Marburg, Univ., Diss., 2009

Ulm, Univ., Diss., 2007.

Ulm, Univ., Diss., 2009.

Marburg, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2007.

Kreuzbandrupturen stellen nach wie vor eine Herausforderung in der klinischen Praxis hinsichtlich kurz- und langfristiger unerwünschter Nebenwirkungen dar (z.B. Reruptur und Arthrosebildung). In der vorliegenden Arbeit wird der entwickelte Ansatz eines Kollagen-I-basierten künstlichen Kreuzbandkonstruktes hinsichtlich der Reißfestigkeit, Lagerung, Verstärkungsmöglichkeit mittels Fiber-tape und langfristigen Arthroseentstehung untersucht mittels in-vitro und in-vivo Untersuchungen unter zur Hilfe nahme des Minipig Tiermodels. Die Ergebnisse zeigen keinen Einfluss der Lagerungstemperatur sowie des Lagerungszeitraums auf die Reißfestigkeit des Konstruktes, sowie eine mögliche initiale Verstärkung mittels Fibertape im Minipig. Darüber hinaus wurde mikroskopisch wie makroskopische Arthroseentstehung nachgewiesen. Das Ausmaß der Arthroseentstehung ist diesbezüglich mit einer Abweichung der Konstruktimplantation von der ursprünglichen Kreuzbandinsertion mittels MRT bestätigt worden. / Cruciate ligament ruptures remain a challenge in clinical practice with regard to short- and long-term undesirable side effects (e.g. rerupture and osteoarthritis formation). In the present study, the developed approach of a collagen-I-based artificial cruciate ligament construct is investigated with regard to tear strength, storage, reinforcement possibility by means of fibre-tape and long-term arthrosis development by means of in vitro and in vivo investigations using the Minipig animal model. The results show no influence of the storage temperature and the storage period on the tensile strength of the construct, as well as a possible initial reinforcement by means of fibre-tape in the Minipig. Furthermore, both microscopic and macroscopic osteoarthritis was detected. The extent of osteoarthritis development was confirmed in this regard with a deviation of the construct implantation from the original cruciate ligament insertion by means of MRI.

