Eine der seltensten Formen thorakolumbaler Wirbelsäulenverletzungen stellen Hyperextensionsläsionen dar. In dieser retrospektiven Studie wurden 27 Fälle thorakolumbaler Hyperextensionsverletzungen, die zwischen 1997 und 2010 in der Universitätsklinik Würzburg behandelt wurden, analysiert und die Besonderheiten dieser Verletzungen verdeutlicht. Ergebnisse: In dem untersuchten Patientenkollektiv waren zu 74 % Männer von den Hyperextensionsverletzungen betroffen. Das Durchschnittsalter aller Patienten lag bei 70,6 Jahren (25 – 92 Jahre, SD 15,8). 22 Patienten litten zum Unfallzeitpunkt an Vorerkrankungen der Wirbelsäule: in 17 Fällen (63 %) lag eine diffuse idiopathic skeletal hyperostosis (DISH) vor, bei 4 Patienten (14,8 %) ein M. Bechterew und bei einer Patientin (3,7 %) ausschließlich degenerative Veränderungen im Sinne einer Osteoporose. In 29,6 % der Fälle war ein leichtes Trauma ursächlich, bei 70,4 % führte ein hochenergetischer Unfall zu der Hyperextensionsverletzung. Bei 14 Patienten verliefen die Verletzungen der vorderen Säule transdiskal (52 %) und bei 13 transossär (48 %). Bei allen Patienten ohne Vorschäden der Wirbelsäule kam es dabei zu einer transdiskalen Läsion. 6 Patienten (22,2 %) erlitten initial durch die Hyperextensionsverletzung ein neurologisches Defizit. Alle Patienten wurden operativ mittels Implantation eines Fixateur interne von dorsal stabilisiert. Schlussfolgerung: Im Vergleich mit der Literatur zeigte sich anhand der Daten dieser Studie, dass Hyperextensionsverletzungen der thorakolumbalen Wirbelsäule mit einem höheren Risiko für neurologische Defizite einhergingen als andere thorakolumbale Verletzungen der Gruppe B. Dabei traten neurologische Defizite nur bei hochenergetischen Unfällen auf. Ein durch M. Bechterew oder DISH versteiftes Achsenskelett erhöhte das Risiko für eine Hyperextensionsverletzung. Im Vergleich zu anderen Verletzungsformen der thorakolumbalen Wirbelsäule traten Hyperextensionsverletzungen verhältnismäßig häufiger bei vorgeschädigten Wirbelsäulen und somit bei älteren Menschen auf. Nur im Falle einer Vorerkrankung der Wirbelsäule konnte bereits ein niederenergetisches Trauma zu einer Hyperextensionsverletzung führen. Dabei war dann vor allem der thorakolumbale Übergang und weniger die thorakale Wirbelsäule betroffen, bei der es hauptsächlich durch hochenergetische Unfälle zu Verletzungen kam. Transossäre Hyperextensionsverletzungen der vorderen und der hinteren Säule traten nur bei alterierten Wirbelsäulen auf. Bei wirbelsäulengesunden Patienten verlief die Verletzung jeweils transdiskal und durch die hintere Säule ligamentär. / Rare forms of thoracolumbar spine injuries are hyperextension dislocations. We analyzed in this retrospective study 27 cases of hyperextension injuries, which occurred between 1997 and 2010 and were treated in the university hospital of Wuerzburg, Germany. Results: 74 % of the patients were men. The average age of all patients was 70,6 years (25 – 92 years, SD: 15,8). 22 patients had a pre-existing illness of the thoracolumbar spine: in 17 cases (63 %) a diffuse idiopathic skeletal hyperostosis (DISH), 4 patients (3,7 %) with an ankylosing spondylitis and 1 case with an osteoporosis. In 29,6 % of cases the causal trauma was light and in 70,6 % there was an high-energy accident. In 14 patients (52 %) the anterior column of the spine was injured through the disc and in 13 cases (48 %) the lesion was osseous. All patients without a pre-existing illness of the spine had an injury through the disc. 6 patients (22,2 %) got a neurological deficit because of the hyperextension injury. All patients were treated operatively by implantation of a fixateur interne. Conclusion: Compared with literature the results of our study showed that hyperextension injuries of the thoracolumbar spine had a higher risk for neurological deficits than other group-B-lesions. Neurological deficits only occurred after high-energy traumas. Ankylosing spondylitis and DISH increased the incidence for thoracolumbar hyperextension injuries. Hyperextension lesions more frequently occurred to spines with a pre-existing illness and thus to older people. Only in presence of a pre-existing spine-illness a light trauma could cause a hyperextension injury. In these cases the thoracolumbar junction was mainly affected, thoracic spine injuries mostly occurred after a high-energy trauma. Osseous hyperextension lesions of the anterior and posterior column only appeared in spines with a pre-existing illness, in an intact spine the lesion always occurred through the disc and was ligamentous.

