Prof. Dr. Robert Schenk, Bern

Autologe Spongiosatransplantation
Eine besondere Stellung nimmt das autologe Spongiosatransplantat ein, das als eine echte Kombination von Knochen- und Knochenmarkstranplantation betrachtet werden muss. Mit dem Knochenmark werden nicht nur Osteoblasten und Osteoklasten transferiert, sondern vor allem deren Stammzellen, die einen beträchlichen Teil der Stromazellen des Markes ausmachen. Aus den Stromazellen leiten sich die mesenchymalen Stammzellen und Osteoprogenitorzellen ab. Nach einer Aktivierung (Fraktur, Transplantation) vermehren sich diese mitotisch, wandern zusammen mit Endothelzellen in die knochenbildenden Areale ein und differenzieren sich zu matrixbildenden Osteoblasten. Der mit der Transplantation verbundene osteogene Transfer darf nicht einer Osteoinduktion gleichgestellt werden, bietet aber einen entscheidenden Vorteil gegenüber den Allo- oder gar Xenotransplantaten, deren Zellen der Immunabwehr des Wirtes zum Opfer fallen.

Künstliche Knochenersatzstoffe können in diesem Vergleich nur dann einigermaßen mithalten, wenn sie mit wirtseigenem Knochenmark beimpft werden, was aber den Vorteil eines weniger belastenden Eingriffs praktisch wieder aufhebt.

Eine zweite Form des osteogenen Transfers bei der autologen Transplantation ist an die Knochenmatrix gebunden. Diese enthält neben Kollagen und Knochenmineral auch nichtkollagene Proteine, zu denen die wichtigen Kategorien der Haftproteine, der kalziumbindenden Proteine, und vor allem zahlreiche Wachstumsfaktoren und Promotoren der Knochenbildung gehören. Alle diese Proteine sind in der Knochenmatrix gebunden und durch Knochenmembranen (Periost, Endost, endokortikale Belegzellen) abgeschirmt. Beim Aufbrechen der Knochenmatrix (Frakturen, chirurgische Eingriffe, Implantate etc.) werden diese Faktoren für die körpereigenen Zellen zugänglich oder in die Körperflüssigkeit freigesetzt. Dort lösen sie die grundlegenden Vorgänge bei der Knochenregeneration aus. Insbesondere vermitteln die Haftproteine (Osteopontin, Knochen-Sialo-protein) das Anheften von Osteoklasten an die Knochenoberfläche, ohne die sowohl eine Resorption als auch eine daran gekoppelte Knochenbildung nicht möglich sind.

Kortikospongiöse und kortikale autologe Transplantate
Die Kortikalis besteht zu rund 90% aus Knochenmatrix. Dies verleiht ihr als Transplantat eine große Festigkeit. Demgegenüber steht die zelluläre Komponente völlig im Hintergrund. Auch die in der Matrix begrabenen Faktoren sind nicht direkt zugänglich. Erst bei der Herstellung von kortikalen Spänen entstehen Bruchflächen, an denen diese Promotoren freigelegt werden und bei der Aktivierung mitwirken können (s. Abbildungen).

Allogene und xenogene Knochentransplantate
Das Interesse an diesen Formen der Knochentransplantation ist infolge der immunologischen Komplikationen und des Risikos einer Übertragung von Krankheitserregern fast völlig erloschen. Bei diesem Verfahren werden menschliche und tierische Knochen zur Herstellung von Knochenersatzstoffen herangezogen, die völlig zellfrei sind und deren Knochenmatrix entweder entkalkt oder entproteinisiert wird.

Knochenersatzstoffe
Knochenersatzstoffe werden entweder aus natürlichen Produkten hergestellt (Knochen, Korallen), oder synthetisch aus Kalzium und Phosphaten gewonnen (poröse Kalziumphosphatkeramik).

Entkalkte allogene Knochentransplantate
Das Konzept derartiger Ersatzmaterialien basiert auf der Entdeckung, dass die entkalkte Knochenmatrix über osteoinduktive Eigenschaften verfügt. Dies führte zur Entdeckung des Bone Morphogenetic Proteins (BMP). Industriell hergestellte Präparate sind u.a. das DFDBA (demineralized freeze dried bone allograft), das insbesondere in den USA auch klinisch angewandt wird. Experimentelle Prüfungen haben aber gezeigt, dass es über keine, oder nur bedingt verlässliche osteoinduktive Eigenschaften verfügt. Auch die mechanischen und osteokonduktiven Eigenschaften sind unbefriedigend. Die eingebrachten Partikel werden erst nach einem Kontakt mit neugebildetem Knochen rekalzifiziert und in dieser Form später umgebaut.