Zur Kontrolle des Rehabilitationserfolges und in der Entscheidungsfindung bezüglich einer Sportfreigabe nach VKB-Rekonstruktion werden funktionelle Testverfahren angewandt. Diese testen unter standardisierten Bedingungen verschiedene muskuläre und neuromuskuläre Fähigkeiten von Patienten. Die vorliegende Arbeit untersuchte das geschlechterspezifische Abschneiden in gängigen funktionellen Testverfahren im Rahmen einer Testbatterie, bestehend aus verschiedenen Sprung-, Schnelligkeits-, Agilitäts- und Ausdauertests sowie deren Hauptbewertungskriterium – den Limb Symmetry Index (LSI) – anhand eines großen, gesunden und sportlichen Probanden- (N = 124; Frauen: N = 50; Männer: N = 74) und eines VKB-Patientenkollektivs (N = 44; Frauen: N = 15; Männer: N = 29). Ein genereller und in der Literatur gängiger LSI-Grenzwert von 85 % oder 90 % für alle durchgeführten Tests ließ sich nicht uneingeschränkt bestätigen. Selbst in der gesunden Referenzgruppe wurden diese Werte zum Teil weit verfehlt. Zudem führten die verschiedenen Sprungtests, welche eine Berechnung des LSI-Wertes zulassen, bei den gleichen gesunden Probanden zu unterschiedlichen Ergebnissen. Dies lässt darauf schließen, dass die verschiedenen durchgeführten Tests der Batterie unterschiedliches abbilden. Eine weitere testspezifische Adjustierung oder Kombination mit anderweitigen Bewertungskriterien (z. B. Absolutwerte, Bewegungsanalysen) scheint daher notwendig. Ein Einfluss des Geschlechts auf das Abschneiden hinsichtlich des LSI konnte nicht gefunden werden. Eine gemeinsame Betrachtung der LSI-Ergebnisse von männlichen und weiblichen Testpersonen in künftigen Studien scheint somit zulässig. Bei den Absolutwerten ist diese Vergleichbarkeit der Geschlechter nicht gegeben, da Männer durchschnittlich höhere Werte als Frauen erzielten. Die betrachtete Patientenstichprobe zeigte in der übereinstimmend durchgeführten Teiltestbatterie sowohl hinsichtlich der LSI- als auch der absoluten Testergebnisse im betroffenen und nicht betroffenen Bein schlechtere Resultate. Eine Vorhersage der LSI-Ausprägung bei Patienten war anhand der erhobenen gängigen Kriterien, wie beispielsweise der vergangenen Zeitspanne seit Operation, nicht möglich. Bei den hier angewendeten Testverfahren handelt es sich um eine verhältnismäßig einfache Methode zur Erhebung funktioneller Defizite. In Bezug auf notwendige Testresultate zur Sportfreigabe erscheinen diese jedoch als nicht hinreichend. Hierfür ist weitere Forschung notwendig (z. B. Längsschnittstudie mit größerem und homogenen Patientenkollektiv). Insbesondere eine Definition von Kriterien, ab wann eine Rückkehr als gelungen angesehen wird, muss erfolgen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der höchste Aussagewert bezüglich funktioneller Tests bei Vorliegen intraindividueller Vergleichswerte zu bestehen scheint, wie es beispielsweise im Leistungssport denkbar ist und bereits durchgeführt wird. Die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Referenzwerte gesunder Teilnehmer können jedoch als wertvolle Orientierung für den Breitensport dienen. / Functional test procedures are used to control the success of the rehabilitation and in the decision-making process regarding the return to sports after reconstruction of the ACL (anterior cruciate ligament). These tests examine various muscular and neuromuscular abilities of patients under standardized conditions. The present thesis examined the gender-specific performance of a large number of healthy subjects (N = 124; women: n = 50; men: n = 74) and an ACL patient collective (N = 44; women: n = 15; men: n = 29) in common functional test procedures. In this thesis, the test subjects completed a test battery consisting of various jump, speed, agility, and endurance tests. The common main evaluation criteria was the Limb Symmetry Index (LSI). A general LSI threshold of 85% or 90%, often regarded as limit for a normal hop performance in literature, could not be absolutely confirmed for all tests used in the test battery. Even within the healthy reference group, some participants failed clearly in achieving these values. In addition, the various jump tests, which allow the LSI value to be calculated, led to different results within the same test group of healthy subjects. This suggests that the different tests used within the test battery reflect different abilities. Therefore, a further test-specific adjustment or combination of LSI values with other evaluation criteria (e.g., absolute values, movement analysis) seems necessary. An influence of gender on the performance regarding the LSI could not be found. Consequently, a common analysis of the LSI data of male and female subjects seems legitimate in future studies. However, this comparability between sexes is not given for the absolute values, because men achieved higher values on average than women. The patients showed worse results in the partial test battery carried out in accordance with both the LSI and the absolute test results in the affected and unaffected leg. A prediction of the LSI results in patients was not possible on the basis of the established criteria, such as the period between surgery and test. The presented test procedures are a practical method to assess functional deficits. However, they still seem to be insufficient regarding a clear advice to return to sports. To achieve this, further research, such as longitudinal studies with a larger and homogeneous group of patients is necessary. Particularly, clear criteria for this point in time when a return to sports is considered successful have to be defined. In summary, functional tests seem to have the highest informational value when intra-individual comparative values are available, as it is for example conceivable and already carried out in top-class sports. The reference values of healthy participants collected in the context of this thesis can, however, serve as a valuable orientation for popular sport.

