Unterkieferrekonstruktion mit axial vaskularisiertem Knochenersatz

Hintergrund:

Eine Rekonstruktion des Unterkiefers ist nach Tumorresektionen, Infektionen oder Traumata erforderlich, die zu schweren Defekten der Kontinuität des Unterkieferbogens und zum Verlust von Zähnen führen. Die grundlegende Rekonstruktion umfasst die Verwendung von nicht vaskularisierten Knochentransplantaten zusammen mit der Wiederherstellung verlorener Zähne durch Zahnimplantate und implantatgetragene Prothesen. Kleinere Knochendefekte (

Gewebezüchtung und Regenerative Medizin hängen vom Vorhandensein eines Biomaterials ab, das das Zellwachstum und die Proliferation fördert. Um dieses Biomaterial (Scaffold) mit neuem Gewebe zu bestücken, muss der Körper effektiv mit diesem Biomaterial interagieren. Dies erfordert die Etablierung einer frühen und zuverlässigen angiogenen Reaktion, die zur Entwicklung einer angemessenen Blutversorgung für die Wiederherstellung von Struktur und Funktion führt. (Hodde 2002) Die drei Hauptkomponenten, die für die Regeneration benötigt werden, sind die Zellen, Gerüste und Induktionsmoleküle. Bei der In-vitro-Züchtung von Geweben (Tissue Engineering) sollten alle drei Komponenten vorhanden sein, wenn man sich jedoch auf die Regenerative Medizin bezieht, kann jede dieser Komponenten dem Körper zugeführt werden, um seine Fähigkeit zur Regeneration seines eigenen Gewebes zu optimieren. Das Hinzufügen von Zellen oder Wachstumsfaktoren zu den Biomaterialien kann die Geweberegeneration verstärken (Pellegrini et al. 2009), aber die Vaskularisierung und damit die Integration dieser Biomaterialien wird immer noch als entscheidender Faktor für den Erfolg der Regeneration von Defekten kritischer Größe angesehen. (Novosel et al. 2011) Die Anwendung von Prinzipien der Regenerativen Medizin im Bereich der kranio-maxillofazialen Rekonstruktion ist mittlerweile zur täglichen Praxis geworden. Das breite Anwendungsspektrum reicht von der einfachen Zugabe von bioaktiven Knochenfüllstoffen bis hin zu viel anspruchsvolleren Techniken für Knochenersatz und -rekonstruktion. Die Indikationen umfassten die Rekonstruktion nach geringfügigen Entwicklungsstörungen, Traumata, Infektionen, gutartigen Zysten oder Tumoren, selten jedoch nach Exzision eines bösartigen Tumors. (Clokie und Sandor 2008; Schuckert et al. 2009; Trautvetter et al. 2011) Warnke et al. (Warnke et al. 2004), die eine völlig andere Technik als in den vorherigen Fallberichten verwendeten, berichteten den einzigen Fall einer Regeneration nach Krebsablation. Der hauptsächliche technische Unterschied bezog sich auf die Vaskularisierung des regenerierten Gewebes. Während alle gemeldeten Fälle für die Unterkieferregeneration die herkömmliche extrinsische Vaskularisierungsstrategie verwendeten, bei der die Konstrukte einer parasitären Blutversorgung von der Empfängerstelle der Implantation überlassen wurden, verwendeten Warnke et al. (Warnke et al. 2004) eine axiale Vaskularisierungsstrategie durch a Prälaminierungsverfahren im Latissimus dorsi (LD)-Muskel, gefolgt von einem freien Gewebetransfer des regenerierten Unterkiefers. Obwohl diese Technik knöcherne Entnahmestellenmorbiditäten vermied, stellte die Notwendigkeit, den LD-Muskel zu entnehmen, einen großen Nachteil dieser Prälaminierungstechnik dar. Dieser Einzelfallbericht verdeutlichte die Notwendigkeit eines effizient vaskularisierten Konstrukts, wenn die regenerative Therapie bei größeren und wiederkehrenden Defekten angewendet werden soll.

