Die valgisierende Tibiakopfosteotomie reduziert die Früharthroseentstehung im medialen Tibiaplateau nach Innenmeniskusteilresektion - Eine Untersuchung im translationalen Schafmodell

Abstract

Hintergrund. Die sekundäre Kniegelenksarthrose wird häufig durch Innenmeniskusläsionen verursacht und durch eine zusätzliche Varusfehlstellung aggraviert. Die valgisierende Tibiakopfosteotomie ist durch Reduktion der unikompartimentellen Überlastung im Kniegelenk eine etablierte Therapie bei symptomatischer medialer Gonarthrose und varischer Beinachse. Ihr Effekt auf die osteochondralen Veränderungen einer Früharthrose wurde jedoch bis dato in keiner Studie systematisch und hochauflösend untersucht. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Analyse des potenziell therapeutischen Effekts einer valgisierenden Tibiakopfosteotomie auf die Früharthroseentstehung im medialen tibialen Kompartiment nach Innenmeniskusvorderhornteilresektion im Großtiermodell.

Hypothesen. 1. Die Innenmeniskusvorderhornteilresektion induziert eine Früharthrose im medialen Tibiaplateau. 2. Die Entstehung dieser Früharthrose findet in einem spezifischen topographischen Muster statt. 3. Die Überlastung des medialen Tibiaplateaus durch eine varisierende Tibiakopfosteotomie beschleunigt die Entstehung einer Früharthrose. 4. Die Entlastung des medialen Tibiaplateaus durch eine valgisierende Tibiakopfosteotomie verlangsamt die Entstehung einer Früharthrose.

Methodik. Zur Arthroseinduktion wurden 24 Schafe einer partiellen Innenmeniskusvorderhornteilresektion am rechten Kniegelenk unterzogen. Zusätzlich erhielten ipsilateral je 8 Tiere eine Tibiakopfosteotomie ohne Veränderung der mechanischen Beinachse (pMMx), 8 eine varisierende, überlastende Tibiakopfosteotomie (Varus + pMMx) und 8 eine valgisierende, entlastende Tibiakopfosteotomie (Valgus + pMMx). Das linke Kniegelenk diente als nicht operierte Kontrolle (Kontrollgruppe). Sechs Wochen postoperativ wurden die Tiere euthanasiert und osteochondrale Veränderungen makroskopisch, radiologisch, mikro-computertomographisch, biochemisch sowie histologisch und immunhistochemisch analysiert.

Ergebnisse. Die wichtigste Erkenntnis dieser Studie im translationalen Großtiermodell ist der bereits zu diesem frühen Zeitpunkt nachweisbare protektive, örtlich umschriebene Effekt der valgisierenden (entlastenden) Tibiakopfosteotomie auf die osteochondrale Einheit des medialen Tibiaplateaus. Dies zeigte sich makroskopisch in den meniskusbedeckten anterioren und intermediären Anteilen des medialen Tibiaplateaus (anterior- und intermediär-peripher) und histopathologisch (anterior-peripher) durch fehlende statistisch signifikante Unterschiede zwischen Kontrollgruppe und Valgus + pMMx. Im Gegensatz dazu unterschieden sich Kontrollgruppe und pMMx einerseits und Kontrollgruppe und Varus + pMMx andererseits signifikant voneinander. Die signifikant starke Korrelation zwischen der Dicke der subchondralen Knochenplatte und der Dicke des hyalinen Knorpels in der Kontrollgruppe stellte sich in pMMx abgeschwächt dar und wurde in Valgus + pMMx größtenteils wiederhergestellt. Der Trabekeluntergang, nachgewiesen in der pMMx und Varus + pMMx anhand einer signifikanten Reduktion des Knochenvolumenanteils (BV/TV), der Trabekeldicke (Tb. Th) und der fraktalen Dimension (FD) sowie einer signifikanten Erhöhung des Knochenoberflächen-Knochenvolumenverhältnis (BS/BV) und des Struktur-Modell-Index (SMI), allerdings nicht in der Kontrollgruppe, wurde durch eine medial entlastende Tibiakopfosteotomie verhindert. Ein erniedrigter Proteoglykangehalt und ein erhöhter Kollagengehalt in Varus + pMMx kennzeichneten die frühe Form einer gestörten Integrität der extrazellulären Matrix. Nur Varus + pMMx wies eine signifikant gestörte Integrität der subchondralen Knochenplatte auf. Dies manifestierte sich in einer Reduktion des Knochenvolumenanteils (BV/TV) und der Knochenmineraldichte (BMD) sowie in einer Erhöhung des Knochenoberflächen-Knochenvolumenverhältnis (BS/BV) und der Knochenoberflächendichte (BS/TV) in mehreren Zonen des medialen Tibiaplateaus. Die multivariate Analyse offenbarte eine hohe Ähnlichkeit zwischen den Therapiegruppen und bestätigte die sehr frühe Phase einer Arthrose.

