Drei Biotech-Lösungen für die Kniereparatur - Gesundheit - 2020

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Anonim

Neue Techniken in der orthopädischen Chirurgie zielen darauf ab, die körpereigene Heilkraft freizusetzen

Wenn Sie den C-gekrümmten Kringel, der auf einem 3-D-Drucker im Columbia University Medical Center Gestalt annimmt, sehr genau betrachten, werden Sie vielleicht die Zukunft der Knie-Reparatur erkennen. Schicht für Schicht spritzt die winzige Nadel der Maschine eine Perle aus weißem Polymer heraus, die zu einem virtuellen Bauplan eines Meniskus passt - dem halbrunden Band aus zähem, faserigem Knorpel, der als Stoßdämpfer für die Knie dient. Ein Bioprinter im Labor von Jeremy Mao kann innerhalb von 16 Minuten drei Menisci produzieren.

Diese speziellen Teile sind für Schafe bestimmt, das Testtier für eine neue Methode zur Korrektur eines gerissenen Meniskus, einer der häufigsten Verletzungen von menschlichen Gelenken. Chirurgen ersetzen das hergestellte Teil durch einen beschädigten Meniskus, der als Schaf für die Heilung dient. Sobald das Gerät an Ort und Stelle ist, ziehen spezialisierte Proteine, die darin eingebettet sind, Stammzellen an, die den Meniskus wieder aufbauen, wenn das Polymer zerbricht. Eine im Dezember 2014 veröffentlichte Studie ergab, dass die Wiederherstellung eines Meniskus eines Schafes mit dieser Methode nur vier bis sechs Wochen dauerte. Bei einer erfolgreichen Entwicklung für den Menschen wäre der neue Ansatz dem, was Ärzte heute bieten können, weit überlegen. In den meisten Fällen wird das zerrissene Gewebe einfach entfernt, wenn es Schmerzen verursacht oder die Kniefunktion beeinträchtigt. „Was wir suchen, ist eine echte Regeneration der Gelenke“, erklärt Mao.

Das Schafsexperiment ist Teil eines breiteren Trends in der orthopädischen Chirurgie, um Wege zu finden, den Körper dazu zu bringen, die Gelenke auf eine Weise zu verführen, die funktioneller und dauerhafter ist als die derzeitigen chirurgischen Eingriffe. Obwohl die moderne orthopädische Chirurgie die Menschen gut auf die Beine bringt und bei professionellen Athleten auf einem überhöhten Niveau leistet, stellt sie ein verletztes Knie nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurück und kann im Allgemeinen nicht aufhören oder es sogar verschlimmern. die langfristige Verschlechterung des Gelenks.

Aus unklaren Gründen löst eine Schädigung der stabilisierenden Schlüsselstrukturen des Kniegelenks häufig einen degenerativen Prozess aus, der zu abgenutztem Knorpel und zu chronischen Schmerzen der Arthrose führt. Das Ziel der nächsten Generation ist es, das Knie so natürlich wie möglich wieder in seine volle Funktion zu versetzen, was auch den Runaway-Zyklus, der zu Arthritis führt, verlangsamen oder stoppen kann. "Es ist Reparatur und Regeneration, nicht Entfernung und Austausch", sagt der orthopädische Chirurg Martha M.Murray, Leiter des Sports Medicine Research Laboratory im Boston Children's Hospital.

Der Bedarf ist enorm. Jedes Jahr besuchen schätzungsweise 5,5 Millionen Menschen in den USA orthopädische Chirurgen wegen eines Knieproblems. Etwa eine Million wird einer ambulanten Knieoperation unterzogen. In dieser Zahl sind nicht jährlich weitere 700.000 enthalten, die das Ende der Linie mit einem oder beiden eigenen Knien erreicht haben und anschließend künstlich ersetzt werden.

Warum können diese Gelenke nicht einfach heilen?

