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Bei Knochendefekten kritischer Größe ist es notwendig, den Knochen bei der Heilung zu unterstützen. Der derzeitige Goldstandard bei der Behandlung von critical size defects ist die Entnahme von autologem Knochen aus dem Beckenkamm, dies ist jedoch mit Nachteilen wie Entnahmemorbidität und Limitierung der entnehmbaren Menge vergesellschaftet. Das Knochen tissue engineering, bei welchem regenerative Zellen mit einem Knochenersatzmaterial kombiniert werden, könnte eine vielversprechende Alternative sein. Stromale Knochenmarkzellen, die Osteoblasten differenzieren können, und endotheliale Vorläuferzellen, die die Vaskularisierung der Defektzone unterstützen, zeigten sich effektiv in tierexperimentellen Studien; jedoch müssen diese Zellen vor Verwendung über einen längeren Zeitraum in Kultur expandiert werden. Dies kann jedoch zu einer Akkumulation genetischer Schäden und möglicherweise zu einer Entartung der transplantierten Zellen führen. Bone marrow mononuclear cells (BMC) stellen eine interessante Alternative dar, sie können innerhalb weniger Stunden isoliert und dem Patienten zurückgegeben werden. Ziel dieser Arbeit war daher, die Adhäsion und funktionelle Aspekte von BMC auf drei verschiedenen Knochenersatzmaterialien zu analysieren.
Im ersten Versuchsteil wurde untersucht, ob es möglich ist, BMC auf einem β-Tricalciumphosphat (β-TCP)-Scaffold auszusäen, und ob eine Beschichtung des Scaffolds eine positive Auswirkung auf die BMC-Adhäsion und Aktivität hat. Hierbei wurde eine Beschichtung mit humanem Plasma (FFP) und Fibronektin gegen eine Kontrolle verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass BMC auf unbeschichtetem β-TCP adhärieren und dass eine Vorbeschichtung des Scaffolds mit Fibronektin oder mit FFP zu keiner weiteren Verbesserung der initialen Adhäsion führt. FACS-Analysen zeigten, dass der Prozentsatz der auf dem Material adhärierenden Fraktionen regenerativer Zellen dem Prozentsatz der in der Kontrolle enthaltenen regenerativen Zellen entspricht. Überdies konnte eine endotheliale Differenzierung der ausgesäten BMC beobachtet werden. Die Anzahl adhärierender BMC war zum ersten Messpunkt an Tag zwei unabhängig von der Vorbeschichtung am höchsten. Interessanterweise war die Zahl der adhärierenden BMC auf unbeschichtetem Material signifikant gegenüber den beschichteten Materialien erhöht.
Basierend auf der Beobachtung, dass eine Vorbeschichtung der Trägersubstanz nicht zu einer Verbesserung der BMC-Adhäsion auf dem Gerüststoff führt, wurden im zweiten Versuchsteil unbeschichtete Gerüststoffe miteinander verglichen. Für diese Arbeit wurden drei aus verschiedenen Klassen der Knochenersatzmaterialien stammende Scaffolds gewählt. ChronOs® als Vertreter der β-TCPs, Cerabone®, eine verarbeitete bovine Knochenmatrix, und Demineralized Bone Matrix (DBM), ein sterilisiertes humanes Knochentransplantat. Die Untersuchungen ergaben signifikante Unterschiede in der Aussaateffizienz der Zellen auf den Materialien und der Zellaktivität im Verlauf über 21 Tage. DBM zeigte hier im Materialvergleich die besten Ergebnisse. In unserem Versuch zeigte sich die Menge der absorbierten Flüssigkeit im Verhältnis zur Materialmenge bei DBM signifikant erhöht gegenüber den beiden anderen Materialien. Zudem konnte mittels HE- und Kern-Färbung (DAPI) der Nachweis erbracht werden, dass sich Zellen tief im Inneren des Materials anlagern. MTT-Tests zeigten an Tag 14 eine signifikant erhöhte metabolische Aktivität auf DBM gegenüber Cerabone® und an Tag 21 gegenüber beiden Vergleichsmatrices. Wir konnten auf allen Materialien an Tag 2 eine signifikant erhöhte VEGF-Produktion feststellen. Mittels Real-Time-PCR ließ sich eine VEGF-Genexpression in BMC auf allen Materialien bis Tag 14 und auf DBM über die kompletten 21 Tage nachweisen. Die Genexpression von vWF konnte ebenfalls auf allen Materialien über den gesamten Zeitraum nachgewiesen werden.