Aufgrund der Tatsache, dass die Wahl der Therapie bei Wirbelfrakturen der Klasse A3 nach Magerl et al. (1994) weiterhin kontrovers diskutiert wird, wurden in dieser Arbeit die Patientenfälle der Abteilung Orthopädie und Unfallchirurgie der Universitätsmedizin Göttingen betrachtet, die im Zeitraum von 2008 bis 2013 eine Wirbelfraktur im Bereich der Brust- und Lendenwirbelsäule erlitten. Das gesamte Kollektiv umfasst 475 Patienten, von denen 266 männlich und 209 weiblich sind. Es wurden objektive Daten wie GDW, Kyphosewinkel und Wirbelkörperhöhenminderung zu fest definierten Zeitpunkten erhoben. Anhand dieser Daten konnte der Verlauf der Stabilität und sowohl der Korrekturgewinn durch die Therapie als auch der Korrekturverlust während der Nachsorge für die jeweiligen Therapiemethoden erfasst werden. Die Therapiemethoden, die hier verglichen werden, sind die konservative Therapie, die Kyphoplastie, die dorsale und die kombiniert dorsoventrale Stabilisierung. Die in der radiologischen Verlaufskontrolle erhobenen Parameter zeigen, dass bei Frakturen der Klassen A1 und A2, die als stabil gelten, die konservative Therapie zu einem guten Ergebnis führt. Bei A3- Frakturen, bei denen in der internationalen Literatur starke Unstimmigkeit darüber besteht, ob diese Frakturen als stabil oder instabil gelten und wie solche Frakturen im allgemeinen zu behandeln sind, bringt die operative Vorgehensweise klare Vorteile. Zudem können bei kombiniert dorsoventraler Operation noch stabilere Ergebnisse erzielt werden. Für die Rotationsfrakturen stellt sich heraus, dass nach der Entfernung des eingebrachten Osteosynthesematerials ein größerer Korrekturverlust eintritt. Abschließend lässt sich sagen, dass bei isolierten Berstungsfrakturen ohne Beteiligung des Bandapparates die Indikation für die kombiniert dorsoventrale Operation häufiger und frühzeitiger gestellt werden sollte. Außerdem sollte beachtet werden, dass bei instabilen Frakturen die Verlängerung der Tragezeit des Fixateurs einen positiven Einfluss auf den Korrekturerhalt hat.

