Tierärztliche Hochschule Hannover
Frakturheilung bei Paraplegie im Rattenmodell
INAUGURAL - DISSERTATION
zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin
- Doctor medicinae veterinariae - (Dr. med. vet.)
vorgelegt von
Jeannine Katharina Holschbach Kirchen / Sieg
Hannover 2014
Tierärztliche Hochschule Hannover, jetzt Chirurgische und Gynäkologische Kleintierklinik, Ludwig-Maximilians- Universität München
2. Priv. Doz. Dr. med. Marcus Egermann, Kli- nik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Uni- versitätsklinikum Heidelberg
1. Gutachterin: Univ. Prof. Dr. med. vet. Andrea Meyer-Lin- denberg
2. Gutachter: Univ. Prof. Dr. med. vet. Peter Stadler
Tag der mündlichen Prüfung: 28.11.2014
Fördernde Institution: Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg Im Verlauf dieser Arbeit hat sich die Rechts-
form der Klinik geändert. Die Bezeichnung lautet:
Universitätsklinik Heidelberg, Department für Orthopädie, Unfallchirurgie und Paraplegiolo- gie
To see the world in a grain of sand And a heaven in a windflower Hold infinity in the palm of your hand
And eternity in an hour.
-William Blake-
2 Literatur ... 3
2.1 Akutes spinales Trauma ... 3
2.1.1 Behandlung ... 4
2.1.2 Tiermodelle des akuten spinalen Traumas ... 5
2.2 Knochenheilung ... 8
2.2.1 Primäre Knochenheilung ... 8
2.2.2 Sekundäre Knochenheilung ... 9
2.2.3 Knochenheilung bei neuronaler Schädigung ... 11
2.2.4 Knochendefektmodelle an langen Röhrenknochen ... 12
2.2.5 Osteosyntheseverfahren bei Defektmodellen ... 14
2.3 Heterotope Ossifikation ... 16
2.3.1 Ätiologie und Epidemiologie der heterotrophe Ossifikation ... 17
2.3.2 Pathogenese ... 17
2.3.3 Histologie ... 22
2.3.4 Formen und Klinik der neurogenen heterotropen Ossifikation ... 23
2.3.5 Diagnostik ... 24
2.3.6 Modelle der neurogenen heterotopen Ossifikation ... 25
3 Eigene Untersuchungen ... 27
3.1 Versuchstiere und Versuchstierhaltung ... 27
3.1.1 Herkunft ... 27
3.1.2 Haltung und Fütterung ... 27
3.2 Verwendete Materialien und Geräte für die Durchführung des Tierversuchs ... 28
3.2.1 Spezielle Instrumente ... 28
3.3 Methoden ... 31
3.3.1 Versuchsaufbau und Gruppeneinteilung ... 31
3.3.2 Experimentelle Durchführung ... 32
3.3.3 Durchführung der Ganganalyse ... 40
3.3.4 Euthanasie ... 41
3.3.5 Postmortale µCT Analyse zur Quantifizierung des neugebildeten Knochens ... 41
3.3.6 Histologische Untersuchung der Knochen ... 44
3.3.7 Auswertung der Ergebnisse ... 48
4.1.1 Komplikationen ... 60
4.2 Postoperativer Beobachtungszeitraum ... 60
4.2.1 Klinische Untersuchung ... 60
4.2.2 Ergebnisse der Ganganalyse (BBB-Score) ... 63
4.3 Postmortale Untersuchungen der Gliedmaße ... 73
4.3.1 µCT- Untersuchung ... 73
4.4 Korrelation zwischen BBB Score und den im µCT untersuchten Parametern ... 84
4.5 Histologische Untersuchung ... 86
5 Diskussion ... 97
5.1 Einfluss der akuten Rückenmarkschädigung auf die Knochenheilung ... 98
5.2 Beteiligungen humoraler oder lokaler Faktoren an einer gesteigerten Knochenheilung ... 102
5.2.1 Einfluss der peripheren Nervenschädigung auf die Knochenheilung ... 103
5.3 Diskussion der Methoden ... 105
5.3.1 Rückenmarkkontusion ... 107
5.3.2 BBB Score ... 109
5.3.3 Pflege der paraplegischen Tiere ... 110
5.3.4 Ostektomiemodell ... 111
5.3.5 Osteosynthesemodell ... 113
5.3.6 Einsatz des µCT ... 116
5.3.7 Diskussion der Histologiemethode ... 118
6 Zusammenfassung ... 120
7 Summary ... 122
8 Abbildungsverzeichnis ... 124
9 Tabellenverzeichnis ... 129
10 Literaturverzeichnis ... 132
11 Anhang ... 152
µA Microampere
µCT Microcomputertomographie 99mTc metastabiles Isotop des Techne-
tium
A. Arteria
a.p. anterior posterior Abb. Abbildung
AIDs Anti Inflammatory Drugs (Anti-In- flammatorische
Arzneimittel)
AMPA alpha-Amino-3-Hydroxyl-5- Methyl-Isoxazoleproprionat AO Arbeitsgemeinschaft für
Osteosynthese
AP Alkalische Phosphatase ASBMR American Society for Bone and
Mineral Research
ASCI Acute Spinal Cord Injury (akutes Rückenmarktrauma)
BAP Bone specific alcaline phospatase (Knochenspezifische alkalische Phosphatase)
BBB-Score Basso-Beattie-Breshnahan- Score
bFGF basic Fibroblastic Growth Factor (Fibroblasten Wachstumsfaktor) BMP Bone Morphogenetic Protein BS Bone Surface (Knochenfläche) BV Bone Volume (Knochenvolumen) Ca Calcium, Kalzium
caud. Caudal
(Calcitonin-Gen verwantes Pep- tid)
CO2 Kohlenstoffdioxid COX Cyclooxygenase cran. Cranial
CSD Critical Size Defect CT Computertomographie
D day (Tag)
dist. Distal
EDTA Ethylendiamintetraacetat FOP Fibromyositis ossificans
progressiva
GAG Glykosaminoglykan
GCS Glasgow-Coma-Scale Index
Gy Gray
hBMSC human Bone Marrow Mesenchy- mal Stem Cell
HE Hämatoxylin&Eosin HO heterotope Ossifikation HU Hounsfield Unit
i.m. Intramuskulär i.p. Intraperitoneal i.v. Intravenös
IbF Interfakultäre biomedizinische Forschungseinrichtung IL-1 Interleukin 1
K Kalium
KGW Körpergewicht
KH2PO4 Kaliumhydrogencarbonat lat. lateral
Mg Milligramm Mm Millimeter mm3 Kubikmillimeter MO Myositis ossificans
MOP Myositis ossificans progressiva MRT Magnetresonanztomographie MW Mittelwert
N. Nervus
Na2HPO4 Dinatriumhydrogenphosphat NaCl Natriumchlorid
NGF Nerve Growth Factor (Nerven- Wachstumsfaktor)
NHO Neurogene heterotope Ossifika- tion
NSAID Non-Steroidal-Anti-Inflammatory- Drugs (nicht steroidale- anti- in- flammatorische -Arzneimittel) NYU New York University
OP Operation
OSF Osteoblast Stimulating Factor OSU Ohio State University
PBS Phosphate Buffered Saline (Phosphatpuffer)
PEEK Polyetheretherketon PG Prostaglandin PGE2 Prostaglandin E2 pH potentia Hydrogenii
Ref. Referenznummer
RM Rückenmark
ROI Region of Interest s.c. Subcutan
S.D. Sprague Dawley SD Standard Deviation
SHT Schädel-Hirn-Trauma Tab. Tabelle
Tb.N Trabecular Number (Trabekel An- zahl)
Tb.S. Trabecular Surface (Trabekel Flä- che)
Tb.Sp. Trabecular Separation (Trabekel Abstand)
TGFβ Transforming Growth Factor β Th Thorakaler Wirbel
TNF Tumor Nekrose Faktor TschG Tierschutzgesetz TV Tissue Volume
V. Vena
VH-HH Vorderhand – Hinterhand XEM Xylol Ersatz Medium ZNS Zentrales Nervensystem
Kongressbeiträge und Veröffentlichungen
Im Rahmen dieser Dissertation entstanden folgende Kongressbeiträge und Veröffent- lichungen. Vortrag (V), Poster (P), Abstract veröffentlicht (AV)
(V) (AV) Holschbach J, Kleinschmidt K, Egermann M, Richter W: In vivo µCT analysis based on inhalation anaesthetics in a critical size defect model in rat, Skyscan User- meeting Juni 2008, http://www.skyscan.be/company/UM2008/abstract_book.pdf, DOI:10.13140/2.1.5170.3687
(V) (AV) Holschbach J, Kleinschmidt K, Richter W, Meyer-Lindenberg A, Egermann M: Frakturheilung bei der akuten Wirbelsäulenverletzung im Rattenmodell, Osteologie März 2009, Suppl. 1/2009, www.osteologie-journal.de on 2014-07-06 | IP:
155.250.255.143
(V) (AV) Holschbach J, Kleinschmidt K, Richter W, Meyer-Lindenberg A, Egermann M: Increased callus formation during fracture healing after acute spinal cord injury in a rat model, EORS Kongress Juni-Juli 2010, http://www.ecmjournal.org/ecm_meet- ings/images/EORS2010.pdf,
(V) Holschbach J, Kleinschmidt K, Richter W, Meyer-Lindenberg A, Egermann M:
Acute spinal cord injury increases callus formation in an experimental rat model, ORS Kongress März 2010, DOI: 10.13140/2.1.1448.1289
(P) Holschbach J, Kleinschmidt K, Richter W, Kasten P, Meyer-Lindenberg A, Eger- mann M: Acute spinal cord injury increases callus formation during fracture healing in an experimental rat model, EFORT Juni 2009, DOI:10.13140/2.1.2758.8485
(P) (AV) Holschbach J, Kleinschmidt K, Richter W, Meyer-Lindenberg A, Egermann M: Acute spinal cord injury increases callus formation during fracture healing in an experimental rat model, Skyscan Usermeeting April 2009, http://www.skyscan.be/com- pany/um2009/abstract_036.pdf, DOI:10.13140/2.1.3122.3682
(P) (AV) Holschbach J, Kleinschmidt K, Richter W, Meyer-Lindenberg A, Egermann M: Acute spinal cord injury increases callus formation during fracture healing in an experimental rat model,13.Chirurgische Forschungstage München, September 2009, Langenbecks Arch Surg (2009) 394:915–970, DOI 10.1007/s00423-009-0539-z, Vol- ume 394, Issue 5, September 2009, ISSN: 1435-2443 (Print) 1435-2451 (Online)
Manuskripte in Vorbereitung:
Arbeitstitel: Critical size defects of humerus stabilized by PEEK plate in rat – technical method and comparison to bone defect of femur; Holschbach J, Kleinschmidt K, Brohm K, Matthys R, Meyer-Lindenberg A, Egermann M
Arbeitstitel: Acute spinal cord injury increases callus formation during fracture healing in an experimental rat model; Holschbach J, Kleinschmidt K, Brohm K, Matthys R, Richter W, Meyer-Lindenberg A, Egermann M
1 Einleitung
Die jährliche Inzidenz von akuten traumatischen Rückenmarkläsionen (ASCI) beträgt in den westlichen Industriestaaten 10-30 Fälle pro 1 Million Einwohner, wobei das durchschnittliche Alter 40 Jahre beträgt und mit 70% überwiegend Männer betroffen sind (ISELI et al. 1999). Als Komplikationen werden heterotope Ossifikationen (HO) beobachtet, die als periartikuläre Knochenneubildungen hauptsächlich im Bereich der Hüfte auftreten (AKBAR et al. 2007). Heterotope Ossifikationen sind benigne Knochen- neubildungen im Weichteilgewebe, welche sich histologisch nicht von orthotopem Kno- chen unterscheiden (VANDEN BOSSCHE u. VANDERSTRAETEN 2005). Dabei dif- ferenziert man zwischen der traumatischen, neurogenen und genetisch begründeten HO (GARLAND et al. 1980; MITAL et al. 1987; PUZAS et al. 1989; EKELUND et al.