Zusammengefasst konnte durch diese Studie belegt werden, dass die initiale Adhärenz von BMC auf unbeschichtete Knochenersatzmaterialien generell hoch ist, aber signifikante materialspezifische Unterschiede in der Aussaateffizienz und nachfolgend der metabolischen Aktivität und der VEGFSynthese der BMC existieren. Humanes Knochenersatzmaterial zeigte sich in unserer Studie als überlegen. Daher sollte die Art des Knochenersatzmaterials für den künftigen klinischen Einsatz von BMC Berücksichtigung finden.
Bone marrow mononuclear cells (BMCs) are suitable for bone tissue engineering. Comparative data regarding the needs of BMC for the adhesion on biomaterials and biocompatibility to various biomaterials are lacking to a large extent. Therefore, we evaluated whether a surface coating would enhance BMC adhesion and analyze the biocompatibility of three different kinds of biomaterials. BMCs were purified from human bone marrow aspirate samples. Beta tricalcium phosphate (β-TCP, without coating or coated with fibronectin or human plasma), demineralized bone matrix (DBM), and bovine cancellous bone (BS) were assessed. Seeding efficacy on β-TCP was 95% regardless of the surface coating. BMC demonstrated a significantly increased initial adhesion on DBM and β-TCP compared to BS. On day 14, metabolic activity was significantly increased in BMC seeded on DBM in comparison to BMC seeded on BS. Likewise increased VEGF-synthesis was observed on day 2 in BMC seeded on DBM when compared to BMC seeded on BS. The seeding efficacy of BMC on uncoated biomaterials is generally high although there are differences between these biomaterials. Beta-TCP and DBM were similar and both superior to BS, suggesting either as suitable materials for spatial restriction of BMC used for regenerative medicine purposes in vivo.
Objectives: Reconstruction of long segmental bone defects is demanding for patients and surgeons, and associated with long-term treatment periods and substantial complication rates in addition to high costs. While defects up to 4–5 cm length might be filled up with autologous bone graft, heterologous bone from cadavers, or artificial bone graft substitutes, current options to reconstruct bone defects greater than 5 cm consist of either vascularized free bone transfers, the Masquelet technique or the Ilizarov distraction osteogenesis. Alternatively, autologous cell transplantation is an encouraging treatment option for large bone defects as it eliminates problems such as limited autologous bone availability, allogenic bone immunogenicity, and donor-site morbidity, and might be used for stabilizing loose alloplastic implants.
Methods: The authors show different cell therapies without expansion in culture, with ex vivo expansion and cell therapy in local bone defects, bone healing and osteonecrosis. Different kinds of cells and scaffolds investigated in our group as well as in vivo transfer studies and BMC used in clinical phase I and IIa clinical trials of our group are shown.
Results: Our research history demonstrated the great potential of various stem cell species to support bone defect healing. It was clearly shown that the combination of different cell types is superior to approaches using single cell types. We further demonstrate that it is feasible to translate preclinically developed protocols from in vitro to in vivo experiments and follow positive convincing results into a clinical setting to use autologous stem cells to support bone healing.
Purpose: Fractures of the humerus account for 5%–8% of all fractures. Nonunion is found with an incidence of up to 15%, depending on the location of the fracture. In case of a manifest nonunion the surgeon faces a challenging problem and has to conceive a therapy based on the underlying pathology. The aim of this study was to describe our treatment concepts for this entity and present our results of the last five years.
Methods: Twenty-six patients were treated for nonunion of the humerus between January 2013 and December 2017. Their charts were reviewed retrospectively and demographic data, pathology, surgical treatment and outcome were assessed.