Schlussfolgerung. Die reduzierte Belastung des medialen Kompartiments durch eine valgisierende Tibiakopfosteotomie wirkt den durch eine Innenmeniskusvorderhornteilresektion induzierten früharthrotischen Veränderungen im medialen tibialen Kompartiment effektiv entgegen.

Klinische Relevanz. Die vorliegende Studie unterstützt den therapeutischen Nutzen einer unikompartimentellen Entlastung durch eine valgisierende Tibiakopfosteotomie in einem klinisch relevanten translationalen Großtiermodell. Hypothesen. 1. Die Innenmeniskusvorderhornteilresektion induziert eine Früharthrose im medialen Tibiaplateau. 2. Die Entstehung dieser Früharthrose findet in einem spezifischen topographischen Muster statt. 3. Die Überlastung des medialen Tibiaplateaus durch eine varisierende Tibiakopfosteotomie beschleunigt die Entstehung einer Früharthrose. 4. Die Entlastung des medialen Tibiaplateaus durch eine valgisierende Tibiakopfosteotomie verlangsamt die Entstehung einer Früharthrose. Methodik. Zur Arthroseinduktion wurden 24 Schafe einer partiellen Innenmeniskusvorderhornteilresektion am rechten Kniegelenk unterzogen. Zusätzlich erhielten ipsilateral je 8 Tiere eine Tibiakopfosteotomie ohne Veränderung der mechanischen Beinachse (pMMx), 8 eine varisierende, überlastende Tibiakopfosteotomie (Varus + pMMx) und 8 eine valgisierende, entlastende Tibiakopfosteotomie (Valgus + pMMx). Das linke Kniegelenk diente als nicht operierte Kontrolle (Kontrollgruppe). Sechs Wochen postoperativ wurden die Tiere euthanasiert und osteochondrale Veränderungen makroskopisch, radiologisch, mikrocomputertomographisch, biochemisch sowie histologisch und immunhistochemisch analysiert. Ergebnisse. Die wichtigste Erkenntnis dieser Studie im translationalen Großtiermodell ist der bereits zu diesem frühen Zeitpunkt nachweisbare protektive, örtlich umschriebene Effekt der valgisierenden (entlastenden) Tibiakopfosteotomie auf die osteochondrale Einheit des medialen Tibiaplateaus. Dies zeigte sich makroskopisch in den meniskusbedeckten anterioren und intermediären Anteilen des medialen Tibiaplateaus (anterior- und intermediär-peripher) und histopathologisch (anterior-peripher) durch fehlende statistisch signifikante Unterschiede zwischen Kontrollgruppe und Valgus + pMMx. Im Gegensatz dazu unterschieden sich Kontrollgruppe und pMMx einerseits und Kontrollgruppe und Varus + pMMx andererseits signifikant voneinander. Die signifikant starke Korrelation zwischen der Dicke der subchondralen Knochenplatte und der Dicke des hyalinen Knorpels in der Kontrollgruppe stellte sich in pMMx abgeschwächt dar und wurde in Valgus + pMMx größtenteils wiederhergestellt. Der Trabekeluntergang, nachgewiesen in der pMMx und Varus + pMMx anhand einer signifikanten Reduktion des Knochenvolumenanteils (BV/TV), der Trabekeldicke (Tb. Th) und der fraktalen Dimension (FD) sowie einer signifikanten Erhöhung des Knochenoberflächen-Knochenvolumenverhältnis (BS/BV) und des Struktur-Modell-Index (SMI), allerdings nicht in der Kontrollgruppe, wurde durch eine medial entlastende Tibiakopfosteotomie verhindert. Ein erniedrigter Proteoglykangehalt und ein erhöhter Kollagengehalt in Varus + pMMx kennzeichneten die frühe Form einer gestörten Integrität der extrazellulären Matrix. Nur Varus + pMMx wies eine signifikant gestörte Integrität der subchondralen Knochenplatte auf. Dies manifestierte sich in einer Reduktion des Knochenvolumenanteils (BV/TV) und der Knochenmineraldichte (BMD) sowie in einer Erhöhung des Knochenoberflächen-Knochenvolumenverhältnis (BS/BV) und der Knochenoberflächendichte (BS/TV) in mehreren Zonen des medialen Tibiaplateaus. Die multivariate Analyse offenbarte eine hohe Ähnlichkeit zwischen den Therapiegruppen und bestätigte die sehr frühe Phase einer Arthrose. Schlussfolgerung. Die reduzierte Belastung des medialen Kompartiments durch eine valgisierende Tibiakopfosteotomie wirkt den durch eine Innenmeniskusvorderhornteilresektion induzierten früharthrotischen Veränderungen im medialen tibialen Kompartiment effektiv entgegen. Klinische Relevanz. Die vorliegende Studie unterstützt den therapeutischen Nutzen einer unikompartimentellen Entlastung durch eine valgisierende Tibiakopfosteotomie in einem klinisch relevanten translationalen Großtiermodell.