1991; SHEHAB et al. 2002; VANDEN BOSSCHE u. VANDERSTRAETEN 2005; GAU- TSCHI et al. 2008). Die traumatische HO tritt hauptsächlich nach Muskeltrauma oder Operationen auf und die neurogene heterotope Ossifikation entsteht in der Folge von frischen Verletzungen des zentralen Nervensystems. Dabei liegt die Inzidenz der HO nach traumatischen Rückenmarkverletzungen zwischen 10 bis 53% (WITTENBERG et al. 1992), abhängig vom Studiendesign und dem verwendeten Verfahren zur Diag- nosestellung (GARLAND et al. 1980; RENFREE et al. 1994). Die genetische HO wird auch als Myositis ossificans progressiva (MOP) oder Fibromyositis ossificans progres- siva (FOP) bezeichnet. Unabhängig von der Ätiologie der HO führen ca. 20% der Fälle zu klinisch relevanten Symptomen, welche von Schwellungen bis zu Dekubitalulcera reichen können (GARLAND et al. 1980; GARLAND 1991a; CITTA-PIETROLUNGO et al. 1992; GAUTSCHI et al. 2008). Die HO betrifft hauptsächlich die großen Gelenke wie das Hüft- (GARLAND 1991b; BALBONI et al. 2006) und das Kniegelenk (TOYODA et al. 2003). Damit führt sie bei 10% der Patienten zu einer signifikanten Bewegungs- einschränkung und bei 3-8% zur Ankylose (GARLAND et al. 1989; EULERT et al.
1997). Der reduzierte Bewegungsumfang der Gelenke schränkt die Sitzfähigkeit, Mo- bilität und Selbstständigkeit der Patienten ein. Außerdem ist es den Patienten nicht mehr möglich ihre Gelenke passiv zu bewegen und eine Druckbelastung der Gelenke zu verhindern (AKBAR et al. 2007). Zusammenfassend stellen die heterotopen Ossifi- kationen ein relevantes klinisches Problem im Bereich der Orthopädie und Neurologie dar. Erleiden Patienten neben einer Rückenmarkschädigung gleichzeitig eine Fraktur der langen Röhrenknochen wird eine deutlich gesteigerte Kallusbildung beobachtet (GARLAND 1988; SOBEL u. LYDEN 1991). GARLAND et al. (1988) und VAN DEN
BOSSCHE et al. (2005) bezeichnen die überschießende Kallusbildung bzw. beschleu- nigte Frakturheilung, als eine lokale HO. Es scheint, dass eine Verletzung des zentralen Nervensystems (ZNS) einen Einfluß auf die Knochenformation hat, wobei die zugrundeliegende Pathogenese nicht vollständig bekannt ist (COELHO u.
BERALDO 2009). AKBAR et al. (2007) nehmen jedoch an, dass es sich um eine Ver- änderung der normalen Knochenauf- und Abbauregulierung handelt, bei der humorale, neurale und lokale Faktoren eine Rolle spielen. Trotz einiger Studien, die einen Zu- sammenhang zwischen ZNS-Verletzung und HO untersuchen, existiert derzeit kein standardisiertes Tiermodell, das die Erforschung der Pathogenese der HO erlaubt (KAN et al. 2011). Ohne grundlegendes Wissen kann eine kausale Therapie allerdings nicht entwickelt werden. Das Ziel der vorliegenden Studie war daher die Untersuchung des Einflusses einer Rückenmarkverletzung auf die Knochenbildung im Tiermodell
„Ratte“ anhand eines Frakturmodelles. Bereits ARO et al. (1985) und MIYAMOTO et al. (1987) konnten am Tiermodell Ratte einen Einfluss eines ZNS Traumas auf die Osteoneogenese feststellen. Doch standen zu dieser Zeit nicht die Untersuchungs- möglichkeiten wie heute zur Verfügung und auch geeignete Osteosyntheseverfahren für eine stabile Osteotomieversorgung wie sie heute für ein standardisiertes Modell verwendet werden können, fehlten. Um die Pathogenese der gesteigerten Knochenformation nach Verletzungen des zentralen Nervensystems zu erforschen, sollte geklärt werden, ob ein akutes Rückenmarktrauma einen Einfluss auf die Frakturheilung bei der Ratte hat und auf welche Phase der Knochenheilung dieser einwirkt. Außerdem sollte im Ansatz geklärt werden, ob sich eine Schädigung des ZNS über systemische oder lokale Faktoren auf die Frakturheilung auswirkt.
2 Literatur
2.1 Akutes spinales Trauma
In den westlichen Industriestaaten beträgt die jährliche Inzidenz von akuten traumati- schen Rückenmarkläsionen 10-30 Fälle pro Millionen Einwohner, wobei in Deutsch- land jährlich ca. 1600 Menschen eine Querschnittlähmung erleiden (DIENER u.
PUTZKI 2008). Entsprechend dem Risikoverhalten und der Unfallstatistik sind Männer mit 70% am häufigsten betroffen (ISELI et al. 1999). Ein akutes spinales Trauma (ASCI) tritt als Folge von Schädigungen des Rückenmarks oder der Cauda equina auf, wobei die neurologischen Ausfälle isoliert oder kombiniert motorische, sensible und vegetative Funktionen betreffen. Unterhalb der Rückenmarkläsion kommt es daher zu komplexen klinischen Ausfallsymptomen (DIENER u. PUTZKI 2008). Traumatische Rückenmarkläsionen lassen sich entsprechend der Läsionshöhe in eine Tetra- und eine Paraplegie einteilen (DIENER u. PUTZKI 2008). In Folge einer traumatischen Ur- sache, kommt es bei ca. 45% der betroffenen Patienten zu einer Läsion der Halswir- belsäule (Tetraplegie), während bei ca. 50% die Läsion des Rückenmarks unterhalb von Th3 (Paraplegie) auftritt (ISELI et al. 1999).
Die Einteilung der klinischen Rückenmarksyndrome erfolgt anhand der neurologischen Ausfälle, die von funktioneller und prognostischer Bedeutung sind (ISELI et al. 1999).
Außerdem wird zwischen scharfem und stumpfem Trauma unterschieden. Dabei be- zeichnet ein scharfes Trauma eine Durchtrennung des Rückenmarks (RM) und ein stumpfes Trauma welches überwiegend im klinischen Alltag auftritt, die Kompression des RM (KWON et al. 2002). Die häufige traumatische Verletzung der vorderen zwei Drittel des Rückenmarks geht mit vorwiegenden Ausfällen der Motorik, der Schmerz- und Temperaturwahrnehmung und schlechter Prognose einher (DIENER u. PUTZKI 2008).
Die akute Phase des spinalen Traumas beginnt etwa 30 Min. nach der Verletzung des Rückenmarks. Sie ist gekennzeichnet durch eine verminderte Durchblutung im Bereich der Verletzung, Blutungen und Thrombosen, sowie eine durch erhöhte Gefäßpermea- bilität bedingte Ödembildung. Auch die Axone im beschädigten Gebiet sind von der Ischämie betroffen, weiterhin kommt es zu einem Gliazelltod im Bereich des Primär- schadens (DUSART u. SCHWAB 1994; BARTHOLDI u. SCHWAB 1997), sowie einem Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Blut und Plasmazellproteine dringen zum Rückenmarkgewebe vor, wodurch Mikroglia und Astrozyten aktiviert werden.
Die subakute Phase dauert etwa 2 Tage nach einem Trauma an. Sechs Stunden bis zu zwei Tage nach der Verletzung kommt es zu einer Infiltration von Entzündungszel- len (Neutrophile Granulozyten, Makrophagen, Monozyten) aus der Peripherie. Akti- vierte Mikroglia und Makrophagen sezernieren TNF-α, IL-1, IL-6, IL-10 und TGF-1.
