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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.
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.
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.
Since the introduction of rental E-scooters in Germany in mid-June 2019, the safety of this new means of transport has been the subject of extensive public debate. However, valid data on injuries and usage habits are not yet available. This retrospective two-center study included a total of 76 patients who presented to the emergency department following E-scooter-related accidents. The mean age was 34.3 ± 12.4 years and 69.7% of the patients were male. About half of the patients were admitted by ambulance (42.1%). Fractures were found in 48.6% of patients, and 27.6% required surgical treatment due to a fracture. The upper extremities were the most commonly affected body region, followed by injuries to the lower extremity and to the head and face. Only one patient had worn a helmet. In-hospital treatment was necessary for 26.3% of the cases. Patients presented to the emergency department mainly during the weekend and on-call times. This is the first report on E-scooter-related injuries in Germany. Accidents with E-scooters can cause serious injuries and, therefore, represent a further burden to emergency departments. The use of E-scooters appears to be mostly recreational, and the rate of use of protective gear is low.
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.
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.
Aim: The primary aim of this study was to analyze frequency and characteristics of combined facial and peripheral trauma with consecutive hospitalization and treatment.
Materials and methods: The study included all patients with concomitant orthopedic-traumatolgical (OT) and craniomaxillofacial (CMF) injuries admitted to our level I trauma center in 2018. The data were collected by analysis of the institution’s database and radiological reviews and included age, sex, injury type, weekday and time of presentation. All patients were examined and treated by a team of surgeons specialized in OT and CMF directly after presentation.
Results: A total number of 1040 combined OT and CMF patients were identified. Mean age was 33.0 ± 26.2 years. 67.3% (n = 700) were male patients. Primary presentation happened most frequently on Sundays (n = 199) and between 7 and 8 pm (n = 74). 193 OT fractures were documented, where cervical spine injuries were most frequent (n = 30). 365 facial and skull fractures were recorded. 10.8% of the 204 patients with fractures of the viscerocranium presented with at least one fracture of the extremity, 7.8% (16/204) with cervical spine fractures, 33.3% (68/204) with signs of closed brain trauma and 9.8% (20/204) with intracranial hemorrhage.
Discussion: The study shows a high frequency of combined facial with OT-injuries and brain damage in a predominantly young and male cohort. Attendance by interdisciplinary teams of both CMF and OT surgeons specialized in cervical spine trauma surgery is highly advisable for adequate treatment.
Conclusion: Diagnostics and treatment should be performed by a highly specialized OT and CMF team, with a consulting neurosurgeon in a level-1 trauma center to avoid missed diagnoses and keep mortality low.
Hintergrund: Aufgrund des Nachwuchsmangels muss die Chirurgie vermehrt für die Weiterbildung zum Chirurgen begeistern. Studierende bemängeln, dass ihr Unterricht nachrangig zur Patientenversorgung und durch die Faktoren Zeit und ärztliches Personal limitiert ist. Obwohl es viele Arbeiten mit Fokus auf die Studierenden gibt, fehlen Arbeiten mit dem Fokus auf die Sicht der Lehrenden. Ziel der Arbeit: Die Lehre im Fach Chirurgie im Stationsalltag und Ursachen von Problemen hierbei sollen aus Sicht der Lehrenden analysiert werden. Material und Methoden: Im Rahmen der prospektiven Studie wurde ein Leitfaden für semistrukturierte Interviews mit ausformulierten, offenen Fragen erstellt, die mit weiteren Spezifizierungsfragen versehen wurden. Alle Interviews wurden anhand des Leitfadens geführt und aufgezeichnet. Die Anzahl der Interviews ergab sich aus dem Prinzip der inhaltlichen Sättigung. Ergebnisse: Alle der 22 befragten Ärzte messen der Lehre im klinischen Alltag einen hohen Stellenwert bei. Dennoch beschreiben sie, dass die Lernziele im klinischen Alltag nicht immer erreicht werden. Als Hauptgrund hierfür wird die mangelnde Zeit genannt. Mit zunehmender klinischer Erfahrung kommen jedoch weitere Faktoren hinzu: Ober- und Chefärzte beklagen die zu geringen Vorkenntnisse und die zu geringe Motivation einiger Studierender. Die meisten Befragten beschreiben, keine Anerkennung für ihre Lehre zu erhalten. Insgesamt wird die studentische Lehre als zusätzliche Belastung wahrgenommen, die aber alle Befragten für lohnenswert halten. Diskussion: Neben Personalmangel ist die fehlende Anerkennung das wichtigste Hemmnis für eine effektive Lehre. Es ist daher wichtig, die Wertigkeit der Lehre durch die Belohnung guter Lehrleistungen und Schaffung einer dahingehenden Transparenz zu erhöhen.
Determination of the effective dose of bone marrow mononuclear cell therapy for bone healing in vivo
(2020)
Introduction: Cell-based therapy by bone marrow mononuclear cells (BMC) in a large-sized bone defect has already shown improved vascularization and new bone formation. First clinical trials are already being conducted. BMC were isolated from bone marrow aspirate and given back to patients in combination with a scaffold within some hours. However, the optimal concentration of BMC has not yet been determined for bone healing. With this study, we want to determine the optimal dosage of the BMC in the bone defect to support bone healing.
Material and methods: Scaffolds with increasing BMC concentrations were inserted into a 5 mm femoral defect, cell concentrations of 2 × 106 BMC/mL, 1 × 107 BMC/mL and 2 × 107 BMC/mL were used. Based on the initial cell number used to colonize the scaffolds, the groups are designated 1 × 106, 5 × 106 and 1 × 107 group. Bone healing was assessed biomechanically, radiologically (µCT), and histologically after 8 weeks healing time.
Results: Improved bone healing parameters were noted in the 1 × 106 and 5 × 106 BMC groups. A significantly higher BMD was observed in the 1 × 106 BMC group compared to the other groups. Histologically, a significantly increased bone growth in the defect area was observed in group 5 × 106 BMC. This finding could be supported radiologically.
Conclusion: It was shown that the effective dose of BMC for bone defect healing ranges from 2 × 106 BMC/mL to 1 × 107 BMC/mL. This concentration range seems to be the therapeutic window for BMC-supported therapy of large bone defects. However, further studies are necessary to clarify the exact BMC-dose dependent mechanisms of bone defect healing and to determine the therapeutically effective range more precisely.