Die axiale Vaskularisierung von Scaffolds zielt darauf ab, das Konstrukt über eine definierte und dedizierte Gefäßachse mit Blut zu versorgen. Dabei wird die Blutversorgung des Konstrukts nicht zufällig vom Implantationsort erfasst und somit die Implantation in einem Bereich mit geringem Vaskularisationspotential, wie es bei bestrahlten oder fibrosierten Operationsstellen möglich wäre (Kneser et al. 2006). Die beiden Haupttechniken für die axiale Vaskularisierung sind Vorlaminierung und Vorfertigung.

Die Vorfertigung eines Gewebekonstrukts erfolgt einfach durch Implantieren einer arterio-venösen Fistel oder Schleife (AVL) oder eines Gefäßstiels unter oder innerhalb des Konstrukts. Dies führt zu einem spontanen Aussprossen von Gefäßen aus der Schleife oder dem Stiel und anschließender Revaskularisierung des gesamten Gewebekonstrukts (Erol und Spira 1979; Guo und Pribaz 2009). Die Vorlaminierung ist eine weitere Technik, die 1994 von Pribaz und Fine (Pribaz und Fine 1994) eingeführt wurde, bei der die Implantation eines Konstrukts in ein vaskularisiertes Gebiet (Lappen) durchgeführt wird, um eine kundenspezifische vaskularisierte Einheit zu schaffen. Das Endergebnis beider Techniken ist eine axial vaskularisierte Einheit, die für ihre Ernährung von einer definierten Gefäßachse abhängt.

Zwei weitere wichtige Begriffe, die in diesem Zusammenhang zu erwähnen sind, sind „intrinsische“ und „extrinsische“ Vaskularisationsmodi. Die extrinsische Vaskularisierung eines Konstrukts bedeutet, dass die Blutversorgung von der Peripherie zum Zentrum erfolgt, während der intrinsische Vaskularisierungsmodus bedeutet, dass die Kernregion des Konstrukts zuerst vaskularisiert wird (Lokmic und Mitchell 2008). Dementsprechend wird die Vorfertigung als eine intrinsische axiale Vaskularisierungsstrategie angesehen. Das Konstrukt in der Prälaminierung ist jedoch extrinsisch vaskularisiert innerhalb eines intrinsisch vaskularisierten Territoriums (Eweida et al. 2012).

Da die Rekonstruktion anspruchsvoller oder bestrahlter Knochendefekte eine axial vaskularisierte Gewebemasse erfordert, führt die Anwendung der Prälaminierungsstrategie immer zu einer bemerkenswerten Morbidität an der Spenderstelle, bei der das gesamte vaskularisierte Gebiet (meistens ein Muskellappen) an die Empfängerstelle übertragen werden sollte (Mesimaki et al. 2009; Warnke et al. 2004). Die Vorfertigungstechnik erfordert jedoch, wenn sie auf ein Gewebekonstrukt angewendet wird, nur die Übertragung dieses Konstrukts mit seinem Stiel, wodurch die Morbidität an der Entnahmestelle auf ein Minimum verringert wird. Darüber hinaus könnte die Präfabrikationstechnik an der Empfängerstelle als primäre Rekonstruktionstechnik angewendet werden, wodurch die Morbidität an der Entnahmestelle vollständig beseitigt wird (Eweida et al. 2014; Horch et al. 2014).

Eine der am intensivsten untersuchten Techniken zur Induktion einer axialen Vaskularisierung in den Gewebekonstrukten ist die arterio-venöse Schleife oder Fistel (Arkudas et al. 2013; Horch et al. 2012) und ihre Überlegenheit gegenüber dem Gefäßbündel in Bezug auf Gefäßdichte und Gewebe Regenerationspotential wurde eindeutig nachgewiesen (Tanaka et al. 2003).

Präklinische Daten:

Die erste dokumentierte Idee zur axialen Vaskularisierung unter Verwendung der AV-Schleife wurde 1979 von Erol und Spira (Erol und Spira 1979) in einem Rattenmodell beschrieben. Morrison et al. entwickelten das Modell weiter und führten die Schleife in Isolationskammern ein (Hofer et al. 2003). Sie demonstrierten erfolgreich die Induktion der Vaskularisierung in Polymer- und Gelmatrices (Cassell et al. 2001). Seit 2006 wurden das Design und die Charakterisierung der Isolationskammern und der Einsatz der AV-Schleife durch die Arbeit von Horch et al. (Kneser et al. 2006) weiterentwickelt, wo das Engineering von vaskularisiertem transplantierbarem Knochen von dieser Forschungsgruppe erstmals erfolgreich demonstriert wurde . Nach erfolgreicher Evaluierung der axialen Vaskularisation in verschiedenen Knochenersatzmaterialien wurde das Konzept vom Rattenmodell auf ein Großtiermodell (Schaf) übertragen (Beier et al. 2011; Boos et al. 2012). Basierend auf diesem Modell wurde eine axiale Vaskularisation in Konstrukten induziert, die aus verarbeitetem bovinem Spongiosaersatzmaterial und ß-TCP/HA (Tricalciumphosphat/Hydroxylapatit)-Scaffolds bestanden. Die Schaf-AV-Schleife zeigte ähnliche Vaskularisationsmuster wie die der Ratte, aber die optimale Vaskularisationsdichte wurde nach einer längeren Dauer (8-12 Wochen gegenüber 4 Wochen) erreicht (Boos et al. 2011). Die Induktion der Knochenneubildung in der axial vaskularisierten Schaf-Isolationskammer wurde dann durch die Implantation von MSC (Mesenchymal Stem Cells) in Kombination mit dem osteogenen Wachstumsfaktor BMP auf Basis eines klinisch anwendbaren ß-TCP/HA-Knochenersatzmaterials nachgewiesen (Boos et al. 2013) .

2011 führten die Forscher das AV-Loop-Modell erstmals für die Unterkieferrekonstruktion bei Ziegen ein (Eweida et al. 2012; Eweida et al. 2011). Die Forscher konnten eine erfolgreiche Regeneration von marginalen Unterkieferdefekten kritischer Größe durch axiale Vaskularisierung von mit BMP (Bone morphogenic protein) beladenen ßTCP/HA-Scaffolds nachweisen. Die Technik wurde zuvor ausführlich diskutiert (Eweida et al. 2014; Eweida et al. 2012; Eweida et al. 2011). Kurz gesagt wurde ein Randdefekt von kritischer Größe (3 x 2 cm) am Winkel des Ziegenunterkiefers erzeugt. Ein Gerüst gleicher Größe aus ßTCP/HA wurde gerillt, um die AV-Schleife aufzunehmen, die durch direkte Anastomose lokal verfügbarer Gefäße unter dem Operationsmikroskop erzeugt wurde. Das Gerüst wurde dann auf eine Titanplatte montiert und am Unterkiefer fixiert. Durch unsere Vergleichsstudien zwischen den AV-Loop- und den Nicht-AV-Loop-Konstrukten zeigten die axial vaskularisierten Konstrukte eine signifikant stärkere zentrale Vaskularisierung und eine deutlich verbesserte zentrale Knochenbildung. Die biomechanischen Eigenschaften wurden ebenfalls bemerkenswert verbessert. Die Sicherheit und Wirksamkeit des Modells auf präklinischer Ebene wurde während einer Nachbeobachtungszeit von 6 Monaten erfolgreich nachgewiesen (Eweida et al. 2014).

Bisherige klinische Daten:

Nur zwei frühere Studien stellten Fallberichte über kraniofaziale Knochenregeneration unter Verwendung von axial vaskularisiertem Knochenersatz dar (nicht-randomisierte Vaskularisierung). Die erste Studie wurde 2004 von Warnke et al. (Warnke et al. 2004) veröffentlicht und 2006 weiter ausgewertet (Warnke et al. 2006). Die Autoren verwendeten eine Prälaminierungstechnik im LD-Muskel von Rindermineralblöcken (BioOss), um einen großen Unterkieferdefekt zu rekonstruieren. Der Defekt wurde 8 Jahre nach subtotaler Mandibulektomie und Bestrahlung rekonstruiert. Das Konstrukt wurde mit BMP und autogenem Knochenmarksaspirat aus dem Beckenkamm beladen. Obwohl diese Prälaminierungsstrategie zur Unterkieferregeneration einige vielversprechende erste Ergebnisse gezeigt hat, waren die Langzeitergebnisse nicht frei von Komplikationen.