Dies zieht eine weitere Ausschüttung an Zytokinen, Chemokinen und Wachstumsfak- toren nach sich. Narbengewebe bildet sich im Anschluss aus aktivierten Astrozyten und Oligodendrozyten (KLUSMAN u. SCHWAB 1997).
Es folgt die chronische Phase des spinalen Traumas die Wochen bis Jahre dauern kann. Als Ersatz für das verletzte Gewebe, bilden sich mit Liquor gefüllte „Zysten“, umgeben von einer Astroglianarbe. Durch eine stark verlangsamte Entfernung des degenerierten Gewebes durch Makrophagen (GEORGE u. GRIFFIN 1994), kommt es zu einer Unterdrückung der Regeneration des Nervengewebes.
Die häufigsten Komplikationen bei akuten Rückenmarkschädigungen sind Blasen- und Niereninfektionen infolge von Blasenentleerungsstörungen, gefolgt von Dekubiti, au- tonomer Dysreflexie (SCHURCH 2001a), posttraumatischer Syringomyelie, spasti- schem Muskeltonus und schmerzhaften Gelenkkontrakturen.
2.1.1 Behandlung
Eine Therapie sollte gerade bei traumatischen Rückenmarkverletzungen möglichst früh stattfinden, um Sekundärschäden durch das Trauma zu vermeiden. So kann zur Behandlung des spinalen Schocks die Gabe von Methylprednisolon (KWON et al.
2004) in hoher Dosierung angewendet werden. Der Wirkmechanismus der Glukokor- tikoide bei einer traumatischen Rückenmarkverletzung besteht dabei hauptsächlich in der entzündungshemmenden Wirkung, wobei sich diese auch in einer Reduzierung spinaler Ödeme auswirkt (DUCKER u. ZEIDMAN 1994). YOUNG et al. (2000) be- schreiben außerdem eine Inhibition sowohl der Lipidperoxidation, als auch von Ent- zündungszytokinen, eine Veränderung von Immunzellen, eine verbesserte Gefäßper- fusion, sowie eine Verhinderung des Kalziumeinstromes und der Kalziumakkumulation in den Zellen. In Fällen mit einer schweren Rückenmarkverletzungmuss ggf. eine De- kompression des Rückenmarkes (Laminektomie, Hemilaminektomie) und eine chirur- gische Stabilisierung der Wirbelsäule mit einem Fixateur interne oder Platten durchge- führt werden.
Neben der medikamentösen Therapie sind physio- und ergotherapeutische passive und aktive Übungsbehandlungen wichtige Maßnahmen zur Erhaltung und Verbesse- rung der verbliebenen motorischen Aktivität (DIENER u. PUTZKI 2008).
2.1.2 Tiermodelle des akuten spinalen Traumas
Um die Folgen eines Rückenmarktraumas zu untersuchen, wurden verschiedene Tier- modelle - wie beispielsweise die Ratte und die Maus - verwendet (JAKEMAN et al.
2000; VANICKÝ et al. 2001). Um ein stumpfes oder scharfes Rückenmarktrauma nachzuahmen existieren verschiedene Methoden, die im Folgenden beschrieben wer- den.
2.1.2.1 Stumpfes Rückenmarktrauma
Die Modelle eines stumpfen Traumas ermöglichen es, den akuten pathophysiologi- schen Prozess genau zu analysieren, eignen sich aber nicht dazu, die Axonregenera- tion zu untersuchen, da einige der Axone erhalten bleiben (KWON et al. 2004). Da es bei 49% der Patienten mit Rückenmarktrauma zu einer Kontusion des Rückenmarks ohne eine Fraktur der umgebenden knöchernen Strukturen und ohne eine Verletzung der Dura mater kommt (NORENBERG et al. 2004), spiegeln die Modelle eines stump- fen Traumas die klinische Situation der akuten Rückenmarkverletzung beim Menschen am besten wider (KWON et al. 2002; KWON et al. 2004). Für ein stumpfes Trauma stehen zwei Impaktor Modelle, die Kompression mit einer Klemme oder die Methode der Kontusion des Rückenmarks über einen Ballonkatheter zur Verfügung.
2.1.2.1.1 Impaktor New York University (NYU)
Bei der Verwedung des Impaktors der New York University (NYU) fällt nach einer La- minektomie ein Stab mit einem Gewicht von 10g aus einer definierten Höhe auf das freigelegte Rückenmark (GRUNER 1992). Dabei ist eine genaue Messung der Impak- tionsgeschwindigkeit des Stabs, der Distanz der Rückenmarkkompression, die Rü- ckenmark Kompressionsrate und die dynamischen Kräfte, die sich auf das Rücken- mark auswirken, möglich (BASSO et al. 1996; KWON et al. 2002). Laut KWON et al.
(2002) ist die Methode mit dem NYU Impaktor lediglich reproduzierbar und standardi- sierbar solange ein bestimmer Rattenstamm verwendet wird, die Tiere ein bestimmtes Alter haben, eine standardisierte Anästhesie angewendet und die Impaktion 60 (±1) Minuten nach der Verabreichung der Anästhesie durchgeführt wird.
2.1.2.1.2 Impaktor Ohio State University
Der Impaktor der Ohio State University (OSU), der 1987 entwickelt wurde (BRES- NAHAN et al. 1987), ist eine Art Weiterentwicklung des NYU Impaktors. Die Impaktion nach Laminektomie entsteht durch das Eindrücken eines Metallstabs auf das Rücken-
mark und wird elektromechanisch durch einen Computer gesteuert. Bei diesen Impak- toren besteht die Möglichkeit die Kontusionsdauer, Eindringtiefe und Geschwindigkeit je nach Versuchsaufbau variabel einzustellen (YOUNG 2002). Bei der Verwendung eines OSU Impaktors werden die Impaktionskräfte nicht mehr durch ein Nachgeben des Rückenmarks und des Wirbelkanals abgefangen, wie beim NYU Impaktor, son- dern die Kraft wirkt sich unmittelbar auf das Rückenmark aus (KWON et al. 2002).
2.1.2.1.3 Kompression mit einer modifizierten Aneurysmaklemme
Eine weitere Möglichkeit ein stumpfes Trauma des Rückenmarks zu verursachen, ist die Kompression zwischen einer modifizierten Aneurysmaklemme, wodurch eine Is- chämie des Rückenmarks verursacht wird (MILLS et al. 2001). Diese Methode wurde erstmals von RIVLIN und TATOR (1978) beschrieben und ermöglicht die variable Ein- stellung der Verschlusskräfte und der Kompressionsdauer, wodurch eine graduelle neurologische Schädigung ermöglicht wird. Lässt man die Klemme mit einer Kraft von 53g für eine Minute auf das Rückenmark einwirken, sind die neurologischen Defizite nach sechs Wochen auf der Basso-Beattie-Brashnahan-(BBB) Skala (Tab. 3), einer Methode zur Beurteilung von neurologischen Schäden nach Rückemarktrauma, noch mit 8,5 Punkten zu bewerten (SCHWARTZ u. FEHLINGS 2001).
2.1.2.1.4 Kontusion mit einem aufblasbaren Ballon
Eine Kontusion des Rückenmarks mit einem extraduralen aufblasbaren Ballon wurde das erste Mal 1953 von TARLOV et al. an einem Hund beschrieben. Ähnliche Kontu- sionsversuche folgten 1973 an Affen (TATOR u. DEECKE 1973) und Katzen (MARTIN u. BLOEDEL 1973), 1976 an Frettchen (EIDELBERG et al. 1976) und 1983 an Ratten (KHAN u. GRIEBEL 1983). Mit diesem Verfahren ist es möglich eine abgestufte Schä- digung der Medulla spinalis zu erreichen, da Füllungsgrad und Kontusionsdauer vari- abel bestimmt werden können. VANICKY et al. (2001) füllten einen Thrombolektomie- Katheter mit NaCl-Lösung und beschreiben, dass eine Füllung mit 20µl für 20 Minuten ausreicht, um bei Ratten eine andauernde Paraplegie hervorzurufen.
2.1.2.2 Scharfes Rückenmarktrauma
Um eine axonale Regeneration genauer untersuchen zu können eignen sich Modelle, bei denen das Rückenmark partiell oder vollständig durchtrennt wird (ARO et al. 1985;
MILLS et al. 2001; KWON et al. 2004). Damit kann beispielsweise die Effektivität einer Behandlung, in der die axonale und funktionale Regeneration von Interesse ist analy- siert werden (KWON et al. 2004). Ein scharfes Trauma wird durch das teilweise oder
vollständige Durchtrennen der Medulla spinalis z.B. mit einer scharfen Mikroschere oder einem scharfen Draht erreicht (GRILL et al. 1997; KWON et al. 2002; STEWARD et al. 2008).
2.1.2.3 Quantifizierung und/oder Qualifizierung der neurologischen Schäden nach Rückenmarktrauma
Es existieren mehrere Methoden für die Einstufung neurologischer Schäden und zur Beurteilung der Regeneration des Rückenmarks nach Trauma, wie z. B. die Fußab- druck Methode (DE MEDINACELI et al. 1982), der Grid walk Test (CROUSE et al.
1987; KUNKEL-BAGDEN et al. 1993), oder auch der BBB Score (VANICKÝ et al.
2001).
Bei allen verwendeten Methoden sollte bedacht werden, dass die Regeneration des Rückenmarks bei Tieren und gerade bei der Ratte deutlich besser ist als beim Men- schen. So muss davon ausgegangen werden, dass sich bei Menschen die neuronalen Strukturen des Rückenmarks in den meisten Fällen nicht mehr von einem kompletten Rückenmarktrauma erholen werden und eine funktionelle oder sensible Funktion der gelähmten Gliedmaßen nie wieder erlangt werden kann. Ratten dagegen zeigen be- reits frühzeitig ein Aussprossen von beschädigten Axonen ohne eine Narbenbildung, wie sie beim Menschen zu beobachten ist (SCHWAB 2002).