Entproteinisierte Ersatzmaterialien
Zu dieser Gruppe gehören Bio-Oss und Endobon, bei denen die Proteine auf verschiedenen Wegen extrahiert werden. Das anorganische Knochenmineral bleibt nahezu unverändert erhalten. Mit dem Kollagen werden auch sämtliche nichtkollagenen Proteine entfernt, sodass mit einem osteogenen Transfer nicht mehr gerechnet werden kann. Das Gerüst aus Hydroxylapatit verfügt aber über gute osteokonduktive Eigenschaften, sofern sich die Defektgröße bzw. Spaltbreite in Grenzen hält (+/- einige Millimeter). Die Resorption bzw. Substitution des Knochenminerals erfolgt aber nur langsam. Das Entfernen des Kollagens zerstört den Verbundbau der Knochenmatrix, das Material erweist sich als ziemlich brüchig.

Poröse Keramiken werden entweder auf der Basis von Hydroxyl-apatit (HA) oder Trikalziumphosphat (TCP) angeboten. HA-Keramik ist nicht resorbierbar, TCP kann von Osteoklasten abgebaut und in der Umbauphase durch Knochen substituiert werden. Voraussetzung für eine Osteokonduktion, d.h. für das Einwachsen von Knochengewebe, sind eine geeignete Porengröße und vor allem beim nicht resorbierbaren HA eine ausreichende Porenkontinuität, die bei der Herstellung nicht so leicht zu realisieren ist.

Kalziumphosphatkeramiken werden auch durch Umwandlung von Kalziumcarbonat aus Korallen gewonnen (Interpore u.a.). Sie weisen eine für die Osteokonduktion günstige Porenstruktur auf, sind aber nicht substituierbar. Umgekehrt werden sie in nativer Form, d. h. als Kalziumcarbonat (z.B. Biocoral), zu rasch und offenbar auch ohne Zelleinwirkung aufgelöst.

Ausblick
Auf dem Gebiet der Knochenersatzstoffe sind in den letzten Jahren Fortschritte erzielt worden. Der durch die autologen Transplantate gesetzte Standard ist aber bei weitem noch nicht erreicht.

Die Gründe dafür sind durch die biologischem Eigenschaften definiert. Einige der heute erhältlichen Materialien dürften sich aber als Trägersubstanzen für knocheneigene Proteine eignen, an denen intensiv gearbeitet wird. Allerdings sind noch viele Probleme zu lösen, so die Dosierung oder die Entwicklung einer Beschickungstechnik, die eine langsame Freisetzung garantiert. Nicht zuletzt ist die richtige Kombination der verschiedenen Faktoren anzustreben, die beim natürlichen Ablauf der Knochenregeneration in einer bestimmten und zeitlich gestaffelten Reihenfolge zum Einsatz kommen.

Abbildungen 1 bis 4: Kammaufbau im Unterkiefer mit autologen Kortikalisspänen und Membranschutz. Biopsie nach acht Monaten (Prof. D. Buser, Bern). Unentkalkter Knochenschliff, Färbung MC Neal´s Tetrachrom. Abbildung 1: Übersicht, zwei Kortikalisspäne sind an der hellen Färbung erkennbar. Sie sind durch eine neugebildete Knochenbrücke verbunden (dunkel gefärbt). 12:1. zurück zum Text

Abbildung 2: Die beim Trimmen erzeugten Bruchflächen haben eine Apposition von vitalem Knochen ausgelöst. Nur an der mit einem Pfeil markierten Stelle der Oberfläche hat eine Resorption eingesetzt. 24:1. zurück zum Text

Abbildung 3: Der neugebildete Knochen weist überwiegend eine Lamellenstruktur auf, nur an wenigen Stellen sind noch Reste von Faserknochen sichtbar (Pfeil), die aus der ersten Phase der Einheilung stammen. 50:1. zurück zum Text

Abbildung 4: Die toten Kortikalisspäne werden durch Havers´schen Umbau revitalisiert und substituiert. Dieser beginnt mit der Bildung von Resorptionskanälen (Pfeil), die anschließend durch Lamellenknochen aufgefüllt werden (Pfeilspitzen). 50:1. Fotos: Klinik für Oralchirurgie, Bern zurück zum Text