Praxis Dr. Finkelstein aktuell

Operative Knorpeltherapie im Sport

Operative Knorpeltherapie im Sport

von der Mikrofrakturierung bis zum Tissue Engineering

Universimed.de

Seit Jahrzehnten werden aufwendige Versuche unternommen, die ungenügende Regenerationsfähigkeit von Knorpel zu verbessern; von der Mikrofrakturierung über die osteochondrale Transplantation bis hin zu den modernen Zelltransplantationsmethoden haben sich in den letzten 20 Jahren viele Operationstechniken etabliert. Doch letztendlich bleibt die Frage, inwieweit die betroffenen Patientenpopulationen von Sportlern im mittleren Alter wieder in den Sport zurückkehren können und auf welchem Niveau. Und was raten wir jungen Patienten mit Knorpeldefekten, wie sie ihr Gelenk weiter belasten sollen? Im Folgenden werden die einzelnen Methoden vorgestellt und besonders sportrelevante Punkte diskutiert.

Belastungen und Biomechanik des Knorpels im Sport

Die Oberfläche des Gelenkknorpels dient zur Lastübertragung bei gleichzeitiger Schmierung der gleitenden Flächen. Der Knorpel erreicht dabei Eigenschaften, die weit über den Reibungseigenschaften von Eis auf Eis liegen. Das Zusammenspiel von Kollagenfasern als Gerüstsubstanz und Glukosaminglykanen als wasserbindendes Quellungsmaterial erzeugt die prallelastischen Eigenschaften, die die Dämpfungseigenschaften mit dem Schmiermechanismus durch Abpressen der interstitiellen Flüssigkeit bewerkstelligen. Die Wasserbindung korreliert mit dem Gehalt an Proteoglykanen und ist an ein intaktes Kollagengerüst gebunden. Defekte an der Oberfläche, aber auch mikroskopische Verletzungen der Matrix führen zur Ausschwemmung dieser wasserbindenden Moleküle und damit zum Qualitätsverlust der biomechanischen Eigenschaften. Bei längeren körperlichen Belastungen kommt es durch Flüssigkeitsverlust zu Höhenminderung des Knorpelbelages bis zu 5% in bestimmten Arealen, die besonders hohen statischen Drücken ausgesetzt sind, wie im Femoropatellargelenk. So finden wir hier aufgrund der Hebelverhältnisse Belastungsspitzen vom 6-Fachen, die bei abrupten Bewegungen bis zum 30-Fachen des Körpergewichtes kurzzeitig einwirken können. Die Patella zeigt deshalb auch den dicksten Knorpelbelag mit bis zu 6mm Dicke. Gelenkbelastungen mit lang andauernder Gewichtseinwirkung können den Kompensationsmechanismus von Gelenkknorpel übersteigen und zu nachhaltigen Schäden führen, besonders wenn aufgrund von Traumen die Mikrostruktur des Knorpels gestört ist. Trotzdem ist die Knorpelzelle auf abwechselnde Belastungen zum Aufrechterhalten der Flüssigkeitsströme im Interstitium angewiesen, so dass Sportarten mit zyklischen Belastungen und geringer Gewichtsbelastung (z.B. Radfahren) positiv zu bewerten sind.

Knorpelverletzungen

Gelenkverletzungen im Sport sind häufig mit Knorpelschäden verbunden und limitieren langfristig die Prognose und sportliche Belastbarkeit des Patienten. So konnte Curl bei 31.516 Arthroskopien bei 19.827 Patienten relevante Knorpeldefekte finden, mit durchschnittlich 2,5 Defekten pro Kniegelenk, wobei viele klinisch stumm waren und die Patienten aus anderen Gründen operiert wurden. Knorpeldefekte stellen daher generell ein diagnostisches und therapeutisches Problem dar, denn die Tatsache, dass Gelenkknorpel nicht oder nur insuffizient heilt, ist altbekannt.

Mikrofrakturierung

Die direkte operative Behandlung von Knorpeldefekten umfasste bisher die arthroskopische Knorpelglättung und das Debridement, die Knorpelbohrung nach Pridie, die Abrasionsarthroplastik nach Johnson und in den letzten Jahren die von Steadman eingeführte Mikrofrakturierung. Ziel dieser direkten operativen Methoden ist es, durch Eröffnung der Blutgefässe der subchondralen Lamelle eine Einblutung zu induzieren und damit pluripotente Stammzellen in den Defekt einzubringen. Alle diese Methoden können die vollständige Regeneration von Gelenkknorpel nicht erreichen und führen zu fibrocartilaginärem Mischgewebe; die strukturelle Ausbildung und mechanische Qualität dieser Gewebe ist dabei nicht vorhersehbar und die klinische Prognose ist damit unsicher.