2.1.2.3.1 Basso-Beattie-Brashnahan (BBB) Score
Seit seiner Einführung von Basso, Beattie und Breshnahan im Jahre 1995 ist der BBB- Score (BASSO et al. 1996) nach KOOPMANNS et al. (2005) die am häufigsten ver- wendete Methode, um die neurologischen Schäden eines Rückenmarktraumas und dessen Regeneration zu beurteilen (VANICKÝ et al. 2001; FIELD-FOTE 2003; WEDE- KIND et al. 2006).
Zur Erfassung des BBB-Scores lässt man das Tier durch einen durchsichtigen Gang laufen. Dabei wird die Beweglichkeit der einzelnen Gelenke der Vorder- und Hinter- gliedmaße, auf einer Skala von 0 bis 21 Punkten bewertet. Null Punkte werden verge- ben, sofern keine Bewegung an keinem der Gelenke der untersuchten Gliedmaße fest- gestellt werden und 21 Punkte, wenn alle Gelenke der Gliedmaßen eine physiologi- sche Bewegung aufweisen. Dieser Test ist geeignet, um einzelne oder auch mehrere Gliedmaße zu analysieren. Die Qualifizierung der neurologischen Ausfallerscheinun- gen nach Kompression des Rückenmarks mit einem Ballon, wurde bei VANICKY et al.
(2001) mit dem BBB-Score durchgeführt und sie wiesen nach, dass der Grad der
histologisch untersuchten zellulären Schädigung der Medulla spinalis mit der erreich- ten Punktzahl des BBB-Scores in Zusammenhang gebracht werden kann (Tab. 3).
2.1.2.3.2 Grid walk Test
Für den sogenannten „Grid walk” (Gitter-Gang) werden die Tiere in einen speziell ge- fertigten Gang verbracht, in dem Stäbe angebracht sind, über die die Tiere laufen müs- sen (COLLE et al. 1986; BARTH et al. 1990; KUNKEL-BAGDEN et al. 1993). Um sich in einem Grid Walk fortbewegen zu können, müssen die Tiere einen gewissen Grad an motorischen Fähigkeiten aufweisen (METZ et al. 2000). Daher ist er nicht geeignet um vollständig paraplegische Tiere zu beurteilen. Zur Einstufung der motorischen Aus- fallerscheinungen werden die Durchtritte zwischen die Stäbe mit den Hinterbeinen ge- zählt und das Ergebniss vor und nach der Operation verglichen (KARIMI-ABDOL- REZAEE et al. 2006).
2.1.2.3.3 Pfotenabdruck Methode
Die Beurteilung der Pfotenabdrücke als Verfahren zur Bewertung motorischer Störun- gen nach RM Schädigung, wurde bereits 1982 von DE MEDINACELI et al. angewen- det. Hierfür werden die Pfoten der Ratten in Farbe getaucht, wobei die Vorderpfoten eine andere Farbe bekommen als die Hinterpfoten. Die Tiere laufen über eine Papier- bahn, auf denen die Fußabdrücke hinterlassen werden. Die Stellung der Füße zuei- nander und die Art, wie die Pfoten aufgesetzt werden, können mit dieser Methode be- urteilt werden. Sie ist aber nicht dazu geeignet, die Bewegung der einzelnen Gelenke zu beurteilen.
2.2 Knochenheilung
Es gibt zwei Formen der Knochenheilung nach Fraktur oder Osteotomie, die von der Adaption der Frakturenden und deren Fixation beeinflusst werden: Die primäre und die sekundäre Heilung (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006).
2.2.1 Primäre Knochenheilung
Zur primären oder direkten Knochenheilung kommt es, wenn die Bruchenden nach der Fraktur korrekt adaptiert werden und kaum gegeneinander beweglich sind. Dies ist unter anderem nach chirurgischer Versorgung mittels verschiedener Osteosynthese- techniken und einer Kompression der Frakturenden der Fall (SIEWERT u. ALLGÖ- WER 2006). Bei der primären Frakturheilung bildet sich kein makroskopisch sichtbarer
Kallus (SIKAVITSAS et al. 2001). Die Substantia spongiosa (Knochenbälkchen) wächst durch Anlagerung von neugebildetem Knochengewebe zusammen (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Dieses Knochengewebe wird durch Aktivierung der Osteoblas- ten des Endosts gebildet. Im Bereich der Markhöhle langer Röhrenknochen bildet sich meist ein innerer Knochenkallus, der aus Spongiosa gebildet wird. Die Osteone der Substantia compacta der beiden Frakturenden können bei sehr guter Adaption (<1mm) von beiden Knochenenden aufeinander zuwachsen und sich direkt verzapfen und wieder fusionieren (FEHR 2004; SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Das neu ent- standene Knochengewebe aus Geflechtknochen (JUNQUEIRA 2002) hat zunächst eine geringere mechanische Belastbarkeit. Dieser Knochen wird etwa ab der achten Woche durch Osteoklasten wieder abgebaut und im Remodeling-Prozess durch stabi- les Knochengewebe, in Form von Lamellenknochen, ersetzt (JUNQUEIRA 2002). Die Dauer der Frakturheilung unterscheidet sich nicht von der Dauer bei der sekundären Frakturheilung (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006).
2.2.2 Sekundäre Knochenheilung
Die sekundäre (indirekte) Frakturheilung verläuft in verschiedenen Phasen, die zum Teil auch parallel ablaufen (WILDEMANN 2005).
In der ersten Phase tritt Blut aus den Bruchenden und es kommt zu einem Frakturhä- matom (MARSH u. LI 1999; GERSTENFELD et al. 2007). Diesem folgt die Phase der Entzündung, mit einer Dauer von bis zu vier Wochen, und der lokalen Infiltration von Mastzellen, Granulozyten und Monozyten, sowie pluripotenten mesenchymalen Kno- chenmarkstammzellen (MSC), die unter anderem die Vorläufer der Osteoblasten dar- stellen (MARSH u. LI 1999; LIEBICH 1999). Die hämatopoetischen Zellen sekretieren Zytokine und Wachstumsfaktoren (MARSH u. LI 1999), was wiederum entscheidend ist für die Angiogenese und die Zellinfiltration, sowie die Differenzierung von MSCs und Osteoprogenitorzellen (MARSH u. LI 1999; MORLEY et al. 2005). In der dritten bis achten Woche schließt sich die sogenannte Granulationsphase an, die von der Bildung eines weichen Bindegewebes gekennzeichnet ist. Lokal wirksame Wachs- tumsfaktoren, wie TGF-β, IGF-1 und BMPs steuern den Aufbau und auch der Kalzium- , Parathormon- und Vitamin D-Stoffwechsel wirkt an der Regeneration mit (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Kollagen Typ I wird in gesteigertem Maße von Fibroblasten und Osteoblasten gebildet (MARSH u. LI 1999; SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Durch diese Prozesse werden die Bruchenden elastisch verbunden und die Beweglichkeit eingeschränkt. Chondroblasten wandern ein und führen zur Bildung von Faserknorpel
(MARSH u. LI 1999; WANNER u. TRENTZ 2008). Dieser wird durch aktivierte Osteo- blasten verknöchert (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Es bildet sich eine periostale und endostale bindegewebige Kallusmanschette, die in ihren Anfängen als Reizkallus bezeichnet wird (SIEWERT U. ALLGÖWER 2006). Sie ist dicker, als der gesunde Kno- chen, weist aber eine geringere mechanische Stabilität auf. Der Aufbau von neuem Knochengewebe durch Osteoblasten und der Abbau von nekrotischem Knochenge- webe werden durch Makrophagen gesteigert. Diese bewirken auch eine Ausschüttung von Matrixproteinen, wie Osteokalzin und Osteogenin (BMP-3), welches die Alkalische Phosphatase (AP) und Kollagensynthese stimuliert (STEVENSON et al. 1994). Der Kallus wird sukzessive abgebaut und durch entsprechend der Trajektorien ausgerich- tetes Knochengewebe ersetzt (MARSH u. LI 1999; SIEWERT u. ALLGÖWER 2006).
Der so gebildete Kallus wird nach sechs Wochen bis vier Monaten fester. Die Grundsubstanz mineralisiert in zunehmendem Maße. Es bildet sich Geflechtknochen (MARSH u. LI 1999), der sich in Richtung der Belastungsachse orientiert. Die physio- logische Steifigkeit wird am Ende dieser Phase nach vier Monaten erreicht. Die letzte Phase (vier bis 24 Monate), Remodellingphase genannt, schließt den Umbau von Ge- flechtknochen in lamellären Knochen mit ein. Der Kallus ist in dieser Phase bereits abgebaut worden. Ein durchgehender Markraum wird gebildet und die ursprüngliche Knochenstruktur mit Haverschem- und Volkmankanalsystem wird wiederhergestellt (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006; GERSTENFELD et al. 2007; WANNER u. TRENTZ 2008). Je nach Ausmaß und Lokalisation der Fraktur kann die vollständige Kno- chenausheilung beim Menschen je nach Alter, Geschlecht und Gesundheitszustand bis zu 24 Monate dauern (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Bei Ratten durchläuft die Knochenheilung dieselben Stadien wie beim Menschen, nur sind die Zeiträume deut- lich kürzer (WILDEMANN 19.04.2005). So beschreiben GARCIA et al. (2013), dass die Knochenheilung bei Ratten an langen Röhrenknochen in 4 bis 5 Wochen und beim Menschen nach etwa 8 Wochen abgeschlossen ist. Allerdings weisen GARCIA et al.
(2013) auch darauf hin, dass die Stadien des „Remodelling“ im Knochenheilungspro- zess bei der Ratte nicht hinreichend definiert sind und daher nicht in die gleichen Sta- dien wie beim Menschen eingeteilt und verglichen werden können. Dennoch sind bei Menschen und Ratten zwei bis drei Phasen in der Knochenheilung beschrieben. Bei Ratten kommt es in der ersten Phase zu einem Anstieg in der Festigkeit des gebildeten Kallus. Dem folgt eine kurze Zeitspanne mit einem großen Anstieg der Kallusfestigkeit durch einen schnellen Mineralisierungsprozess innerhalb des Kallus und zuletzt wird ein Plateu erreicht (CHAKKALAKAL et al. 1999). Bei Menschen wird die Festigkeit in der ersten Phase davon bestimmt wie die relativen Anteile an hartem und weichem
Reparaturgewebe im Kallus sind und wie sie im Kallus verteilt sind. Der Anteil des harten Gewebes ist bestimmt durch lamellären und trabekulären Knochen und das weiche Gewebe durch unmineralisiertes Osteoid und Knorpelgewebe (GARCIA et al.