Die Vordere Kreuzband (VKB)-Ruptur ist eine häufige Verletzung, welche eine hohe individuelle und sozioökonomische Belastung verursacht. Eine etablierte Therapie ist die VKB-Plastik, problematisch sind jedoch die hohen Rerupturraten nach operativer Versorgung. In der Annahme, dass Mesenchymale Stammzellen (MSC) eine bedeutende Rolle für die Heilung spielen, sollte in der vorliegenden Arbeit untersucht werden, ob ein Zusammenhang zwischen Zahl und Qualität der aus dem VKB isolierten MSC sowie der Latenz zwischen Ruptur und Rekonstruktion besteht und so ein optimaler Therapiezeitraum eingegrenzt werden kann. Zunächst erfolgte die Zellisolierung aus intraoperativ gewonnenen VKB-Biopsien. Je nach Latenz zwischen Ruptur und Operation wurden drei Gruppen (akute ≙ ≤ 30 d, subakute ≙ 31-90 d, verzögerte Rekonstruktion ≙ > 90 d) gebildet. Zum Nachweis von MSC wurden die Zellen hinsichtlich ihrer Plastikadhärenz, eines multipotenten Differenzierungspotentials sowie eines spezifischen Oberflächenantigenmusters (CD73+, CD90+, CD105+, CD34-) untersucht. Zudem wurde ihr Einflusses auf die biomechanischen und histologischen Eigenschaften eines analysiert. Der Nachweis von MSC war in allen Gruppen möglich. Das Proliferationspotential war in Gruppe II am größten, ebenso der Anteil der MSC an allen Zellen. Er war 5,4% (4,6% - 6,3%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe I und 18,9% (18,2% - 19,6%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe III. In den mit Zellen kultivierten Bandkonstrukten konnte im Gegensatz zu zellfreien Konstrukten humanes Kollagen I nachgewiesen werden. Die Stabilität nahm bei Kultivierung mit Zellen ab. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Regenerationspotential bei subakuter VKB-Rekonstruktion (31-90 d) am höchsten ist. Potenziell ursächlich sind die Regeneration hemmende Entzündungsprozesse zu Beginn sowie degenerative Prozesse im längerfristigen Verlauf. Zudem konnte gezeigt werden, dass die isolierten Zellen die Eigenschaften eines Bandkonstruktes durch Bildung von Kollagen I und Reduktion der Stabilität im kurzfristigen Verlauf verändern und dementsprechend den Therapieerfolg beeinflussen könnten. Zur Verifizierung der Ergebnisse bedarf es weiterer Untersuchungen. / A ruptured Anterior Cruciate Ligament (ACL) can significantly impact an individual’s health and cause great socioeconomic repercussions. Despite a well-established surgical treatment, the rate of secondary rupture remains high. Previous research has highlighted the important role of Mesenchymal Stem Cells (MSC) in ligament regeneration. This study sets out to analyse possible correlations between the quality and quantity of MSC and the time between rupture and repair, and thus defining the optimal time for surgery. Cells were isolated from ACL biopsies gained intraoperatively. Three groups (acute ≙ ≤ 30d, subacute ≙ 31-90d and delayed reconstruction ≙ > 90d) were defined based on the time from trauma to surgery. To prove the presence of MSC the cells were analysed for proliferative capacity, adherence to plastic, multilineage differentiation potential, as well as the presence of specific surface antigens (CD73+, CD90+, CD105+ and CD34-). The cells’ ability to support healing was assessed through biomechanical tests and histological analysis of ligament models created using isolated ACL cells and a rat collagen type I-based scaffold. Cells that fulfil MSC criteria were isolated in all three groups. In the subacute reconstruction group the proportion of cells which fulfilled the criteria was 5.4% (4,6% - 6,3%, 95% CI; p < 0,001) higher than in the acute reconstruction group and 18.9% (18,2% - 19,6%, 95% CI; p < 0,001) higher than in the delayed reconstruction group. Human collagen I could be isolated in ligament models cultivated using ACL cells. However, the stability of the ligament models decreased after cell cultivation. The results described above suggest that the potential for regeneration is highest in the subacute reconstruction group. This may be because the post traumatic inflammation slows regeneration, while degenerative processes set in in the weeks to months following the rupture. The fact that the presence of human collagen I in the ligament models was associated with decreased stability suggests that the concentration of MSC can affect the surgical outcome. More research into the subject is required to further explore these preliminary findings.

Title: Instrumental Gait Analysis in the ACL Patient Aim: to present an up to date review on the topic of instrumental analysis of straight ahead gait on a plain surface (both over-ground and on a treadmill) in ACL patients (both deficient and reconstructed). A second aim is to introduce the clinician (especially in the field of physiotherapy/rehabilitation) to the topic of gait analysis and its specific use for the ACL patient. Methods: a systematic review on the topic Results The review answers the questions of what instrumentation, phases of gait and variables is best to use/measure for clinical purposes. It also identifies and discusses three main gait strategies used by ACL patients: quadriceps avoidance, knee stiffening, pivot shift avoidance. Keywords: gait, analysis, walking, clinical, instrumental, anterior cruciate ligament, ACL, deficient, reconstruction, injury