASH: r=−0.758, P=<0.01; SST: r=0.494, P<0.05). All were easy to apply and provided a reliable, postoperative evaluation of shoulder function. The SST was easy to apply, however compound outcome analysis was only possible with the ASES Shoulder Index and the DASH questionnaire. The DASH scale was the most complex evaluation instrument. The Constant-Murley Shoulder Score comprises a physical examination which is advantageous but must be carried out in the clinic. For postoperative assessment, without the patient having to return to the clinic, the ASES Shoulder Index is preferred as it correlates well with the Constant-Murley Shoulder Score (r=0.871) and the visual analogue scale for satisfaction (r=0.762).

Die Expression von Typ-VI-Kollagen bei der Arthrofibrose Eine immunhistochemische Untersuchung*

ZusammenfassungDas Hauptmerkmal der Arthrofibrose ist eine symptomatische Bewegungseinschränkung aufgrund einer posttraumatischen oder postoperativen Bindegewebevermehrung unklarer Genese. Die kausale und formale Pathogenese sind weitgehend unbekannt. Potentiell kommt es im Rahmen eines immunpathologischen Prozesses zur Aktivierung und Proliferation von Fibroblasten mit vermehrter und in der Zusammensetzung veränderter extrazellulärer Matrix. Untersuchungen von systemischen und organspezifischen Fibrosen haben gezeigt, daß es dabei charakteristischerweise zu einer vermehrten Expression von Kollagen Typ VI kommt. Ziel der Untersuchung war es an Gewebeproben von Patienten mit Arthrofibrose nach Kapsel-Band-Eingriffen des Kniegelenks die Lokalisation und Verteilung von Kollagen Typ III und VI darzustellen. Bei 18 Patienten (durchschnittliches Alter 32,7 Jahre) wurden Gewebeproben aus dem Hoffa-Fettkörper und aus interkondylär gelegenem Bindegewebe entnommen. Im Mittel lagen zwischen Trauma und Arthrolyse 13,8 (4–50) Monate. Von allen Präparaten wurde eine HE-Fäärbung angefertigt. Kollagen Typ III und VI wurden immunhistochemisch (ABC-Methode) mit einem entsprechenden monoklonalen (Typ III) bzw. polyklonalen (Typ VI) Antikörper dargestellt. Im Vergleich zu Kontrollpräparaten aus makroskopisch unauffälligen Kniegelenken fand sich bei der Arthrofibrose eine synoviale Hyperplasie mit Zell- und Gefäßproliferation. Subsynovial zeigte sich eine Bindegewebevermehrung. Verglichen mit normalem Synovialgewebe war eine starke Immunreaktion für Kollagen Typ VI vor allem perivaskulär und subsynovial sichtbar. Typ-III-Kollagen zeigte ein diffuses Verteilungsmuster. Das Arthrofibrosegewebe ist wie bei systemischen und organspezifischen Fibrosen durch eine stark positive Immunreaktion für Typ-VI-Kollagen charakterisiert. Typ-VI-Kollagen kann dabei eine Mediatorfunktion haben. Es dient als mikrofibrilläres Netzwerk der Adhäsion und Proliferation von Fibroblasten sowie der Bindung anderer Kollagentypen.AbstractArthrofibrosis is a disabling complication after trauma and surgery due to massive connective tissue proliferation. The etiology and pathogenesis have never been fully understood. A strong immune response may lead to activation and proliferation of fibroblasts with excessive and disordered deposition of matrix proteins. In similar pathological conditions, like lung fibrosis or superficial fibromatoses with fibrotic transformation an increased expression of collagen type VI has been reported. We investigated fibrotic tissue samples taken from 18 patients (average age: 32,7 years), who underwent arthrolysis of the knee joint because of symptomatic arthrofibrosis following ligament injury. The mean interval between trauma and arthrolysis was 13,8 months (range 4–50 months). Tissue samples were taken from the infrapatellar fat pad and intercondylar connective tissue. All samples were stained with HE. The expression of type III and VI collagen was studied immunohistochemically using an immunoperoxidase method for light microscopic visualization. Histologic analysis from patients with arthrofibrosis showed a synovial hyperplasia with cell infiltration and vascular proliferation compared to synovial tissue samples from knee joints without any detectable pathology. Subsynovial an increased deposition of matrix proteins was visible. Type VI collagen was widely distributed as a network subsynovial and around capillary walls. Type III collagen showed a diffuse distribution. Arthrofibrotic tissue is, similar to pathological conditions with fibrotic transformation characterized by an increased expression of collagen type VI. Collagen type VI may play an important role in matrix homeostasis. It serves as an anchoring element between collagen fibers and as a cell binding structure.

Grisels Syndrom – eine unfallchirurgische Rarität

ZusammenfassungEine fixierte atlantoaxiale Subluxation tritt bei Kindern in seltenen Fällen infolge einer Entzündung im oberen Halsbereich und nach HNO-Operationen auf. Im vorliegenden Beitrag wird über den Fall eines 6-jährigen Patienten berichtet, der bei Halsschmerzen, Ohrenschmerzen und einer Lymphdrüsenschwellung rechts eine zunehmende Kopfschiefhaltung entwickelte. Röntgenaufnahmen der HWS und Computertomographie zeigten eine fixierte C1/C2-Rotationssubluxation. Anhand eines Fallbeispiels wird die Diagnose und Therapie dieses seltenen Syndroms erläutert.AbstractAtlanto-axial fixed subluxation (Grisels syndrome) is an uncommon complication of upper neck inflammatory processes and head and neck surgery. We present the case of a 6 year old patient who developed a Grisels syndrome after an upper respiratory infection. X-rays and CT scans demonstrated a fixed C1 and C2 subluxation which was treated with reposition and application of a Halo-fixateur. We give a review of the pathogenesis, diagnosis and treatment of this rare syndrome.

Augmented tenoplasty in a case of tibialis anterior tendon rupture

SummaryA tendon transfer or interposition tendon graft is usually recommended for treatment of late diagnosed ruptures of the tibial anterior tendon. A new operative technique using augmented tenoplasty is described in one patient. After 3 years the patient was asymptomatic and showed normalized function. The operative method has the advantage of no additional loss of function in comparison with other methods.ZusammenfassungZur Therapie einer veralteten Ruptur der Sehne des M. tibialis anterior wird entweder eine Sehnentransposition oder Sehnentransplantation empfohlen. Anhand eines Fallbeispiels wird die operative Versorgung mit einer augmentierten Umkehrplastik beschrieben; 3 Jahre nach operativer Rekonstruktion war der Patient subjektiv beschwerdefrei bei gutem funktionellen Ergebnis. Die Umkehrplastik hat den Vorteil, daß es im Vergleich zu den bisher beschriebenen Operationen zu keinen funktionellen Einbußen kommt.