2013). PADHRAIG et al. (2008) verweisen auf WRAY und LYNCH (1959) die bei der Ratte eine normale Knochenheilungsrate von vier bis fünf Wochen beschreiben und angeben, dass die Knochenheilung dort fast ausschließlich durch externen periostalen Kallus stattfindet, mit nur einem geringen Anteil an medullärem Kallus. Nach CHAK- KALAKAL et al. (1999) wird die Knochenheilung bei der Ratte dominiert von einer en- chondralen Knochenbildung, wohingegen beim Menschen die vorrangig von Osteo- blasten gesteigerte Ossifikation zu einer direkten Bildung von Knochen führt (ent- spricht der intramembranösen Ossifikation) und die vorranig von Chondroblasten ge- steuerte Knochenbildung durch enchondrale Ossifikation gekennzeichnet ist. In der normalen Frakturheilung beim Menschen finden beide Prozesse nebeneinander statt (O'LOUGHLIN 2008). Sowohl lokale als auch systemische Faktoren beeinflussen die Frakturheilung. Als systemische Faktoren stufen BRINKER et al. (2000) das Alter, Hor- mone, die Nervenfunktion, Ernährung, allgemeiner Gesundheitszustand, Medika- mente und Rauchen ein. Auch beim Nager haben Alter, Geschlecht, Stamm und Os- teosyntheseverfahren einen Einfluss auf die Knochenheilungsrate (LU et al. 2008;
MANIGRASSO u. O’CONNOR 2008; HISTING et al. 2010; MEHTA et al. 2011). Das Ausmaß und die Schwere der Verletzung, sowie Infektionen beeinflussen zusätzlich lokal die Knochenheilung (FOSSUM 2002; NIETHARD et al. 2005; MILLER u. BRIN- KER 2000).
2.2.3 Knochenheilung bei neuronaler Schädigung
In der Literatur finden sich klinische Berichte, die eine gesteigerte Frakturheilung bei Patienten mit neurologischer Schädigung beschreiben (NEWMAN et al. 1987; KHARE et al. 1995; PAPE et al. 2001; GIANNOUDIS et al. 2006; ANDERMAHR et al. 2006).
Unklar ist, ob es sich bei der gesteigerten Kallusbildung um eine beschleunigte Frak- turheilung oder um eine lokale neurogene Heterotope Ossifikation (HO) handelt (SPENCER 1987; KUSHWAHA u. GARLAND 1998). KHARE et al. (1995) vermuten, dass das verletzte Nervengewebe über einen unbekannten Mechanismus einen Mangel an Kortikosteroiden und anderen Entzündungshemmern verursacht und dieser Mangel einen stimulierenden Effekt auf die Knochenbildung ausübt. VANDEN
BOSSCHE und VANDEN STRAETEN (2005). stellen die These auf, dass einer über- schießenden Kallusbildung bei der Frakturheilung dieselben Ursachen zugrunde lie- gen wie der HO, weshalb sich Frakturmodelle in Kombination mit einer ZNS-Läsion dazu eignen, die Pathogenese der HO zu untersuchen. Außerdem beschreiben sie dass eine HO histologisch nicht von einer Kallusbildung bei Frakturheilung zu unter- scheiden ist (VANDEN BOSSCHE u. VANDERSTRAETEN 2005).
2.2.3.1 Knochenheilung nach ASCI
In der zugängliche Literatur gibt es nur eine Untersuchung von SOBEL et al. (1991), die in einer klinischen Studie die Frakturheilung nach ASCI untersucht.
Daneben existieren nur zwei tierexperimentelle Untersuchungen zur Frakturheilung nach ASCI. ARO et al. (1985) untersuchten die Frakturheilung bei Paraplegie an Wistar Ratten. Beidseitig wurden Tibiafrakturen angelegt und intramedullär stabilisiert.
Bei knapp einem Drittel der Tiere erfolgte unmittelbar zuvor eine Transsektion des Rückenmarks in Höhe der Lendenregion. Bei einem weiteren Drittel wurde anstelle der Rückenmarkdurchtrennung die Hüfte disloziert, um eine Gewichtsbelastung der Hinterbeine zu verhindern. Als Kontrolle mit Gewichtsbelastung diente das verbliebene Drittel der Tiere. Der entstandene Kallus zeigte zu den verschiedenen untersuchten Zeitpunkten (sieben, neun, 15 und 28 Tage nach der Operation) keinen Unterschied zwischen den Gruppen. Die Gruppe mit Paraplegie zeigte jedoch signifikant weniger fibröses Gewebe als die Kontrollgrupe. Obwohl keine Unterschiede im absoluten Gehalt an neu gebildetem Kallus festgestellt wurden, entwickelte sich der relative Gehalt an neu gebildetem Kallus schneller in der Gruppe mit Paraplegie als bei der Kontrollgruppe. Hinweise auf den zugrundliegenden Pathomechanismus wurden nicht genannt.
MIYAMOTO (1987) berichtet von frühzeitiger Knochenheilung am Femur bei paraplegischen Ratten, ohne den Grund dafür nachweisen zu können.
Weitere experimentelle Studien zur Frakturheilung nach Paraplegie sind in der zugänglichen Literatur nicht zu finden.
2.2.4 Knochendefektmodelle an langen Röhrenknochen
Im folgenden Abschnitt werden Knochendefektmodelle anhand von Ostektomien, Os- teotomien und Frakturen beschrieben.
2.2.4.1 Osteotomie und Ostektomie
Die Osteotomie ist definiert als Durchtrennung des Knochens mittels Meißel oder Säge, oft ohne ein Knochenstück zu entnehmen (PSCHYREMBEL 2002). An diesem Modell kann die Knochenheilung mit unterschiedlichen Fragestellungen untersucht werden. So verwenden FASSBENDER et al. (2011) eine Osteotomie an der Tibia, um durch die Inhibierung der Angiogenese eine atrophe Pseudarthrose zu schaffen. Die Osteotomie kann ebenfalls angewendet werden, um Vorgänge während der physiolo- gischen Frakturheilung zu untersuchen (HADJIARGYROU et al. 2000; WILDEMANN 19.04.2005; NYMAN et al. 2009; GARCIA et al. 2013).
Bei einer Ostektomie wird der Knochen auch durchtrennt aber es wird ein definiertes Knochenstück entnommen. Durch die Anwendung einer Ostektomie im Tierexperi- ment ist es möglich, einen festgelegten Knochenspalt zu schaffen um z.B. die osteo- gene Wirkung von Wachstumsfaktoren, wie BMP-2 oder GDF-5, in einem nicht von allein heilenden Knochendefekt (critical size defect, CSD) zu untersuchen (ZHAO et al. 2009; KASTEN et al. 2010). Auch kann daran der Pathomechanismus und die The- rapie von Pseudarthrosen und großen Knochendefekten analysiert werden (O'LOUG- HLIN 2008; SCHOEN et al. 2008; GARCIA et al. 2013). Sowohl die Osteotomie als auch die Ostektomie eignen sich als Model um verzögerte Knochenheilung zu unter- suchen, da sie besser standardisierbar sind als Frakturmodelle (GARCIA et al. 2013).
2.2.4.2 Fraktur
Bei einer Fraktur handelt es sich um die Kontinuitätsunterbrechung eines Knochens durch direkte und indirekte Gewalteinwirkung, sowie wiederholte Einwirkung von Mikrotraumen. Im Tierexperiment angewendet ist die Fraktur in geringem Maße stan- dardisierbar. So beschreiben O´LOUGHLIN et al. (2008) dass, die von Bonnarens und Einhorn 1984 eingeführte Methode der Frakturierung durch eine Guillotine am Nager, reproduzierbare endochondrale Ossifikationen bewirkt. Dem stellen GARCIA et al.
(2013) entgegen, dass eine Fraktur in Ratten und Mäusen nicht standardisierbar ist.
Die Verwendung eines Frakturmodelles im Tierexperiment hat eine große Ähnlichkeit mit der klinischen Situation. Für eine gute Frakturversorgung kann allerdings nicht im- mer die gleiche Fixierungsmethode gewählt werden. Außerdem entsteht dabei kein Frakturspalt, sondern einzelne Frakturstücke.
2.2.5 Osteosyntheseverfahren bei Defektmodellen
Zur Fixation von Knochendefekten können im Tiermodell der Ratte verschiedene Ver- fahren verwendet werden. Dazu zählen die Plattenosteosynthese (OHURA et al. 1999;
CHEN et al. 2003; DROSSE et al. 2008; SCHOEN et al. 2008), intramedulläre Schienung mit einem Marknagel (SCHOEN et al. 2008) oder Kirschner Draht (HADJI- ARGYROU et al. 2000; UTVÅG et al. 2001; WILDEMANN 19.04.2005) und die externe Fixierungsmethode (DROSSE et al. 2008; SIGURDSEN et al. 2009; ZHAO et al. 2009;
WILLIE et al. 2009). Bei der Plattenosteosynthese (Abb. 1) wird die Osteosynthese- platte auf dem Knochen mit Schrauben fixiert und die Ostektomie nach Anbringen der Platte durchgeführt. Diese Form der Fixation bietet eine gute Stabilität gegenüber Bie- gung und Rotation und ist deshalb für Studien über die Knochenheilung nach De- fektostektomie geeignet (DROSSE et al. 2008; CLAES 2011). Außerdem wird damit ermöglicht, die Größe des geschaffenen Knochendefektes über die Dauer des Versu- ches aufrecht zu erhalten und ein zusammenschieben der Knochenenden zu verhin- dern (DROSSE et al. 2008).
