Investigation of possible causal relationships between disc and facet joint degeneration using in-vivo, in vitro and finite element analyses
Medical Physics, Biomedical Technology
Final Report Abstract
Die Degeneration der Bandscheibe und Facettengelenke, die neben anderen Faktoren auch auf langjährige Über- und Fehlbelastungen zurückgeführt werden kann, zählt zu einer der häufigsten Ursachen von spezifischen Rückenschmerzen. Bis heute ist nicht geklärt, ob ein Zusammenhang zwischen beiden Strukturen besteht. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, durch einen kombinierten Ansatz aus In-vivo-, In-vitro- und Finite-Elemente-Analysen Aussagen über den Verlauf degenerativer Veränderungen in Wirbelsäulensegmenten zu treffen. In vivo sollten im Schafsmodell diverse chirurgische Eingriffe zur Initiierung einer Bandscheibenund/oder Facettengelenksdegeneration vorgenommen und über den Zeitraum eines Jahres der gegenseitige Einfluss anschließender degenerativer Veränderungen dieser beiden Strukturen aufeinander untersucht werden. Die anschließenden In-vitro-Analysen dienten dazu, morphologische Veränderungen in den betroffenen Segmenten zu detektieren und die in diesem Vorhaben zu entwickelnden Finite-Elemente-Modelle mit realistischen Material- und Geometrieparametern zu speisen. Hier konnten wir zeigen, dass die Nukleotomie als auslösendes Moment einer Bandscheibendegeneration die Entstehung der Facettengelenksdegeneration fördert. Auch eine Hypomobilisation durch interkorporale Fusion führte zu einer leichten Veränderungen der Facettengelenke, dargestellt durch eine signifikante Gelenksspaltänderung im Indexlevel. Durch eine dorsale Versteifung mittels Fixateur können ebenso morphologische Veränderungen in der Bandscheibe des gleichen Segments aber auch in den Anschlusssegmenten folgen. Durch die Hypermobilisation aufgrund einer Facettektomie degenerierten die Bandscheiben der benachbarten Segmente allerdings nicht. Die Finite-Elemente-Analysen sollten Aufschluss über das Degenerationsverhalten im Menschen geben und unter Berücksichtigung der individuellen Wirbelsäulenmorphologie den mechanischen Zusammenhang zwischen Bandscheiben- und Facettendegeneration klären. Hier konnten wir zeigen, dass die Facettendegeneration keinen signifikanten mechanischen Effekt auf die Bandscheibe im Indexlevel hat. Eine mittel- bis hochgradige Bandscheibendegeneration kann einen merklichen Einfluss auf die Facettengelenksdegeneration haben. Unter Berücksichtigung natürlicher Varianzen der geometrischen Parameter und der Stoffeigenschaften des Schafes verliert diese Aussage jedoch wieder an Kraft. Generell bleibt festzuhalten, dass die interindividuellen Unterschiede in der Morphologie einer Spezies einen größeren Einfluss auf die Ergebnisse haben als die modellierten Degenerationsgrade. Die Finite-Elemente-Analysen zeigen weiterhin, dass die Erkenntnisse aus dem Schafsmodell, sprich das Zusammenspiel zwischen Facetten- und Bandscheibendegeneration, nicht direkt auf den Menschen übertragen werden können. Für die Wahl eines geeigneten Tiermodells sowie eines Therapieverfahrens sind diese Kenntnisse zwingend erforderlich. Sie liefern Grundlagen und Ansätze zur Optimierung und Entwicklung von Wirbelsäulenimplantaten und leisten eine wichtige Hilfestellung beispielsweise beim Entscheidungsprozess bezüglich des Einsatzes bewegungserhaltender bzw. fusionierender Implantate.
Publications
- (2019) Is the sheep a suitable model to study the mechanical alterations of disc degeneration in humans? A probabilistic finite element model study. Journal of biomechanics 84 172–182
Bashkuev, Maxim; Reitmaier, Sandra; Schmidt, Hendrik
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2018.12.042) - Increase or decrease in stability after nucleotomy? Conflicting in vitro and in vivo results in the sheep model. J R Soc Interface. 2014; 11(100): 20140650
Reitmaier S, Volkheimer D, Berger-Roscher N, Wilke H-J, Ignatius A
(See online at https://doi.org/10.1098/rsif.2014.0650) - Computational analyses of different intervertebral cages for lumbar spinal fusion. Journal of Biomechanics 48(2015)3274–3282
Bashkuev M, Checa S, Postigo S, Duda G, Schmidt H
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2015.06.024) - A novel finite element model of the ovine lumbar intervertebral disc with anisotropic hyperelastic material properties. Plos ONE. 2017 May
Casaroli, G, Galbusera F, Jonas R, Schlager B, Wilke HJ, Villa T
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177088) - Impact of material and morphological parameters on the mechanical response of the lumbar spine – A finite element sensitivity study. J Biomech. 2017 Feb 28;53:185-190
Zander T, Dreischarf M, Timm AK, Baumann WW, Schmidt H
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.12.014) - Separate the Sheep from the Goats - Use and Limitations of Large Animal Models in Intervertebral Disc Research. J Bone Joint Surg Am. 2017 Oct 4;99(19):e102
Reitmaier S, Graichen F, Shirazi-Adl A, Schmidt H
(See online at https://doi.org/10.2106/JBJS.17.00172) - Spinal fusion without instrumentation - Experimental animal study. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2017 Jul;46:6-14
Reitmaier S, Schuelke J, Schmidt H, Volkheimer D, Ignatius A, Wilke HJ
(See online at https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2017.04.008) - Effect of disc degeneration on the mechanical behavior of the human lumbar spine: a probabilistic finite element study. Spine J. 2018
Bashkuev M, Reitmaier S, Schmidt H
(See online at https://doi.org/10.1016/j.spinee.2018.05.046) - Temporal and spatial variations of pressure within intervertebral disc nuclei. J Mech Behav Biomed Mater. 2018 Mar;79:309-313
Schmidt H, Shirazi-Adl A
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2018.01.012) - Three-dimensional microstructural reconstruction of the ovine intervertebral disc using ultrahigh field MRI. The Spine J. 2018 June
Sharabi M, Wade K, Galbusera F, Rasche V, Haj-Ali R, Wilke HJ
(See online at https://doi.org/10.1016/j.spinee.2018.06.356)