Bei der Mikrofrakturierung wird nach exaktem Debridement und Säuberung des Defektes die subchondrale Knochenlamelle mit spitzen, gering eingebogenen Meisseln perforiert. Am besten wird an der Peripherie begonnen; im Abstand von 2–3mm werden Perforationen durchgeführt und der gesamte Defekt wird zentralwärts mikrofrakturiert. Entscheidend ist, dass der Markraum dadurch eröffnet wird, was am Aufsteigen von Fettaugen aus dem Knochenmark und Einblutungen nach Öffnen der Blutsperre kontrolliert werden kann. Die Knochenbrücken zwischen den Perforationen müssen erhalten bleiben, um einen grösseren Substanzverlust des Knochenstockes zu verhindern. Die Abrasionsarthroplastik mit dem Shaver führt zu einer zu ausgeprägten Absenkung der Knochenebene und die Bohrung ist mit dem Risiko der Hitzenekrose beim Bohren und der Induktion von Knochenödemen assoziiert.

Die klinischen Ergebnisse von Steadman zeigen im langjährigen Verlauf gute klinische Ergebnisse bei ca. 75% der Patienten, eine kritischere Analyse durch Kreuz zeigte, dass die Ergebnisse nach 18 Monaten deutlich schlechter werden und grössere Defekte und ältere Patienten eine schlechtere Prognose haben. Das klinische Ergebnis nach Mikrofrakturierung wurde bei Gobbi nach durchschnittlich 72 Monaten allgemein als gut angegeben, so stieg der Lysholm-Score bei 53 Sportlern von 56 auf 87 signifikant an, wobei aber nur ein geringer Anteil der Sportler wieder das vorherige Leistungsniveau erreicht hat; 80% dieser Sportler mussten ihre Aktivitäten deutlich reduzieren.

Knorpel-Knochen-Transplantationen, Mosaikplastik

Verschiedene Autoren wie Bobic und Hangody berichten über die Technik der Mosaikplastik, wo aus Randzonen des Kniegelenkes osteochondrale Zylinder entnommen werden und im Pressfit-Verfahren in die Defektzone transplantiert werden. Mittelfristige Ergebnisse bei 831 Patienten zeigten Erfolgsraten von 92% bei isolierten Femurdefekten. Probleme mit der Entnahmestelle werden nur bei 3% angegeben, wobei in Studien auch eine Überlegenheit zur Mikrofrakturierung festgestellt werden konnte. Das Kollektiv von Sportlern zeige eine hohe und relativ schnelle Rückkehr zum Sport, auch auf höchstem Niveau, so sind 74% von 96 Sportlern nach durchschnittlich 4,2 Monaten wieder in den Sport zurückgekehrt und nur 8% zeigten eine deutlich schlechtere Leistungsfähigkeit. Trotzdem werden in Einzelfällen langfristig gelegentlich deutliche Einbussen der Belastbarkeit des betroffenen Gelenkes berichtet, nicht zuletzt auch wegen der Entnahmestellenmorbidität. Problematisch erscheinen auch die Stabilität bei nicht randständigen Zylindern und das Erreichen einer kontinuierlichen Gelenkfläche. Deshalb empfehlen wir nicht mehr als 3 Zylinder zu implantieren, wobei 6 und 8mm Durchmesser chirurgisch am besten zu handhaben sind.

Bugbee verwendet frische Allografts bei grossen posttraumatischen Defekten. Die Transplantate sind aber nur sehr limitiert verfügbar, mit einem hohen logistischen Aufwand verbunden und oft schwierig zu fixieren. Sie tragen ein erhöhtes immunologisches und infektiöses Risiko. Bei schweren Gelenkdestruktionen nach Unfall oder Tumor erscheinen solche Verfahren bei vermindertem Anspruch sicher gerechtfertigt. Beim jüngeren, sportlichen Patienten sind sie aber sicher kritischer zu sehen, wobei aber die Erlangung der Sportfähigkeit meist sowieso nicht im Vordergrund steht.