Results: The most frequent location for a nonunion was the humeral shaft, with the most common trauma mechanism being multiple falls. Most often atrophic nonunion (n = 14), followed by hypertrophic and infection-caused nonunion (each n = 4), were found. Our treatment concept could be applied in 19 patients, of which in 90% of those who were available for follow-up consolidation could be achieved.
Conclusion: Humeral nonunion is a heterogeneous entity that has to be analyzed precisely and be treated correspondingly. We therefore present a treatment concept based on the underlying pathology.
Background: Surgical complications are associated with a significant burden to patients and hospitals and are increasingly discussed in recent literature. This cohort study reviewed surgery-related complications in a Level I trauma center. The effect of a complication avoidance care bundle on the rate of surgical complications was analyzed. Methods: All complications (surgical and nonsurgical) that occur in our trauma department are prospectively captured using a standardized documentation form and are discussed and analyzed in a weekly trauma Morbidity and Mortality (M&M) conference. Surgical complication rates are calculated using the annual surgical procedure numbers. Based on discussions in the M&M conference, a complication avoidance care bundle consisting of five measures was established: (1) Improving team situational awareness; (2) reducing operating room traffic by staff members and limiting door-opening events; (3) preoperative screening for infectious foci; (4) adapted preoperative antibiotic prophylaxis in anatomic regions with a high risk of infectious complications; and (5) use of iodine-impregnated adhesive drape. Results: The number of surgical procedures steadily increased over the study years, from 3587 in 2015 to 3962 in 2019 (an increase of 10.5%). Within this 5-year study period, the overall rate of surgical complications was 0.8%. Surgical site infections were the most frequently found complications (n = 40, 24.8% of all surgical complications), followed by screw malposition (n = 20, 12.4%), postoperative dislocations of arthroplasties (n = 18, 11.2%), and suboptimal fracture reduction (n = 18, 11.2%). Following implementation of the complication avoidance care bundle, the overall rate of surgical complications significantly decreased, from 1.14% in the year 2016 to 0.56% in the study year 2019, which represents a reduction of 51% within a 3-year time period. Conclusions: A multimodal strategy targeted at reducing the surgical complication rate can be successfully established based on a transparent discussion of adverse surgical outcomes. The combination of the different preventive measures was associated with reducing the overall complication rate by half within a 3-year time period.
In Bone Tissue Engineering (BTE), autologous bone-regenerative cells are combined with a scaffold for large bone defect treatment (LBDT). Microporous, polylactic acid (PLA) scaffolds showed good healing results in small animals. However, transfer to large animal models is not easily achieved simply by upscaling the design. Increasing diffusion distances have a negative impact on cell survival and nutrition supply, leading to cell death and ultimately implant failure. Here, a novel scaffold architecture was designed to meet all requirements for an advanced bone substitute. Biofunctional, porous subunits in a load-bearing, compression-resistant frame structure characterize this approach. An open, macro- and microporous internal architecture (100 µm–2 mm pores) optimizes conditions for oxygen and nutrient supply to the implant’s inner areas by diffusion. A prototype was 3D-printed applying Fused Filament Fabrication using PLA. After incubation with Saos-2 (Sarcoma osteogenic) cells for 14 days, cell morphology, cell distribution, cell survival (fluorescence microscopy and LDH-based cytotoxicity assay), metabolic activity (MTT test), and osteogenic gene expression were determined. The adherent cells showed colonization properties, proliferation potential, and osteogenic differentiation. The innovative design, with its porous structure, is a promising matrix for cell settlement and proliferation. The modular design allows easy upscaling and offers a solution for LBDT.