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Die pyogene Spondylodiszitis als bakterielle Osteomyelitis der Wirbelsäule ist eine seltene Entität der bakteriell-entzündlichen Pathologien des Stütz- und Bewegungsapparates. Trotz adäquater Behandlungsstrategien, wird auch heute noch eine Mortalitätsrate von 5% bis 20% beschrieben. Vor allem die in dem vorwiegend älteren Patientenkollektiv deutlich erhöhte Prävalenz an metabolischen oder kardiopulmonalen Komorbiditäten fordert moderne Therapiekonzepte, die eine risikoarme, jedoch effektive Eradifizierung des bakteriell-entzündlichen Fokus mit schneller Wiederherstellung der prämorbiden Mobilität ermöglichen. Ausgehend von zwei grundlagenwissenschaftlichen Studien, wurden in der vorliegenden Habilitationsschrift zunächst die komplexen Zusammenhänge von lokaler Gewebsveränderungen und systemischer Entzündung erörtert. Hierbei zeigten die Analysen humaner degenerativer und traumatischer Bandscheibenzellen, dass die Apoptose, insbesondere die Herabregulation anti-apoptotischer Schlüsselkomponenten wie das Bcl-2, als mögliche Schnittstelle im katabolen Stoffwechsel der extrazellulären Bandscheibenmatrix diskutiert werden kann. In der generalisierten bakteriellen Entzündung (Sepsis), ließ sich durch die gentherapeutisch gewebsständige Überexpression von antiapoptotischen und antiinflammatorischen Interleukin-10 (IL-10), auch im IL-10-defzienten Organismus, eine deutliche Reduktion der systemischen proinflammatorischen Immunantwort mit verbesserter Überlebensrate septischer Tiere erzielen. Jedoch birgt der substantielle Gewebeschaden bei pyogener Spondylodiszitis nicht selten die Gefahr der konsekutiven Instabilität mit neurologischen Komplikationen und stellt damit eine besondere chirurgische Herausforderung dar. Daher wurden in drei weiteren klinischen Studien unsere, in den letzten 10 Jahren etablierten, lösungsorientierten Strategien erläutert. Zur Überbrückung größerer knöcherner Defekte gelang mit der Implantation expandierbarer Titancages eine sichere knöcherne Durchbauung mit vollständiger Ausheilung des Infektes. Im Beobachtungszeitraum von mehr als 3 Jahren war bei keinem der Patienten ein Infektrezidiv zu verzeichnen. In komplexen Fällen von monosegmentaler Spondylodiszitis der LWS mit multisegmentaler epiduraler Abszedierung, führte die epidurale Katheterspülung über den dorsalen Zugang für die Spondylodese zu einer folgenlosen Ausheilung. Damit konnte ein zusätzliches, iatrogenes Trauma mit multisegmentalen Lamintomien über die Distanz des epiduralen Abszesses vermieden werden. In einer weiteren Studie mit einem Beobachtungszeitraum von bis zu 5 Jahren, erzielte die Implantation von Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK) Cages zur dorsalen intersomatischen Fusion bei pyogener Spondylodiszitis eine sehr gute, stabile knöcherne Durchbauung des infizierten Segmentes, ebenfalls ohne Infektrezidiv. Diese Abweichung vom herkömmlichen Standard mit Titanimplantaten erwies sich somit als sichere Alternative mit den für PEEK charakteristischen, verbesserten Eigenschaften. Im Vergleich zu herkömmlichen Operationsverfahren, verspricht die Integration dieser Ergebnisse in die Weiterentwicklung minimal-invasiver Techniken, insbesondere im multimorbiden Patientenklientel, mindestens gleichwertig gute Ergebnisse bei deutlich reduziertem Operationstrauma.