Der zweite Bericht wurde 2009 von Mesimaki et al. (Mesimaki et al. 2009) veröffentlicht, die über eine ähnliche Prälaminierungstechnik zur Vaskularisierung eines Knochenersatzmaterials aus ß-TCP (Beta-Trikalziumphosphat) im M. rectus abdominis berichteten. Das vaskularisierte Konstrukt wurde verwendet, um einen komplexen Oberkieferdefekt nach Hemimaxillektomie aufgrund einer großen Keratozyste zu rekonstruieren. Eine umfangreiche Literaturrecherche (bis 06.2019) hat gezeigt, dass die Vorfertigung mittels AV-Loop nie zur Knochenregeneration im kraniofazialen Bereich eingesetzt wurde.

Die eingeführte Technik der axialen Vaskularisierung von Knochenersatzmaterial wurde jedoch erfolgreich am Menschen demonstriert. Ein Fallbericht wurde von Horch et al. vorgestellt, die eine erfolgreiche Knochenregeneration und axiale Vaskularisierung in situ unter Verwendung des AV-Loop-Modells bei zwei Patienten mit knöchernen Defekten in der Speiche und der Tibia gezeigt haben (Horch et al. 2014). Horch et al. haben eine sichere und erfolgreiche Technik, ermutigende Ergebnisse und eine komplikationsfreie Nachbeobachtungszeit von 72 Monaten demonstriert.

Ziel:

Anwendung und Beurteilung der Technik der axialen Vaskularisation eines Knochenersatzmaterials mit Hilfe der arteriovenösen Schleife (AVL) zur Rekonstruktion eines Unterkieferdefekts

Patienten und Methoden:

Zehn Patienten werden in diese prospektive Studie aufgenommen.

Einverständniserklärung:

Die Patienten werden durch eine dokumentierte schriftliche Einverständniserklärung in arabischer Sprache vollständig orientiert. Die informierte schriftliche Einwilligung umfasst die folgenden Punkte:

• Das Verfahren ist forschungsnah (Anwendung dieser Technik im kraniofazialen Bereich)
• Der Zweck dieser Forschung.
• Alternative Methoden zur Unterkieferrekonstruktion.
• Die technischen Details des Verfahrens.
• Vor- und Nachteile der Technik.
• Die Risiken des Verfahrens.
• Die möglichen peri- und postoperativen Nebenwirkungen.
• Der Managementplan für die möglichen Nebenwirkungen.
• Eine Erklärung, dass die Teilnahme freiwillig ist, die Verweigerung der Teilnahme zieht keine Strafe oder den Verlust von Vorteilen nach sich, auf die der Patient ansonsten Anspruch hat, und der Patient kann die Teilnahme jederzeit ohne Strafe oder Verlust von Vorteilen beenden, auf die der Proband ansonsten Anspruch hat
• Eine Erklärung, an wen Sie sich wenden können, um Fragen zum Verfahren und zu den Patientenrechten zu beantworten, und an wen Sie sich im Falle einer forschungsbedingten Verletzung des Patienten wenden können.

Präoperative Beurteilung:

Der Patient wird einer gründlichen Anamneseerhebung und vollständigen medizinischen Untersuchungen unterzogen.

Die Untersuchungen umfassen:

• Routinelaboruntersuchungen (Gerinnungsprofil, Nüchternblutzucker, Serumkreatinin, Blutharnstoff, großes Blutbild)
• Panorama-Röntgenaufnahme des Unterkiefers
• Computertomographische Angiographie (CTA) der Kopf-Hals-Region.
• Dreidimensionaler Druck des Unterkiefers und des Defekts zur Erleichterung der präoperativen Orientierung, Vorbiegung der Platte und des Netzes

Chirurgische Maßnahmen:

Der Eingriff wird unter Vollnarkose in Rückenlage durchgeführt. Durch einen submandibulären Hautschnitt wird der Unterkiefer freigelegt. Der Defekt wird durch Knochenkürettage aufgefrischt. Die vorgeformte Rekonstruktionsplatte wird am Unterkiefer befestigt und durchquert den Defekt. Ein vorgeformtes U-förmiges Titannetz wird am Unterkiefer angebracht und mit Schrauben fixiert. Die ipsilaterale Gesichtsarterie und -vene (oder andere verfügbare Gefäßachsen bei Fehlen der Gesichtsgefäßachse) werden unter Verwendung des Operationsmikroskops über ein umgekehrtes Venentransplantat anastomosiert, um eine aus dem Unterarm entnommene AV-Schleife zu erzeugen. Die AV-Schleife wird innerhalb des Defekts verlegt. Das Titannetz wird gefüllt mit einer Mischung aus:

1. Silikatisiertes Hydroxylapatit-Granulat (NanoBone® Fläschchen 1,2 ml, ARTOSS, Rostock, Deutschland).
2. Autogenes Knochenmarksaspirat aus dem Beckenkamm.
3. Knochenmorphogenes Protein 2 (BMP 2-InductOs®, Medtronic BioPharma B.V., Tolochenaz, Schweiz) Die submandibuläre Wunde schloss sich schichtweise.

Nachverfolgung und Auswertung:

Enge Überwachung des Patienten hinsichtlich der Vitalfunktionen, Durchgängigkeit der AV-Schleife (über Handdoppler) und möglicher perioperativer Komplikationen. Der Patient wird am 3. Tag nach der Operation entlassen. Der Patient wird regelmäßig jede Woche auf Wundheilung, Durchgängigkeit der AVL und mögliche postoperative Komplikationen untersucht. Serienröntgen (Panoramaansicht) wird monatlich durchgeführt, um die neue Knochenbildung zu überwachen. CTA wird nach 6 Monaten durchgeführt.

Entsprechend dem klinischen und radiologischen Befund wird nach vollständiger Defektheilung (6-9 Monate postoperativ) eine weitere zahnärztliche Rehabilitation geplant. Knochenbiopsien aus der Zahnrehabilitation (Knochenbohrungen für Implantate) werden nach der Entkalkung mit der Standard-H&E-Färbung auf Knochenqualität und Vaskularisation untersucht.

Qualitative und quantitative Daten von Panorama-Röntgenaufnahmen, CTA und histologischer Analyse werden ausgewertet für:

1. Knochenregeneration und -dichte.
2. Vaskularisation von Knochenersatzstoffen. Die Ergebnisse werden tabelliert und mit der Literatur verglichen.

Risikoanalyse:

Nach dem erfolgreichen Nachweis der Sicherheit und Wirksamkeit der „AV-Loop-Vaskularisationstechnik“ auf präklinischer und klinischer Ebene glauben wir, dass es an der Zeit ist, mit der Anwendung der Technik für die Regeneration des Unterkiefers zu beginnen. Diese neue Anwendung wird jedoch nicht ohne Herausforderungen sein. Ein Hauptanliegen wären die hämodynamischen Veränderungen, die sich aus der AV-Fistel ergeben. Obwohl in der Literatur nie über ein ähnliches Modell berichtet wurde, belegen Berichte über die Verwendung einer distalen arteriovenösen Fistel, dass eine kontrollierte Fistel, die in einer peripheren Arterie platziert wird, gut vertragen wird, vorausgesetzt, dass die Größe der Fistel weniger als 1 cm beträgt und die Fistel weniger als 20 Prozent des Herzzeitvolumens akzeptiert (Blaisdell et al. 1966; Eweida et al. 2013; Horch et al. 2014; Tukiainen et al. 2006). In Bezug auf Knochendichte und Mineralisierung distal einer AV-Fistel werden in der Literatur widersprüchliche Ergebnisse gezeigt, die von einem Anstieg des Knochenwachstums (Vanderhoef et al. 1963) bis hin zu einer verringerten Mineralisierung und einer verstärkten Osteopenie (Muxi et al. 2009) reichen. Diese Studien konzentrierten sich auf die Hämodynamik und ihren Einfluss auf das Knochenwachstum distal der Fistel. Die Langzeitfolgen einer intraossären Fistel sind jedoch in der Literatur nicht ausreichend untersucht.

Aufgrund des anfänglichen hohen Durchflusses ist ein frühes pochendes Gefühl oder Brummen zu erwarten. Die Langzeitstudien auf präklinischer Ebene haben jedoch gezeigt, dass das Gefäßbett mit der Zeit reift, was zu einem Abfallen des direkten arteriovenösen Strahls führt (Polykandriotis et al. 2007; Polykandriotis et al. 2009).