Histologische Analyse des knöchernen und knorpeligen Einheilverhaltens eines metallischen Implantats in einen osteochondralen Defekt - Eine Studie im Schafsmodell

Histological analysis of the bone and cartilage healing process of a metallic implant in an osteochondral defect

The aim of this study was to investigate cartilage and bone healing potential of a palliative osteoarthrosis implant with Hydroxyapatite-coatings in a locally defined osteochondral defect. The hypothesis was that chondrointegration of the implant can be improved by a HA coating and enhance the overall-healing outcome. A standardized osteochondral defect was induced in 24 female Merinomix shep on the medial femoral condyle of the right knee joint and three different metallic implant types were inserted in 8 animals/each: an uncoated implant, implants with 2 HA-coatings (rough, smooth). After 3 months, the animals were sacrificed and the tissueimplant contact was analyzed histological, histomorphometrical and immunohistochemical. Histological evaluation of the cartilage and bone tissue was carried out after embedding in PMMA (with implant) or Paraffin (without implant) and stainging with giemsa or toluidinblue. Histomorphometrical analysis measured the occurrence of tissue types at the implant border. The results of the study showed a significant better contact to the adjacent bony/chondral tissue in the groups with coated implants compared to the group of the uncoated implants. This was proven histomorphometrically by a lesser gap formation and less space between the implants and the surrounding tissue. As hypothesized, the coated implants showed a better chondrointegration in the mineralized cartilage and subsequently lesser gap formation. This resulted in an improved attachment of hyaline cartilage and prevented the underlying bone from contact with the aggressive synovial fluid. Through the firm contact of the tissue surfaces with the coating, a gap formation and subsequent loosening of the implant is prevented. Sealing against the aggressive synovial fluid is possible after a 3-months healing period.
The sealing effect of the attached mineralized cartilage and the subsequent preservation of the bone stock is a promising finding, even though we were not able to clarify the mechanism behind it in the context of this study. In the long run the better contact should result in better subchondral bone quality, which again affects the quality of the overlying cartilage positively. Future studies with longer healing times could emphasize the differences. Thus, HA-coated implants for focal osteoarthritis represent an alternative to relieve pain and prevent further damage in osteoarthritic joints. Die Verletzungen des hyalinen Knorpels, ob traumatisch oder degenerativ bedingt, gehen für den Patienten immer mit Schmerzen, einer Bewegungseinschränkung und einer Minderung der Lebensqualität einher. Es stehen zwar eine Vielzahl von nicht invasiven und invasiven Methoden zur Verfügung, jedoch ist nicht jede Therapiemethode für alle chondralen Läsionen geeignet. Die Therapie hängt vom Alter der Patienten und auch von der Art und Lokalisation der Läsion ab. Bleibt die Läsion lange Zeit unbemerkt, führt dies immer zu einer Degeneration des hyalinen Gelenkknorpels und mündet in einer Osteoarthrose (Spahn et al. 2015). Bis zum heutigen Zeitpunkt ist es weder klinisch noch experimentell gelungen, den hyalinen Knorpel anatomisch, histologisch und biomechanisch wiederherzustellen.
Ziel dieser Arbeit war es, das ossäre und chondrale Einheilverhalten eines metallischen Implantats (Episealer®) im Hinblick auf die unterschiedlichen Beschichtungen (raue HABeschichtung und glatte HA-Beschichtung) zu untersuchen. Das Ausmaß der Reaktion nach der Implantation im osteochondralen Defekt wurde mittels histologischer, immunhistologischer und histomorphometrischer Parameter evaluiert.
Bei 24 weiblichen Merinomix-Schafen wurde auf dem medialen Condylus ossis femoris des rechten Knies ein osteochondraler Defekt gesetzt und durch die Press-Fit-Implantation des Episealers® abschlossen. Bei der Gruppe 1 wurde ein Episealer® mit einer rauen HABeschichtung implantiert. Die Tiere der Gruppe 2 erhielten ein Episealer® mit einer glatten HA-Beschichtung. Diesen Gruppen wurden die Tiere der Gruppe 3 ohne Beschichtung gegenübergestellt. Die postoperative Heilungsdauer betrug 3 Monate. Nach der Euthanasie wurde der Femur entnommen und makroskopisch, immunhistochemisch, histologischen und histomorphometrisch untersucht und beurteilt.
Unsere Untersuchungen konnten beweisen, dass die beschichteten Implantate einen kontinuierlichen Kontakt zum mineralisierten Knorpel aufwiesen als die unbeschichteten Implantate. Daraus resultierten eine geringere Spaltbildung und eine geringere Leerfläche zwischen Implantat und umliegenden Gewebe.
Die Hypothese dieser Studie konnte zum Teil bestätigen werden. Die Beschichtung verstärkt den Kontakt zwischen mineralisierten Knorpel und metallischen Implantat und schützt die darunterliegenden ossären Strukturen vor der Gelenkflüssigkeit. Dieser Schutz ist wesentlich, um eine vorzeitige Knochenresorption zu verhindern. Die abdichtende Wirkung des Implantats durch die feste Verankerung zum mineralisierten Knorpel und dem Schutz darunterliegenden ossären Gewebes, ist ein vielversprechendes Ergebnis dieser Studie. Die feste Verbindung wird auf längere Sicht gesehen zu einer besseren subchondralen Knochenqualität führen, was wiederum die Qualität des darüberliegenden Knorpels positiv beeinflusst. Diesen Mechanismus konnte im Rahmen dieser Studie noch nicht geklärt werden. Zukünftige Langzeitstudien könnten diesen Unterschied weiter herausstellen.