Der Erfolg einer operativen Behandlung der Lendenwirbelsäule hängt von mehreren oft unbekannten Faktoren ab. Einen möglichen unbekannten Faktor stellen mechanische Größen dar, welche in In-vivo-Studien nur teilweise messbar oder in In-vitro-Versuchen nur eingeschränkt aussagefähig sind. Hier stellt die Finite-Elemente-Methode eine reproduzierbare numerische Möglichkeit dar, den mechanischen Einfluss verschiedener Operationsverfahren a priori zu ermitteln. In dieser Arbeit ist ein Finite-Elemente-Modell der Lendenwirbelsäule erstellt worden, welches mit Hilfe vorhandener Ergebnisse aus In-vivo- und In-vitro-Untersuchungen validiert werden konnte und das die Simulation verschiedener Operationsverfahren ermöglicht. Weiterhin wurde eine Methode zur Abschätzung der Muskelkräfte entwickelt, die eine realistischere Belastung des Modells erlaubt als bisher üblich. Die Anwendung des Modells erstreckte sich in dieser Arbeit auf Dekompressionsverfahren zur Entlastung des Spinalkanals und Fusionsverfahren zur Herstellung der lumbalen Stabilität. Der Einfluss der Variation verschiedener Modell- und Operationsparameter wurde ermittelt. Hierzu zählen insbesondere die Steifigkeiten der Bänder, der Resektionsgrad bei der Dekompression des Spinalkanals und die unterschiedlichen Charakteristika des für die Fusion nötigen Knochenspans. Die Ergebnisse erweitern das biomechanische Verständnis der Wirbelsäule und geben Aufschluss über die Einflüsse wichtiger Operationsparameter. / The success of a surgical treatment at the lumbar spine depends on several, often unknown, factors. Mechanical values are one possible unknown factor. During in vivo studies these values are often not measurable and their relevance during in vitro experiments is limited. The finite element method is a reproducible numerical method which allows to determine the mechanical influence of different surgical techniques a priori. A finite element model of the lumbar spine has been created in this study. It was validated with existing values from in vivo and in vitro investigations and therefore makes the simulation of surgical techniques possible. Additionally, a method to estimate muscle forces was created. This method allows a more realistic loading of the model than usual. In this study, the model was used to simulate decompressional procedures to release the spinal cord and fusional techniques to regain lumbar stability. The influence of variations in model and surgical parameters on the mechanical behaviour was determined. In particular, the effects of ligament stiffness, the degree of decompression and different bone graft characteristics was determined. The results extend biomechanical knowledge about the spine and reveal the influence of important surgical parameters.

Die Osteoporose ist eine systemische Skeletterkrankung, die durch eine niedrige Knochenmasse und eine Verschlechterung der Mikroarchitektur des Knochengewebes mit nachfolgend erhöhter Knochenbrüchigkeit charakterisiert ist. Hauptverantwortlich für den Verlust der Knochenmasse ist vor allem der Östrogenmangel, der die mit Abstand häufigste Form, die postmenopausale Osteoporose, verursacht. Jahrelang ist diese durch die Substitution von Östrogenen therapiert worden. Die Hormonersatztherapie, die unter vielen Substanzen nachweislich das höchste antiosteoporotische Potenzial besitzt, scheidet jedoch aufgrund diverser unerwünschter Nebenwirkungen als Therapieoption aus. Daher gilt es, Therapiealternativen zur Prävention und Behandlung der Osteoporose zu finden. Als potenzielle Therapiealternativen werden in dieser Arbeit ein Phytohormon namens Daidzein und ein endokriner Disruptor namens 4-MBC an der Lendenwirbelsäule ovariektomierter und konsekutiv an Osteoporose erkrankter Sprague-Dawley-Ratten über eine Therapiedauer von 35 (5 Wochen), respektive 70 Tagen (10 Wochen), untersucht. Als Kontrolle über die Wirksamkeit der getesteten Substanzen dienten eine sojafrei behandelte sowie eine mit Östrogenen behandelte Kohorte. Phytoöstrogene sind hauptsächlich Bestandteil von Sojabohnen, Klee, Alfalfasprossen und Leinsamen. Bevorzugt binden sie an Östrogenrezeptor β, wenn auch mit einer geringeren Affinität. Eines dieser Phytoöstrogene ist Daidzein, dessen osteoprotektive Wirkung zuvor bereits vielfach nachgewiesen wurde. 