Umstellungsosteotomien

Als indirekte Methoden haben sich gelenknahe Umstellungs- und Korrekturosteotomien in der Behandlung von Knorpelschäden bewährt und können besonders bei assoziierten Fehlstellungen oft sinnvoll kombiniert werden. Die Durchführung von Knorpelbehandlungen ohne notwendige Achskorrekturen erscheint obsolet, da die biomechanische Überlastung jedwede Regeneration von Gewebe zunichtemacht. In neueren Studien von Seeger konnte gezeigt werden, dass viele sportlich aktive Patienten ihr sportliches Niveau nach Umstellung sogar steigern konnten, nur 30% zeigten ein vermindertes Belastungsniveau. Die Sportfähigkeit hat sich speziell durch Einführung der Open-Wedge-Techniken deutlich verbessert, weil durch die Korrektur im Open-Wedge-Verfahren keine Beinverkürzung eintritt und die Korrektur am physiologischen Drehpunkt der Deformität erfolgt. Die veränderte muskuläre Koordination und sportspezifische Technik kann aber in der weiteren Leistungsentwicklung limitierend sein.

Autologe Chondrozytentransplantation mit dem Periostlappen

Die Einführung der autologen Knorpelzelltransplantation durch Peterson stellte einen neuen Ansatz in der Therapie von Knorpeldefekten dar. Durch das Einbringen der autologen kultivierten Zellen stehen im Defekt chondrogene Zellen zur Verfügung, die eine Knorpelregeneration ermöglichen. In der Praxis werden dem Patienten arthroskopisch kleine Knorpelstücke aus nicht gewichtsbelasteten Arealen der Gelenkfläche des betroffenen Gelenks steril entnommen. Die Biopsie wird in einem Spezialcontainer an das Zellkulturlabor geschickt, wo innerhalb von 48 Stunden die Aufbereitung der Knorpelzellen beginnen muss. Die Chondrozyten (ungefähr 400.000) werden enzymatisch isoliert und in der Zellkultur expandiert. Zum Zeitpunkt der Implantation wird eine Zellsuspension mit zwölf bis 20 Millionen Zellen geliefert und in den präparierten Knorpeldefekt eingebracht, der mit einem eingenähten Periostlappen wasserdicht abgedeckt ist. Das Periost wird über eine kleine Hautinzision an der vorderen Tibiakante in entsprechender Grösse entnommen. Um eine optimale Fixierung des Lappens zu erreichen, wird der Korpeldefekt mit dem Skalpell umschnitten und das vorhandene Narbengewebe bis auf die subchondrale Lamelle vollständig entfernt, wobei Blutungen unbedingt vermieden werden müssen. Die Ränder des Periosteums werden mit der Zirkumferenz des Defektes mit resorbierbarem Nahtmaterial vernäht und mit Fibrin wasserdicht versiegelt.

Eine schwedische Arbeitsgruppe berichtete über eine signifikante klinische Verbesserung nach autologer Knorpelzellimplantation bei einem relativ kleinen Patientenkollektiv. Die Kontrollbiopsien nach einem Jahr zeigten die Einheilung des Periostlappens unter Umwandlung in widerstandsfähiges hyalinartiges Gewebe. Die Ergebnisse differierten aber nach der Lokalisation des Defektes: Patella- und Tibiadefekte zeigten ein deutlich schlechteres Ergebnis als Femurdefekte. Inzwischen wurden von der schwedischen Arbeitsgruppe unter der Leitung von Lars Peterson mehr als 1.000 Patienten mit dieser Methode operiert, wobei die mittelfristige Erfolgsrate für isolierte Defekte am Femurkondyl bei 92% liegt. Bei Mehrfachdefekten, Kombinationsverletzungen und Defekten im femoropatellaren Gleitlager liegt die Erfolgsrate zwischen 72% und 85%. Die Langzeitverläufe der ersten hundert Patienten zeigen auch gute Haltbarkeit des Ergebnisses bis zu zehn Jahre post-operativ. Die Sportfähigkeit konnte in einer Studie von Mithöfer, Peterson und Minas (2005) an 45 Fussballern und 20 sportlich aktiven Patienten untersucht werden, wobei nach einem Jahr 38% der Fussballer wieder ihren Sport aufgenommen hatte; vor allem die Profifussballer schafften diesen Wiedereinstieg mit 83% deutlich häufiger, wahrscheinlich aber nicht zuletzt auch aus existenziellen Gründen. Bei den sportlich aktiven Patienten erreichten 96% wieder ein akzeptables Sportniveau. Auffällig war, dass Sportler, die innerhalb von zwölf Monaten nach der Verletzung operiert wurden, häufiger in den Sport zurückkehrten und dass mehrfache Voroperationen ein negativer Prädiktor des Ergebnisses waren. Minas berichtet, dass bei komplexen Defekten und Salvageindikationen die Sportfähigkeit nicht im Vordergrund steht, die Patienten sind nach jahrelangem Leiden oft mit einem im Alltag schmerzfreien Knie zufrieden.