Background. Secondary knee osteoarthritis (OA) is frequently induced by medial meniscal lesions, often aggravated by varus malalignment. Medial opening wedge high tibial osteotomy (HTO) is a clinically widely used therapy for medial compartment OA and varus malalignment of the knee by reducing unicompartmental overload. Thus its effects on osteochondral changes of early OA have never been studied systematically in detail. The main goal of this study was the evaluation of the potential therapeutic effect of open wedge HTO on the pattern of early OA development in the medial osteochondral unit induced by partial medial anterior meniscectomy (pMMx) in a large animal model.

Hypotheses. 1. The partial medial anterior meniscectomy induces early OA in the medial tibial compartment. 2. The OA development takes place in a specific topographic pattern. 3. The overload of the medial compartment, resulting from varus malalignment, accelerates OA development. 4. The reduced load of the medial compartment, resulting from valgus malalignment, decelerates OA development.

Methods. In a translational large animal model, 24 sheep received partial medial anterior meniscectomy on their right knees for OA induction. Additionally, the sheep received HTO ipsilaterally: 8 without axial malalignment (pMMx), 8 resulting in varus (varus + pMMx) and 8 resulting in valgus (valgus + pMMx) malalignment. Left legs served as unoperated controls (control). Sheep were euthanized after 6 weeks and OA changes in the medial tibial plateaus were examined by macroscopy, radiography, micro-CT, biochemistry, histology and immunochemistry.

Results. The most important finding of this large animal study is the protective and localized effect of valgus HTO on the osteochondral unit of the medial tibial compartment. This was verified macroscopically in the anterior and intermediate meniscus covered region of the medial tibial plateau (anterior- and intermediate-peripheral) and histopathological by missing statistical differences between control and valgus + pMMx (anterior-peripheral). In contrast the comparison of control with pMMx and varus + pMMx revealed significant differences. Significant strong correlations of the cartilage and subchondral bone plate thickness in the control group, weakening in pMMx, were largely restored by valgus + pMMx. Valgus + pMMx avoided OA trabecular degeneration observed in the subarticular spongiosa of the pMMx and varus + pMMx groups (significantly decreased BV/TV, Tb. Th, FD, and increased BS/BV, Tb. Pf, and SMI), but not in control. A decreased proteoglycan and increased collagen content in varus + pMMx indicated early disturbance in the integrity of the extracellular matrix. Only varus + pMMx showed a significantly disturbed integrity of the subchondral bone plate, detected by reduction of BV/TV and BMD as well as increase of BS/BV and BS/TV in many regions of the medial tibial plateau. Multivariate analysis confirmed the very early phase of OA by high similarities between the treatment groups.

Conclusion. Reduced load in the medial compartment resulting from valgus HTO significantly inhibited early OA development resulting from partial medial anterior meniscectomy.

Clinical Relevance. These data provide significant early translational evidence for the causative efficiency of axial re-alignment by valgus HTO.