4-MBC als zweite Substanz ist ein sogenannter endokriner Disruptor, der in Europa zur Herstellung von Kosmetika zugelassen ist. Bevorzugt bindet 4-MBC an Östrogenrezeptor β und seine osteoprotektive Wirkung an ovariektomierten Ratten ist ebenfalls bereits nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit wurden 3 Monate alte ovariektomierte Sprague-Dawley-Ratten über einen Zeitraum von 8 Wochen mit einer sojafreien Nahrung gefüttert. In dieser Zeit entwickelt die Ratte eine schwere Osteoporose. Anschließend wurde bilateral eine Tibiaosteotomie, die osteosynthetisch versorgt wurde, durchgeführt. Die Ratten wurden in 4 Gruppen eingeteilt und die sojafreie Basisnahrung um die zu testenden Substanzen 4- MBC (200 mg), Daidzein (50mg) und Östradiol (0,4mg) pro Kilogramm Körpergewicht ergänzt. Nach 5, respektive 10 Wochen wurden 12 Ratten je Futtergruppe per Dekapitation getötet und jeweils an den Lendenwirbelkörpern wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. So wurde der zweite Lendenwirbelkörper mikroradiographisch analysiert, der dritte Lendenwirbelkörper wurde verascht und der vierte Lendenwirbelkörper biomechanisch getestet. Auf den erhobenen Daten basierend konnte nachgewiesen werden, dass sowohl Daidzein als auch 4-MBC einen positiven Einfluss auf das Knochengewebe während der gesamten Therapiedauer besitzen. Östradiol verzeichnet wie erwartet den größten Effekt, gefolgt von 4-MBC und Daidzein. Bezogen auf die Therapiedauer zeigte sich, dass die größere Wirkungsentfaltung innerhalb der Kurzzeittherapie zu verzeichnen ist. Nach einer Langzeittherapie zeigt die sojafrei ernährte Kontrollgruppe ebenfalls verbesserte Knochenparameter, möglicherweise zurückzuführen auf Adaptationsmechanismen der Osteoporose. 4-MBC ist von seinem osteoprotektiven Wirkungspotenzial dem der Östrogene am ähnlichsten. Eine Therapie mit 4-MBC verbessert sowohl spongiöse, als auch kortikale Knochenparameter und könnte somit als potenzielle Therapiealternative der Osteoporose dienen. Allerdings sind die Wirkungsmechanismen des endokrinen Disruptors zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht verstanden und es bedarf diesbezüglich weiterer intensiver Forschung. Ein Aspekt, der einen Gebrauch von 4-MBC als antiosteoporotisches Medikament verhindern könnte, ist das noch nicht endgültig erforschte Nebenwirkungsspektrum. Auch hier sind weitere Untersuchungen erforderlich. Daidzein zeigt insgesamt im Vergleich zu Östradiol und 4-MBC den geringsten osteoprotektiven Effekt. Als potenzielle Therapiealternative ist es 4-MBC und Östradiol unterlegen. Möglicherweise können Patienten mit osteoporosebedingten Frakturen jedoch von einer Behandlung mit Daidzein profitieren. Komrakova et al. haben 2011 an Ratten, bei denen die Tibia osteotomiert und die anschließend osteosynthetisch versorgten wurde, nachgewiesen, dass nach einer 5 wöchigen Therapie mit Daidzein die größte Kallusdichte zu verzeichnen war, während bei 4-MBC und Östradiol eine Kallusdichte aufgewiesen wurde, die der sojafreien Kontrollgruppe ähnlich war. Ob sich Daidzein als Therapieoption zur Unterstützung der Frakturheilung eignet, ist zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht geklärt und in weiteren Untersuchungen zu eruieren. Des Weiteren gilt es, auch für Daidzein den genauen Wirkungsmechanismus zu klären und sein Nebenwirkungsspektrum zu untersuchen.

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Die pyogene Spondylodiszitis als bakterielle Osteomyelitis der Wirbelsäule ist eine seltene Entität der bakteriell-entzündlichen Pathologien des Stütz- und Bewegungsapparates. Trotz adäquater Behandlungsstrategien, wird auch heute noch eine Mortalitätsrate von 5% bis 20% beschrieben. Vor allem die in dem vorwiegend älteren Patientenkollektiv deutlich erhöhte Prävalenz an metabolischen oder kardiopulmonalen Komorbiditäten fordert moderne Therapiekonzepte, die eine risikoarme, jedoch effektive Eradifizierung des bakteriell-entzündlichen Fokus mit schneller Wiederherstellung der prämorbiden Mobilität ermöglichen. Ausgehend von zwei grundlagenwissenschaftlichen Studien, wurden in der vorliegenden Habilitationsschrift