Treatment of large bone defects is one of the great challenges in contemporary orthopedic and traumatic surgery. Grafts are necessary to support bone healing. A well-established allograft is demineralized bone matrix (DBM) prepared from donated human bone tissue. In this study, a fibrous demineralized bone matrix (f-DBM) with a high surface-to-volume ratio has been analyzed for toxicity and immunogenicity. f-DBM was transplanted to a 5-mm, plate-stabilized, femoral critical-size-bone-defect in Sprague-Dawley (SD)-rats. Healthy animals were used as controls. After two months histology, hematological analyses, immunogenicity as well as serum biochemistry were performed. Evaluation of free radical release and hematological and biochemical analyses showed no significant differences between the control group and recipients of f-DBM. Histologically, there was no evidence of damage to liver and kidney and good bone healing was observed in the f-DBM group. Reactivity against human HLA class I and class II antigens was detected with mostly low fluorescence values both in the serum of untreated and treated animals, reflecting rather a background reaction. Taken together, these results provide evidence for no systemic toxicity and the first proof of no basic immunogenic reaction to bone allograft and no sensitization of the recipient.
Background: The treatment of severely injured patients, especially in older age, is complex, and based on strict guidelines. Methods: We conducted a retrospective study by analyzing our internal registry for mortality risk factors in deceased trauma patients. All patients that were admitted to the trauma bay of our level-1-trauma center from 2014 to 2018, and that died during the in-hospital treatment, were included. The aim of this study was to carry out a quality assurance concerning the initial care of severely injured patients. Results: In the 5-year period, 135 trauma patients died. The median (IQR) age was 69 (38–83) years, 71% were male, and the median (IQR) Injury Severity Score (ISS) was 25 (17–34) points. Overall, 41% of the patients suffered from severe traumatic brain injuries (TBI) (AIShead ≥ 4 points). For 12.7%, therapy was finally limited owing to an existing patient’s decree; in 64.9% with an uncertain prognosis, a ‘therapia minima’ was established in consensus with the relatives. Conclusion: Although the mortality rate was primarily related to the severity of the injury, a significant number of deaths were not exclusively due to medical reasons, but also to a self-determined limitation of therapy for severely injured geriatric patients. The conscientious documentation concerning the will of the patient is increasingly important in supporting medical decisions.
Hintergrund: Die stationäre Aufnahme von Patienten mit Prellungen wird in Kliniken der Akutversorgung regelhaft praktiziert. Dabei stehen die pathophysiologischen Unfallfolgen oft im Hintergrund. Ziel dieser retrospektiven monozentrischen Untersuchung war die Untersuchung der Ätiologie sowie der kostenverursachenden Faktoren und Refinanzierung bei Aufnahmen durch Prellungen.
Methodik: Es erfolgte die Abfrage der Patienten entsprechend den Entlassdiagnosen aus dem krankenhausinternen Informationssystem (KIS). Eingeschlossen wurden 117 Patienten in einem Zeitraum von 2 Jahren. Es erfolgten hier die Klassifizierung nach Unfallmechanismus sowie die Einteilung in Altersgruppen. Des Weiteren erfolgte die Kostenkalkulation anhand von abteilungs- und klinikspezifischen Tagessätzen.
Ergebnisse: Bezüglich der Ätiologie war der häusliche Sturz die häufigste Ursache (48,7 %), gefolgt von dem Hochrasanztrauma (22,8 %). Innerhalb der Gruppe des häuslichen Sturzes lag das Durchschnittsalter im Mittel bei 77,8 Jahre. Diese Gruppe zeigte die längste Verweildauer (VWD) mit 5,2 Tagen. Im Rahmen der kalkulierten Kosten zeigte die Gruppe nach häuslichem Sturz die höchsten Kosten mit 2596,24 € bei einem mittleren DRG-Erlös von 1464,51 €.
Diskussion: Die Auswertung der klinikinternen Daten bestätigte die subjektive Wahrnehmung, dass ein Großteil der nach Prellung aufgenommenen Patienten aus der Altersgruppe >65 Jahre stammt. Die Aufnahme erfolgt hier vor dem Hintergrund der in dieser Altersgruppe zunehmenden Komorbiditäten sowie zur Abwendung von Folgeerkrankungen und Folgen der Immobilisierung. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die Versorgungskosten gesundheitsökomisch relevant sind und die Behandlung in diesen Fällen nicht kostendeckend ist.