Ein großer Teil der neuen Überlegungen zur Gelenkreparatur wurzelt in der Erforschung der verblüffenden Frage, warum Bindegewebe in den Gelenken - Sehnen, Bänder und Knorpel - nicht unbedingt wie andere Gewebe heilen. Ein großer Teil des Problems in vielen dieser Strukturen ist eine relativ schlechte Blutversorgung. Blut enthält Zellen und Proteine, die für die Heilung unerlässlich sind.

Sehnen, die flexiblen Seile aus faserigem Gewebe, die Muskeln mit Knochen verbinden, und Bänder, die leicht dehnbaren Bänder, die Knochen mit Knochen verbinden, werden von Blutgefäßen weniger gut ernährt als die meisten anderen Gewebe. In Bezug auf Knorpel - wie das supersmooth weiße Material am Ende der Knochen (denken Sie an Hühnerbeine), das die Gelenke zum Gleiten verhilft - hat das meiste davon keine Blutversorgung. "Knorpel ist also praktisch nicht heilbar", sagt Scott Rodeo, ein orthopädischer Chirurg und Forscher am Sportmedizin- und Schulterdienst des Krankenhauses für Spezialchirurgie in New York City und ein Teamarzt der New York Giants.

Obwohl Chirurgen manchmal einen zerrissenen Meniskus zusammennähen können - besonders wenn sich der Riss im äußeren Bereich befindet, der über eigene Blutgefäße verfügt -, können sie meistens nicht mehr tun, als die ausgefransten Teile wegzuschneiden - ein Vorgang, der von großer Bedeutung ist Die Studie aus dem Jahr 2013 war von fragwürdigem, langfristigem Wert. Chirurgen können auch keine Träne im vorderen Kreuzband (ACL) nähen, die sich in der Mitte des Knies befindet und an der Stelle vieler Sportverletzungen. Stattdessen entfernen sie das gerissene Band und ersetzen es durch ein Transplantat aus einer Leiche oder aus dem eigenen Körper des Patienten.

Neben einer blutigen Blutversorgung ist die zentrale Stelle der ACL in der Gelenkkapsel, die mit einem Schmiermittel, so genannter Synovialflüssigkeit, gefüllt ist, ein weiterer Grund, warum die Bande nicht alleine heilt. Die Wundheilung beginnt normalerweise mit Blutungen und der Bildung von Blutgerinnseln. Zellen im Blutgerinnsel, die als Thrombozyten bezeichnet werden, setzen bestimmte Proteine ​​frei, die die Heilung fördern, während das klebrige Blutgerinnsel selbst als temporäres Gerüst für die Rekonstruktion mit neuen Zellen dient. In den Gelenken löst sich die Synovialflüssigkeit jedoch mit Blutgerinnseln auf. „Es gibt also nie eine so frühe Brücke, an der die Heilung möglich ist“, sagt Murray vom Boston Children's Hospital. Daher heilt ein Riss in der ACL nicht, sondern ein Riss im nahen medialen Kollateralband, das entlang der Seite des Knies über die Gelenkflüssigkeit hinaus verläuft, bindet sich langsam zusammen.

Geheimnisse der Selbstreparatur

Orthopäden versuchen seit langem, den Körper dazu zu bewegen, Knorpel, Bänder und Sehnen besser zu heilen. In den letzten Jahren haben sie sich dem, was sie "Biologika" nennen, zugewandt - Substanzen, die aus dem eigenen Blut und anderen Geweben des Patienten hergestellt werden. Eines der populärsten wird als plättchenangereichertes Plasma (PRP) bezeichnet, das zuerst von Oralchirurgen verwendet wurde, um die Regeneration von Knochen und Weichgewebe im Kiefer zu unterstützen.

PRP ist einfach herzustellen und einzusetzen: Dem Patienten etwas Blut entnehmen, in einer Zentrifuge zentrifugieren, um die Blutplättchen zu konzentrieren, und dann die resultierende Flüssigkeit in ein verletztes Gelenk injizieren oder in Kombination mit einer Operation verwenden. PRP ist voll von Wachstumsfaktoren und anderen Substanzen, die die Heilung fördern. Studien haben bisher gezeigt, dass sie helfen können, entzündete Sehnen wie einen „Tennisarm“ zu heilen und Schmerzen in einem arthritischen Gelenk zu lindern. Ob sie jedoch die vielfältigen Probleme, für die sie eingesetzt wird, effektiv lösen können, ist noch nicht klar.