Abb. 1: Osteosyntheseplatte für die Stabilisierung eines Femur mit einem CSD von 6mm bei der Ratte. A: Titanplatte als Osteosyntheseplatte für den Femur. B: Röntgenbild (a/p) der am linken Femur
angebrachten Platte (DROSSE et al. 2008; Mit freundlicher genehmigung des Verlages)
Eine weitere Fixationsmöglichkeit ist die Marknagelung, bei der der Knochen mit einem intramedullären Nagel geschient wird (Abb. 2). Dieser verklemmt sich mit der Kortikalis und führt so zu einer guten Belastungsfähigkeit des Knochens (SIEWERT u. ALLGÖ- WER 2006). Die Verwendung eines intramedullären Nagels am Femur und der Tibia ist im tierexperimentellen Bereich zur Untersuchung der Frakturheilung, auch bei Ostektomien, ein verbreitetes Verfahren (ARO 1985; BOES et al. 2006; GERSTEN- FELD et al. 2007; SCHOEN et al. 2008). Dabei wird der Knochendefekt erst nach Ein- bringen des Marknagels geschaffen. Eine Verriegelung zur Vermeidung der Rotation ist allerdings in tierexperimentellen Studien bei kleinen Versuchstieren aufgrund der geringen Größe technisch schwer durchführbar (JÄGER et al. 2005; SCHOEN et al.
2008).
Abb. 2: Marknagelung, Röntgenbild im mediolateralen Strahlengang. Marknagel in einem CSD im Femur einer Ratte (SCHOEN et al. 2008; Mit freundlicher Genehmigung des Verlages)
Auch der Fixateur externe wird zur Stabilisierung von Defektosteotomien im Tierexpe- riment verwendet. (JÄGER et al. 2005; DROSSE et al. 2008). Es werden hierfür min- destens zwei Kirschnerbohrdrähte pro Frakturende im möglichst rechten Winkel zum Knochen durch die Haut in die Knochen eingebracht und wieder nach außen geführt.
Dort werden die Pins durch eine parallel zum Knochen verlaufende Metallstange oder eine aushärtende Plastikmasse (z.B. PMMA) (JÄGER et al. 2005) miteinander verbun- den und so in ihrer Position stabilisiert (Abb. 3). Bei diesem Verfahren ist es möglich die Ostektomie vor oder nach dem Einsetzen der Pins in den Knochen durchzuführen (LUCKE et al. 2003b; LUCKE et al. 2003a; JÄGER et al. 2005; DROSSE et al. 2008;
SIGURDSEN et al. 2009; WILLIE et al. 2009). Dieses Defektmodell wird eingesetzt um z.B. die Knochenheilung mit und ohne das Einbringen von Wachstumsfaktoren in den Ostektomiespalt zu untersuchen (STRUBE et al. 2008; OSZWALD et al. 2009; GLATT et al. 2009; CLAES 2011).
Abb. 3: Fixateur externe. A: Röntgenbild a/p, Fixateur externe in einem Rattenfemur mit PMMA gefüll- ter Plastikröhre als Stabilisierung. B: Fixateur externe aus Metall nach Wundverschluss. (JÄGER et al.
2005; Mit freundlicher Veranlassung von Herrn Prof. Dr. Jäger, Essen)
2.3 Heterotope Ossifikation
Knochenneubildungen an Stellen im Körper, wo physiologisch kein Knochen entsteht, werden in der Literatur unterschiedlich benannt. So wird eine umschriebene Metapla- sie und Verknöcherung der Muskulatur infolge pathologischer Kalkeinlagerungen nicht tumorösen Ursprungs als Myositis ossificans (MO) bezeichnet (MARTIN u. SE- NANAYAKE 2011). Eine weitere Form solcher Knochenbildungen ist die Fibromyositis ossificans progressiva (FOP) oder auch Myositis ossificans progressiva (MOP), wel- che aufgrund eines autosomal dominanten Erbgangs (KAPLAN et al. 1993; de LA PEÑA et al. 2005) entsteht und zu einer Verknöcherung der Muskulatur während der Wachstumsphase führt (DE LA PEÑA et al. 2005; HAMILTON et al. 2008).
Heterotope Ossifikationen (HO) bezeichnen eine gutartige Neubildung von knochen- ähnlichem Gewebe, die im Weichteilgewebe (z.B. Gelenkkapsel, Bindegewebe, Seh- nengewebe, Muskel) entsteht (VANDEN BOSSCHE u. VANDERSTRAETEN 2005).
Histologisch unterscheidet sich dieses Gewebe nicht von orthotopem Knochen, also Knochen an seiner normalen/natürlichen Lokalisation (VANDEN BOSSCHE u. VAN- DERSTRAETEN 2005). GOLDBERG beschrieb erstmals 1877 eine solche Knochen- bildung als Folge einer Rückenmarksverletzung bei zwei paraplegisch gelähmten Pa- tienten (EULERT et al. 1997). Diese Knochenbildungen als Folge von frischen Verlet- zungen des zentralen Nervensystems (ZNS) wurden von DEJERINE et al. als „neu- rogene heterotope Ossifikationen“ (NHO) bezeichnet (DEJERINE 1918). Neben der HO und der MO treten noch weitere Kalzifikationen im Weichteilgewebe mit ähnlichen klinischen Symptomen, wie Schmerzen, Ulzerationen, Versteifung von Gelenken und
Entzündungszeichen auf, die eine erste Abgrenzung zueinander erschweren (GAR- LAND et al. 1980; GARLAND 1991b; EULERT et al. 1997). In dieser Arbeit wird aus- schließlich der Begriff HO angewandt und bezeichnet gutartige Knochenneubildungen im Weichteilgewebe als Folge eines ZNS-Traumas.
2.3.1 Ätiologie und Epidemiologie der heterotophen Ossifikation
In der Klinik kommen als Auslöser der HO Trauma, Operationen, neurologische und genetische Erkrankungen in Frage (GARLAND et al. 1980; MITAL et al. 1987; PUZAS et al. 1989; EKELUND et al. 1991; SHEHAB et al. 2002; VANDEN BOSSCHE u. VAN- DERSTRAETEN 2005; GAUTSCHI et al. 2008).
Eine neurogene HO wird beim Menschen sowohl im Rahmen einer akuten Rücken- markverletzung (Acute Spinal Cord Injury, ASCI), als auch nach Schädel-Hirn-Trauma (SHT) beschrieben. Sie entsteht innerhalb von ein bis sechs Monaten nach dem Trauma (GARLAND u. ORWIN 1989; BRAVO-PAYNO et al. 1992). Bei traumatischen Rückenmarkverletzungen beträgt die Inzidenz für eine HO 10-53% (GARLAND 1991a;
WITTENBERG et al. 1992). Dabei bilden Jugendliche und Erwachsene das größte Patientenkollektiv (VAN KUIJK et al. 2002) und drei bis zehn Prozent der Patienten sind Kinder (GARLAND u. ORWIN 1989; KLUGER et al. 2000). Eine geschlechtsspe- zifische Häufung der HO konnte nicht festgestellt werden (KNUDSEN et al. 1982). Be- sonders die großen Gelenke sind von der neurogenen HO betroffen, wobei dass Hüft- gelenk nach einer akuten Rückenmarksverletzung (ASCI) mit 70-97% die häufigste Lokalisation darstellt (WITTENBERG et al. 1992), gefolgt von Ellbogen-, Schulter- und Kniegelenk. Auch die HO nach einem SHT tritt am häufigsten am Hüftgelenk auf (GAR- LAND et al. 1980; RENFREE et al. 1994; VAN KUIJK et al. 2002). Bei weniger als fünf Prozent der Patienten führt die HO zu einer deutlichen Einschränkung der Gelenkbe- weglichkeit (KNUDSEN et al. 1982; WITTENBERG et al. 1992).
Bei einem Muskeltrauma spielen Frakturen, Dislokationen, Operationen, besonders nach einer totalen Hüft-Arthroplastie (SCHARA u. HERMAN 2001; NEAL et al. 2002) oder aber auch schwere Verbrennungen des gesamten Körpers (SIEMERS et al.
2007) eine Rolle.
2.3.2 Pathogenese
Die Pathogenese der neurogenen HO ist, wie auch die der traumatischen und nicht traumatischen Form nicht grundlegend geklärt (COELHO u. BERALDO 2009). Indu- zierende Faktoren, wie der bFGF, BMPs oder andere Wachstumsfaktoren, können
über vaskuläre Wege, d.h. über eine humorale Vermittlung, zum Ort der HO gelangen und sind somit systemisch z.B. im Blut nachweisbar wie z.B. TGF-ß (PAPE et al. 2004;
QUINLAN et al. 2006). Andererseits werden auch lokale Faktoren (z.B. eine pH-Wert Änderung) diskutiert die einen Reiz bewirken der MSC´s anlockt und ihre Differenzie- rung zu Osteoblasten bewirkt bzw. die Ablagerung von Kalzium als Entstehungspunkt der HO (NEWMAN et al. 1987; KEENAN u. HAIDER 1996; PAPE et al. 2004) induziert.
2.3.2.1 Pathogenese der neurogenen heterotopen Ossifikation
Die in Tabelle 1 dargestellten lokalen und systemischen Faktoren könnten bei der neurogenen HO aufgrund der Verletzungen der Nervenstrukturen des ZNS nach RM- Trauma freigesetzt werden. In diesem Zusammenhang werden z. B. der Nerven- wachstumsfaktor Nerve Growth Factor (NGF) und das Calcitonin Gene-Related Pep- tide (CGRP) genannt. Wahrscheinlich jedoch spielen sowohl systemische, als auch lokale Faktoren eine Rolle bei der Entstehung der neurogenen HO (AKBAR et al.
2007).
Tab. 1: Auflistung lokaler und systemischer Faktoren, die nach Literaturangaben, als Ursache für eine neurogene HO infrage kommen.
