Präzise mikrostrukturelle Analyse der frühen osteochondralen Reparatur im Kontext markstimulierender Verfahren in translationalen Tiermodellen

Abstract

Articular cartilage defects do not heal. Microfracture, the most commonly applied marrow stimulation procedure, results in fibrocartilaginous repair and induces alterations of the subchondral bone. These alterations are emerging as considerable clinical problems and include intra-lesional osteophytes, residual microfracture holes, peri-hole bone resorption, and subchondral bone cysts. A precise distinction between different alteration patterns is becoming increasingly important. Of similar importance, enhanced microfracture techniques with additional application of bone marrow aspirate may avoid these pathological subchondral bone changes. In the present study, we selected the microfracture technique to precisely investigate osteochondral repair in the context of marrow stimulation in minipig and sheep models. A second focus was placed on the early effects of debridement and microfracture treatment without or with bone marrow aspirate on the osteochondral unit in a fullthickness minipig chondral defect model after 4 weeks in vivo. Based on the continuous micro-CT datasets, we designed a tailored algorithm to analyze the subchondral bone changes following microfracture treatment in two animal models, allowing for a clear definition of each entity. We demonstrated that this novel algorithm is highly reliable, reproducible, and valid. Comparison analysis with the best existing semi-quantitative evaluation method supported the enhanced precision of this algorithm. Moreover, comparing microfracture without or with autologous bone marrow aspirate revealed that microfracture induced a substantial early resorption of the subchondral bone. These changes were counteracted by the additional application of bone marrow aspirate. These data suggest that microfracture induced a substantial early resorption of the subchondral bone which can be precisely analyses. They also highlight the potential value of bone marrow aspirate as an adjunct to marrow stimulation to counteract subchondral bone alterations following cartilage repair procedures.

Technik zur Markraumstimulation, die Mikrofrakturierung, führt zu einer fibrokartilaginären Reparatur und induziert Veränderungen des subchondralen Knochens. Diese Alterationen treten als erhebliche klinische Probleme auf und schließen intraläsionale Osteophyten, verbleibende Mikrofrakturlöcher, periläsionale Knochenresorption und subchondrale Knochenzysten ein. Eine genaue Unterscheidung zwischen den verschiedenen Veränderungsmustern gewinnt zunehmend an Bedeutung. Von ähnlicher Wichtigkeit sind verbesserte Mikrofrakturierungstechniken mit zusätzlicher Anwendung von autologen Knochenmarkaspirat, um diese pathologischen subchondralen Knochenveränderungen zu reduzieren. In der vorliegenden Studie haben wir die Technik der Mikrofrakturierung ausgewählt, um die subchondralen Knochenveränderungen nach Markraumstimulation zu untersuchen. Ein weiterer Fokus wurde auf die frühen Effekte von Débridement und Mikrofrakturierungsbehandlung ohne oder mit Applikation von autologem Knochenmarkaspirat auf die osteochondrale Einheit in einem vollschichtigen chondralen Minipig-Defektmodell nach 4 Wochen in vivo gelegt. Basierend auf kontinuierlichen Micro-CT-Datensätzen haben wir einen präzisen Algorithmus entwickelt, um die subchondralen Knochenveränderungen nach der Mikrofrakturierung in zwei Tiermodellen zu analysieren und eine klare Definition der einzelnen Veränderungen zu ermöglichen. Dieser neuartige Algorithmus ist zuverlässig, reproduzierbar und valide. Die Vergleichsanalyse mit der bestmöglichen semiquantitativen Bewertungsmethode unterstrich seine verbesserte Präzision. Darüber hinaus zeigen die Daten vom Vergleich der Mikrofrakturierung ohne oder mit Knochenmarkaspirat, dass die Mikrofrakturierung eine wesentliche frühe Resorption des subchondralen Knochens induziert. Diesen Veränderungen wirkt die zusätzliche Anwendung von Knochenmarkaspirat entgegen. Diese Daten lassen vermuten, daß die Mikrofrakturierung eine substanzielle frühe Resorption des subchondralen Knochens induziert. Durch den neu entwickelten Algorithmus sind diese pathologischen Veränderungen präzise analysierbar. Die Daten heben ebenfalls den Wert von autologem Knochenmarkaspirat als möglicher Zusatz zur Markraumstimulation hervor, um subchondralen Knochenveränderungen nach rekonstruktiver Knorpelchirurgie entgegenzuwirken.