zunächst die komplexen Zusammenhänge von lokaler Gewebsveränderungen und systemischer Entzündung erörtert. Hierbei zeigten die Analysen humaner degenerativer und traumatischer Bandscheibenzellen, dass die Apoptose, insbesondere die Herabregulation anti-apoptotischer Schlüsselkomponenten wie das Bcl-2, als mögliche Schnittstelle im katabolen Stoffwechsel der extrazellulären Bandscheibenmatrix diskutiert werden kann. In der generalisierten bakteriellen Entzündung (Sepsis), ließ sich durch die gentherapeutisch gewebsständige Überexpression von antiapoptotischen und antiinflammatorischen Interleukin-10 (IL-10), auch im IL-10-defzienten Organismus, eine deutliche Reduktion der systemischen proinflammatorischen Immunantwort mit verbesserter Überlebensrate septischer Tiere erzielen. Jedoch birgt der substantielle Gewebeschaden bei pyogener Spondylodiszitis nicht selten die Gefahr der konsekutiven Instabilität mit neurologischen Komplikationen und stellt damit eine besondere chirurgische Herausforderung dar. Daher wurden in drei weiteren klinischen Studien unsere, in den letzten 10 Jahren etablierten, lösungsorientierten Strategien erläutert. Zur Überbrückung größerer knöcherner Defekte gelang mit der Implantation expandierbarer Titancages eine sichere knöcherne Durchbauung mit vollständiger Ausheilung des Infektes. Im Beobachtungszeitraum von mehr als 3 Jahren war bei keinem der Patienten ein Infektrezidiv zu verzeichnen. In komplexen Fällen von monosegmentaler Spondylodiszitis der LWS mit multisegmentaler epiduraler Abszedierung, führte die epidurale Katheterspülung über den dorsalen Zugang für die Spondylodese zu einer folgenlosen Ausheilung. Damit konnte ein zusätzliches, iatrogenes Trauma mit multisegmentalen Lamintomien über die Distanz des epiduralen Abszesses vermieden werden. In einer weiteren Studie mit einem Beobachtungszeitraum von bis zu 5 Jahren, erzielte die Implantation von Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK) Cages zur dorsalen intersomatischen Fusion bei pyogener Spondylodiszitis eine sehr gute, stabile knöcherne Durchbauung des infizierten Segmentes, ebenfalls ohne Infektrezidiv. Diese Abweichung vom herkömmlichen Standard mit Titanimplantaten erwies sich somit als sichere Alternative mit den für PEEK charakteristischen, verbesserten Eigenschaften. Im Vergleich zu herkömmlichen Operationsverfahren, verspricht die Integration dieser Ergebnisse in die Weiterentwicklung minimal-invasiver Techniken, insbesondere im multimorbiden Patientenklientel, mindestens gleichwertig gute Ergebnisse bei deutlich reduziertem Operationstrauma.:1. EINFÜHRUNG IN DIE THEMATIK 1 1.1 Die pyogene Spondylodiszitis 1 1.1.1 Epidemiologie, Ätiologie und Pathophysiologie 2 1.1.2 Diagnostik und Therapie 6 1.1.2.1 Konservative Therapie 11 1.1.2.2 Operative Therapie 12 1.2 Biomechanische Aspekte 14 1.3 Wissenschaftliche Fragestellung 15 2. ORIGINALARBEITEN 20 2.1 Apoptosis of human intervertebral discs after trauma compares to degenerated discs involving both receptor-mediated and mitochondrial-dependent pathways 20 2.2 Endogenous IL-10 regulates sepsis-induced thymic apoptosis and improves survival in septic IL-10 null mice 30 2.3 Reconstruction of large defects in vertebral osteomyelitis with expandable titanium cages 39 2.4 Single-stage epidural catheter lavage with posterior spondylodesis in lumbar pyogenic spondylodiscitis with multilevel abscess formation 45 2.5 Single-stage debridement and spinal fusion using PEEK-cages through a posterior approach for eradication of lumbar pyogenic spondylodiscitis: A safe treatment strategy for a detrimental condition 52 3. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 62 4. LITERATURVERZEICHNIS 78 5. APPENDIX 98 5.1 Tabellen und Abbildungen 98 Tabelle 1 & 2 98 Tabelle 3 & 4 99 Abbildung 1 100 Abbildung 2 101 Abbildung 3 102 Abbildung 4 103 Abbildung 5 104 5.2 Selbständigkeitserklärung 105 5.3 Danksagung 106 5.4 Curriculum Vitae 108