Über die Entstehung der HO gibt es in der Literatur zwei Hypothesen. Zum einen, dass die HO sekundär nach einer Entzündungsreaktion entsteht (BALEN u. HELMS 2001), zum anderen, dass eine Kalkablagerung eine Entzündungsreaktion hervorruft (KEENAN u. HAIDER 1996).
Nach der ersten Hypothese stellt sich initial ein lokal ablaufender Entzündungsprozess mit Ödematisierung und Hyperämie dar, sowie eine exsudative Zellinfiltration mit Fib- roblastenproliferation. Dem Initialstadium folgt eine Phase der Osteoidbildung und Mi- neralisierung. Histologisch wird eine enchondrale Ossifikation innerhalb der HO-Herde gefunden (JENSEN et al. 1987; PUZAS et al. 1989; BUSCHBACHER et al. 1991;
GARLAND 1991b).
Die zweite Hypothese geht von einer primären Kalkablagerung entlang der Kollagen- faserbündel aus. Die Ursache dieser Ablagerungen ist unklar. Als Reaktion darauf folgt ein entzündlicher Prozess mit Gefäßeinsprossung und Migration von Entzündungszel- len. Die Muskulatur wird spastisch und es entsteht „tension stress“ der einen bislang
Lokale Faktoren Systemische Faktoren
Tiefe Venenthrombose (TVT) (VAN KUIJK et al.
2002)
basic Fibroblast Growth Factor (bFGF) (WILD- BURGER et al. 1994; NEUGEBAUER et al.
2000)
Mikrotraumen (STOVER et al. 1975) Proteine der BMP-Gruppe, z.B. TGFß β (Transformig Growth Factor β) (URIST et al.
1978; WILDBURGER et al. 1995; QUINLAN et al. 2006)
Prostaglandin PGE2 (VAN KUIJK ET AL. 2002) Wachstumshormone, z.B. Prolaktin (WILDBUR- GER et al. 1998)
Neuronaler Wachstumsfaktor (NGF) (NEUGE- BAUER et al. 2000; QUINLAN et al. 2006)
Pleiotrophin (Osteoblast Stimulating Factor, OSF) (KURER et al. 1992)
pH-Wert-Änderungen im Blut, durch eine not- wendige Beatmung der meist schwer verletzten Patienten (NEWMAN et al. 1987; EKELUND et al. 1991)
unbekannten Reiz aussendet und Osteoprogenitorzellen anlockt, die wiederum die Os- sifikation induzieren. Laut KEENAN et al. (1996) liegt hier eine desmale Ossifikation vor.
2.3.2.2 Grundvoraussetzungen für eine Heterotope Ossifikation (HO)
Wenn auch die genaue Entstehung noch nicht geklärt ist, so sind drei Faktoren be- schrieben, die für die Entstehung der HO, sowohl neurogenen Ursprungs als auch nach einem Trauma, Voraussetzung sind (CHALMERS et al. 1975): Es müssen oste- ogene Vorläuferzellen an der Manifestationsstelle der HO vorhanden sein, induzie- rende Faktoren vorkommen und ein geeignetes Milieu für die Osteogenese vorliegen (CHALMERS et al. 1975) (Abb. 4). Auch eine genetische Prädisposition wird diskutiert, da sich nicht bei allen Patienten trotz Vorhandensein aller drei Voraussetzungen eine HO ausbildet (GARLAND 1988).
Abb. 4: Ursachen und möglicher Ablauf der HO Entstehung. Modifiziert nach (PAPE et al. 2004)
2.3.2.3 Ursachen der neurogenen heterotopen Ossifikation
Mehrere Studien legen eine humorale Vermittlung der vermehrten Osteogenese im Zusammenhang mit einer neurogenen HO nahe. So belegt eine Studie von BIDNER et al. (1990) eine gesteigerte Aktivität des Osteoblasten-stimulierenden-Wachstums- faktors (OSF) in fötalen Rattenosteoblasten, die mit Serum von Patienten mit ASCI behandelt worden waren. Auch KURER et al. (1992) kommen zu einem ähnlichen Er- gebnis. Sie untersuchten die Wirkung des Serums von ASCI- und Kontrollpatienten auf humanes Osteoblastengewebe in der Gewebekultur und stellten fest, dass Plei- otrophin im Serum der Gruppe mit ASCI und HO signifikant höher war, als bei der ASCI-Gruppe ohne HO oder der Kontrollgruppe. Dies kann als ein Hinweis auf einen humoralen Faktor als Ursache der HO gesehen werden.
Bei Patienten mit ASCI haben QUINLAN et al. (2006) einen gesteigerten TGF-β- Spiegel im Serum gemessen. Da sich die neurogene HO fast ausschließlich unterhalb der Lähmungshöhe manifestiert (RENFREE et al. 1994) können systemisch erhöhte Werte von TGF-β oder anderen humoralen Faktoren mit Wirkung auf den Knochenmetabolismus diese Lokalisation kaum erklären. Nach den Ergebnissen der klinischen Forschung stellen MORLEY et al. (2005) in Frage, ob die untersuchten systemischen Parameter tatsächlich einen kausalen Einfluss haben oder nur als sekundäre Reaktion erhöht sind.
2.3.2.3.1 Systemische pH-Wert Änderung
Ein Grund für eine Veränderung des Gewebemilieus kann die künstliche Beatmung sein, die bei Patienten mit SHT oder ASCI aufgrund einer „Schocklunge“ oft nötig ist.
Sie führt zu einer pH-Wert-Verschiebung von einer Azidose zu einer systemischen Al- kalose (NEWMAN et al. 1987). Die dadurch basische Umgebung begünstigt die Prä- zipitation von Kalzium und Phosphat und bietet damit einen Ausgangspunkt für die Osteoneogenese (NEWMAN et al. 1987). Auch nach Knochenbrüchen kommt es an den Frakturenden zu einer lokalen pH-Wert-Änderung in Richtung einer Alkalose (NEWMAN et al. 1987). Die Beobachtungen der Kalziumablagerung nach Gewebehy- poxie decken sich mit der zweiten Entstehungshypothese der HO, nach der abgela- gertes Kalzium Auslöser einer Entzündungsreaktion ist (KEENAN u. HAIDER 1996).
Dazu passen allerdings nicht die Beobachtungen in der Klinik, dass HO nur an be- stimmten Gelenken und fast nur in den gelähmten Extremitäten diagnostiziert werden (RENFREE et al. 1994). Entgegen den Studien von KURER et al. (1992) und BIDNER
et al. (1990) konnten RENFREE et al. (1994) keinen stimulierenden Effekt bei der Be- handlung von fötalen Rattenosteoblasten mit Serum von Patienten mit ASCI und SHT feststellen, unabhängig von einer später entwickelten HO.
2.3.2.3.2 Lokale Faktoren als Ursache der heterotopen Ossifikation
RENFREE et al. (1994) sehen die Ursache der HO in einem lokalen Faktor, der aber nicht identifiziert werden konnte. Für einen lokal auslösenden Faktor sprechen häufig beobachtete Gewebeveränderungen, wie z.B. Inflammationen in unmittelbarer Nähe der HO (RENFREE et al. 1994).
Bei der Untersuchung von Haut- und Gewebebiopsien aus der HO-Umgebung von Patienten mit SHT oder ASCI wurden Veränderungen in den Endothelzellen und Ba- salmembranen der Kapillaren und kleinen Gefäße gefunden (LOTTA et al. 2001). Au- ßerdem konnten Mikroverkalkungen im Subkutan- und Fettgewebe beobachtet wer- den (LOTTA et al. 2001). Diese Gefäßveränderungen lassen den Schluss zu, dass sie zu einer Gewebehypoxie führen und damit die HO-Entstehung begünstigen (EKELUND et al. 1991; PAPE et al. 2001). NGF kann als sekundäre lokale Ursache einer HO angenommen werden. TGF-β das im Blut von Patienten nach einer ASCI mit einer gesteigerten Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke, vermehrt gefunden wird, be- wirkt distal der Läsion eine gesteigerte Ausschüttung von NGF (NEUGEBAUER et al.
2000). Dies wiederum führt zu einer gesteigerten Expression von Wachstumsfaktorre- zeptoren und hat einen inhibitorischen Effekt auf die Apoptose von Osteoblasten. Dies könnte somit ein Grund für die Ausbildung einer HO sein (NEUGEBAUER et al. 2000).
Mikrotraumen, tiefe Venenthrombosen (TVT) und lokale Entzündungen können zu ei- ner Gewebezerstörung führen, die eine Entzündungsreaktion nach sich zieht, und mit Ödematisierung und Hypoxie des umliegenden Gewebes einhergeht (STOVER et al.
1975). Die dadurch ausgeschütteten Zytokine und Wachstumsfaktoren wiederum lo- cken MSC an und können zur Knochenbildung führen (VAN KUIJK et al. 2002).
2.3.3 Histologie
URIST et al. (1978) beschreiben die Entstehung der HO als eine Nachahmung der embryonalen Knochenentwicklung mit einer anfänglichen morphogenetischen Phase bis hin zu einer Phase der Zelldifferenzierung. Eine HO stellt eine nicht vom Knochen- gewebe ausgehende Knochenbildung im Weichteilgewebe dar, die das Periost nicht mit einbeziehen, aber eine Verbindung zum Skelett aufweisen kann (VANDEN BOS-
SCHE u. VANDERSTRAETEN 2005). Sie entwickelt sich im Bindegewebe z.B. zwi- schen den Muskelfasern. In ihrer Struktur entspricht die HO orthotopem Knochen mit Spongiosastruktur, Gefäßen und Knochenmark. Sie besitzt alle morphologischen und metabolischen Eigenschaften orthotopen Knochens (URIST et al. 1998; VANDEN BOSSCHE u. VANDERSTRAETEN 2005). Trotz ihrer Lokalisation an den Gelenken gibt es keine Infiltration in die Gelenkkapsel (CHANTRAINE u. MINAIRE 1981). Es kommt zu einer Fibroisierung und Verkalkung des umgebenden Gewebes, was durch den Druck auf die Muskelfasern zu einer lokalen Muskelnekrose führen kann.