Ein neueres Biologikum besteht aus Knochenmark anstelle von Blut und ist reich an Stammzellen als PRP. Es wird ebenfalls aus dem Patienten entnommen (durch eine dünne Nadel in der Hüfte, unter örtlicher Betäubung) und mit einer Zentrifuge konzentriert. Knochenmark-Aspirat-Konzentrat oder BMAC kann zu einem dichten Klumpen werden, der als blutroter Fleck dient, den Chirurgen verwenden, um Lücken im Knorpel zu füllen und um gepfropftes Gewebe zu umgeben und zu pflegen. Die Tierärztin Lisa Fortier von der Cornell University entwickelte das Zeug, um Rennpferden nach einer Knorpelverletzung wieder auf die Spur zu bringen. Sie bietet das, was sie als "Trilogie der Gewebereparatur" bezeichnet: ein dickes Gerinnsel, das als kurzfristiges Gerüst dient, Stammzellen, die neues Gewebe erzeugen, und Wachstumsfaktoren, die diese Regeneration lenken. Studien an Menschen und Pferden zeigen, dass mit BMAC geheilter Knorpel eine normalere Struktur aufweist als Knorpel, der auf andere Weise repariert wurde.

Da PRP und BMAC vom Patienten stammen und direkt in den Patienten einfließen, mussten sie nicht von der Food and Drug Administration genehmigt werden, und ihre Verwendung hat sich ohne viele Tests schnell verbreitet. "Sie sind schwer zu lernen", stellt Rodeo fest, da sie von Person zu Person variieren und die Ergebnisse ungleichmäßig sind. Mit weiteren Untersuchungen sagt er voraus: "Wir werden uns wahrscheinlich einem verfeinerten Ansatz zuwenden, bei dem wir die Faktoren in Bezug auf Knochenmark-Aspirat und PRP identifizieren, die wir beibehalten wollen, und Faktoren, die wir herausnehmen möchten" und entsprechend anpassen.

Obwohl die Biologika scheinbar die Heilung fördern, können sie kein stabiles Gerüst erzeugen, um einen zerrissenen Meniskus oder eine ACL zu reparieren. Deshalb probieren Forscher den 3D-Druck und andere Innovationen aus. Im Boston Children's Hospital testet Murray einen kleinen Zylinder aus schwammähnlichem Material - bestehend aus Proteinen wie Kollagen, die sich im Bindegewebe befinden - als Gerüst für die Reparatur eines zerrissenen ACL. Der Schwamm wird mit dem Blut des Patienten getränkt und dann zwischen den beiden gerissenen Enden des Bandes genäht, wodurch eine temporäre Brücke zum Heilen entsteht, ähnlich wie ein Blutgerinnsel dies tun würde. Es hat bei Schweinen so gut funktioniert, dass Murray und ihre Mitarbeiter dieses Jahr eine FDA-Zulassung erhalten haben, um es an Menschen auszuprobieren. Ein besonders hoffnungsvoller Befund bei Schweinen: Bei den mit der neuen Technik behandelten Patienten trat weit weniger Arthritis auf als bei der traditionellen ACL-Rekonstruktion.

Trotz des Versprechens dieser und anderer regenerativer Techniken am Horizont ist es natürlich immer eine gute Idee, eine Operation zu vermeiden, indem Sie Ihre Knie so gut wie möglich schützen. Aber für diejenigen, die das komplexe Gelenk nicht beschädigen können, sieht die Zukunft stärker und weniger schmerzhaft aus.

Dieser Artikel wurde ursprünglich mit dem Titel "The Coming Revolution in Knie Repair" veröffentlicht. 312, 3, 25-26 (März 2015)

Doi: 10.1038 / Scientificamerican0315-25