Biomaterialien – Tissue Engineering

Die Weiterentwicklung der autologen Knorpelzelltransplantation stellen die matrixassistierten Verfahren dar, wobei unter Verwendung eines Biomaterials die Zellen in den Defekt transplantiert werden. Aus den vielen experimentellen Ansätzen konnten das Kollagenvlies und -gel, Hyaluronat sowie Polylaktide bis zur klinischen Anwendung gebracht werden. Hier werden die Knorpelzellen wie vorher beschrieben isoliert und vermehrt und dann mit dem Biomaterial in den Defekt eingebracht.

An der Orthopädischen Universitätsklinik in Wien konnten in den letzten fünf Jahren bereits über 60 Patienten mit dem Hyaluronatvlies behandelt werden. Die ersten Ergebnisse zeigen in der klassischen Indikation des isolierten Femurdefektes vergleichbare Ergebnisse wie die klassische ACT mit dem Periostlappen; Ähnliches wird auch vom Kollagenvlies und Kollagengel berichtet. In einer Studie von Kreuz wurden 118 Patienten mit Knorpelzelltransplantation retrospektiv analysiert, wobei sich zeigte, dass die Gruppe mit regelmässiger sportlicher Aktivität ein deutlich besseres Ergebnis zeigte. Polylaktide und Fibrin stehen am Anfang der klinischen Erprobung und müssen sich erst bewähren. Für die Matrixtechniken mit Kollagen und Hyaluronaten liegen derzeit schon gute Fünfjahres-Ergebnisse vor, die durchaus mit den Periosttechniken vergleichbar sind. Da die Fehlschläge solcher Operationen meist im ersten Jahr stattfinden, ist ein weiterer günstiger Verlauf durchaus anzunehmen, wobei hinsichtlich Sportfähigkeit derzeit noch keine verlässlichen Aussagen gemacht werden können; wohl aber gibt es einige kasuistische Berichte von Sportlern, die nach solchen Behandlungen wieder Sport treiben konnten. Erst langfristige Studien werden zeigen, ob auf das Periost verzichtet werden kann und welches Biomaterial für die Zellen optimal ist. Die Arthrose oder schwere Gelenkdeformationen sind derzeit keine Indikation für solche Verfahren, und bezüglich der generellen Beurteilung hinsichtlich der Sportfähigkeit liegen bei diesen Methoden keine ausreichenden Daten vor. Dies sollte dem Patienten auch so vermittelt werden.

Zusammenfassung

Die operative Versorgung von Knorpeldefekten hat einen hohen Stellenwert in der Versorgung von sportlich aktiven Patienten. Bei symptomatischen Defekten der Knorpeloberfläche erscheint eine frühzeitige Operation sinnvoll, wobei bei Defekten über 1–2 Zentimeter im Durchmesser die Knorpeltransplantation als wichtige Option zur Verfügung steht. Entscheidend für die operativen Methoden der Knorpelbehandlung ist sicher, ob es gelingt, den Knorpeldefekt wieder mit Gewebe zu füllen, und ob der subchondrale Knochen keine Stresszeichen wie Ödem oder vermehrte Sklerose entwickelt. Die Ausbildung eines Knochenödems zeigt immer, dass die Knorpeloberfläche nicht in der Lage ist, eine biomechanisch suffiziente Lastübertragung zu gewährleisten. Problematisch erscheinen somit Patienten mit einem ausschliesslichen Belastungsschmerz im Sport, da hier selbst bei morphologisch gelungener Reparatur des Defektes die Sportfähigkeit nicht immer möglich ist. Somit ist die Wiederherstellung der Mikrostruktur des Knorpels und der Gleit- und Dämpfungseigenschaften Voraussetzung, um die Belastungsqualität zu gewährleisten. Trotz der Euphorie um wiederhergestellte Gelenkoberflächen bleibt zu sagen: Reparatur ist nicht genug, vollständige Regeneration muss das Ziel der modernen biotechnologischen Verfahren sein … und daran wird zurzeit gearbeitet.

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Autor:

Univ.-Prof. Dr. med. Stefan Nehrer, Zentrum für Regenerative Medizin, Donau-Universität Krems, Dr.-Karl-Dorrek-Strasse 30, 3500 Krems, E-Mail: ta.ca.inu-uanod@rerhen.nafets

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  20.10.2008

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