2.3.4 Formen und Klinik der neurogenen heterotopen Ossifikation
Bei einer neurogenen HO wird eine „gerichtete“ von einer „ungerichteten“ HO unter- schieden (GARLAND 1991a; ABEL et al. 2002). Die „gerichtete“ HO wird nach Rü- ckenmarktrauma und die „ungerichtete“ HO nach Schädel-Hirn-Trauma beschrie- ben(GARLAND 1991a; ABEL et al. 2002). Eine „gerichtete“ HO bezeichnet die Ausbil- dung der Verknöcherungen ventral am Hüftgelenk, zwischen der Spina iliaca anterior superior und dem Trochanter minor (GARLAND 1991a; ABEL et al. 2002). Am Ellbo- gen manifestiert sich die „gerichtete“ HO ebenfalls auf der ventralen Seite. Im Gegen- satz dazu treten die Knochenbildungen bei der „ungerichteten“ HO medial am Hüftge- lenk auf zwischen der Spina iliaca anterior superior und der proximal lateralen Seite des Femur (GARLAND 1988; STOCKHAMMER et al. 1992). Bei Patienten mit einer ASCI, die aufgrund des fehlenden Schmerzempfindens keine relevanten klinischen Symptome zeigen, wird die HO meist nur als Zufallsbefund erkannt (SHEHAB et al.
2002).
Aufgrund der Knochenbildungen im Bereich der großen Gelenke (Abb. 5) berichten die Patienten mit einer neuronalen heterotopen Ossifikation nach Schädel-Hirn Trauma von lokalen Schmerzen und einer Abnahme der Gelenkbeweglichkeit, bis hin zur voll- ständigen Versteifung der Gelenke (EULERT et al. 1997). Diese Ossifikationen können von kleinen klinisch unauffälligen Knocheninseln im Muskel- oder Bindegewebe bis zu einer vollständigen Versteifung von Gelenken reichen (BRAVO-PAYNO et al. 1992;
WITTENBERG et al. 1992). Außerdem stellen sich Patienten mit einer Schwellung, Rötung, Erwärmung und Schmerzen des periartikulären Weichteilgewebes vor (GAR- LAND et al. 1980; GARLAND 1991b; CITTA-PIETROLUNGO et al. 1992; GAUTSCHI et al. 2008), die sich in der überwiegenden Zahl der Fälle in den ersten drei Monaten nach dem Trauma manifestieren (GARLAND 1991a; BRAVO-PAYNO et al. 1992). Dif- ferentialdiagnostisch entspricht das Bild einer Entzündung, wobei im Anfangsstadium
auch eine Thrombophlebitis, Osteomyelitis und Tumore, bspw. ein Osteosarkom, aus- geschlossen werden müssen (GOLDBERG u. SCHUMACHER 1977; RAGONE et al.
1986). In einem anschließenden Stadium sind Schwellungen und feste Gewebsmas- sen zu tasten, die im weiteren Verlauf zu Einschränkungen der Gelenkbeweglichkeit führen (EULERT et al. 1997). Distal dieser Schwellung entstehen durch venöse Stau- ungen Ödeme und begünstigen das Auftreten von Phlebitiden (GAUTSCHI et al.
2008).
Unabhängig von der Ätiologie kommt es in ca. 10% dieser Fälle schließlich zu einer Ankylose (RENFREE et al. 1994; WITTENBERG et al. 1992; EULERT et al. 1997). Für die Patienten bedeutet dies eine Einschränkung ihrer Selbstständigkeit und Mobilität, da eine Beugung der betroffenen Gelenke nicht mehr möglich ist. Als Folge der Bewe- gungseinschränkung präsentieren sich einige Patienten mit einer verstärkten Spastik der gelähmten Extremität (AKBAR et al. 2007).
Abb. 5: Röntgenaufnahme von Patienten mit stark ausgeprägter HO. A: am re. Hüftgelenk, a/p. B: HO Bildung am li. Hüftgelen (Quelle: www.learningradiology.com)
2.3.5 Diagnostik
Eine frühzeitige Diagnose der HO durch Anamnese, klinische Untersuchung und bild- gebende Verfahren (Röntgen, CT, MRT und Szintigraphie) ist für die Behandlung und die Vermeidung von Folgeerkrankungen (Dekubiti, Ankylosierung von Gelenken) sehr wichtig (PAPE ET AL. 2004).
2.3.5.1 Bildgebende Diagnostik
Eine HO ist in den ersten Wochen nur geringfügig mineralisiert und nicht röntgendicht.
In einem konventionellen Röntgenbild ist die HO daher zu diesem Zeitpunkt noch nicht
erkennbar und spezielle sensitivere bildgebende Untersuchungsmethoden wie CT o- der MRT sind notwendig (MAIER 2005). Erst in späteren Stadien nach Ausreifung der HO eignen sich Röntgenbilder zur Diagnostik und Verlaufsbeobachtung.
2.3.5.2 Szintigraphie
Eine sensitive Methode zur frühen Diagnostik der HO ist die Drei-Phasen-Skelett-Szin- tigraphie, bei der 99mTechnetium-Methylen-Diphosphat (99mTcMD) als Radioisotop ein- gesetzt wird (FREED et al. 1982; ORZEL u. RUDD 1985; CITTA-PIETROLUNGO et al. 1992). Mit dieser Methode ist es möglich eine HO bereits zwei bis vier Wochen nach einem neuronalen Trauma nachzuweisen (ORZEL u. RUDD 1985; SHEHAB et al.
2002).
2.3.5.3 Labordiagnostik
Die knochenspezifische Alkalische Phosphatase (Bone specific Alkaline Phosphatase, BAP, ein Isoenzym der Alkalischen Phosphatase), die unspezifische Alkalische Phos- phatase (AP) im Serum und Prostaglandin E2 (PGE2) (CELLA et al. 1988; SCHURCH et al. 1997) können im Urin gemessen werden. In der Frühphase der HO (bis zu sieben Wochen vor den ersten klinischen Symptomen) ist die AP im Serum von HO Patienten erhöht (ORZEL u. RUDD 1985; GARLAND 1991a; SHEHAB et al. 2002). Sie ist ein spezifischer Marker der Osteoblasten-Aktivität und steigt zwischen der vierten und zehnten Woche auf das dreieinhalbfache des Normalwertes an (ORZEL u. RUDD 1985). In der zwölften Woche kommt es meist zu einem Maximum der Konzentration, die bis zur 18. Woche nach einem Trauma wieder auf den Normalwert abfällt (ORZEL u. RUDD 1985). Die AP ist ein sensitiver aber wenig spezifischer Marker für die HO, da dieses Isoenzym auch bei anderen Knochenläsionen (z.B. Fraktur) erhöht ist und auch, in physiologisch intaktem Knochen, Leber, Niere, Darm und Plazenta vorkommt (ORZEL u. RUDD 1985). Damit eignet es sich nicht zur alleinigen Diagnostik, sondern vielmehr zur Verlaufskontrolle.
2.3.6 Modelle der neurogenen heterotopen Ossifikation
In der zugänglichen Literatur existiert bisher nur eine Studie (OTFINOWSKI 1993), die die Entstehung einer neurogenen HO untersucht ohne dabei ein Knochenheilungsmodell zu verwenden. Dabei verwendeten die Autoren ein in vivo Modell mit dekalzifiziertem, lyophylisiertem, kortikalen Rattenknochen, der in die Muskulatur von Ratten implantiert wurde. Es wurden vier Gruppen gebildet. Einer
Gruppe wurde zur Simulation eines SHT, vor dem Einsetzen des Implantates in die Hintergliedmaßenmuskulatur, Kainsäure intracranial injiziert. Einer weiteren Gruppe wurde das Rückenmark auf Höhe von Th10 durchtrennt (Implantat: dorsale Muskulatur cranial von Th10 und in die Hintergliedmaßenmuskulatur). Bei der dritten Gruppe fand eine Denervation aller peripheren Nerven einer Gliedmaße (Implantat:
Hintergliedmaßenmuskulatur und dorsale Muskulatur cranial von Th10) statt. Die vierte Gruppe diente als Kontrollgruppe, die lediglich den Rattenknochen in die Hintergliedmaßenmuskulatur implantiert bekam. Die Ergebnisse zeigten einen Unterschied in den Gruppen am 20. Tag nach dem Eingriff, der sich am 40. Tag nicht mehr feststellen lies. Dabei zeigten die Gruppen mit dem induzierten SHT und die mit peripherer Nervendurchtrennung, eine schnellere Einwanderung von MSC in die dekalzifizierten Knochenimplantate und eine beschleunigte Differenzierung zu Chondroblasten, als Zeichen einer enchondrale Ossifikation. Die Gruppe mit der Durchtrennung des Rückenmarks wies eine verminderte Osteoneogenese auf, mit einer schwächeren zellulären Reaktion in der Umgebung des implantierten Knochens und einer langsameren Differenzierung der MSC zu Chondroblasten.
Darüber hinaus gibt es verschiedene Modelle, mit denen die Entstehung der HO unabhängig von einem neurogenen Trauma induziert werden kann. Es kann ein Trauma des Weichteilgewebes geschaffen werden (MICHELSSON et al. 1980), durch eine Reizung des Gewebes durch Fremdmaterial eine HO Entstehung ausgelöst werden (SELYE et al. 1967; MÖRNDAL et al. 1987), oder aber bestimmte Zelltypen, welche die Fähigkeit zur Knochenbildung besitzen, transplantiert werden (AHO et al.
1988; JANICKI et al. 2010). Dabei geht es zwar auch um Knochenbildung an Stellen wo physiologisch kein Knochen entsteht, aber die Fragestellung thematisiert nicht die Entstehung von Knochen nach einem ZNS-Trauma. Die neueren Studien zur Erforschung der HO nach ZNS-Trauma verwenden Knochenheilungsmodelle.
