Vorbereitende Studien zu Methoden der Wachstumslenkung am Schafsmodell

by Theresa Elisabeth Michel
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-08-03
Date of issue:2023-08-03
Advisor:Prof. Dr. Anna-Kathrin Hell
Referee:Prof. Dr. Anna-Kathrin Hell
Referee:Prof. Dr. Frauke Alves
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10032

 

 

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Abstract

English

In the present work, investigations were carried out within the framework of the BMBF project "Externally steerable plate osteosynthesis system for children (KiD Plate)" (No.13GW0302B). The investigations concerned the experimental animal sheep for pediatric orthopedic implant research, as well as pilot studies on the implantation of an extramedullary magnetically steerable force carrier and on the thermal ablation of growth plates. In a total of 15 experimental lambs, behavioral observations (n = 7) and extended activity analyses under laboratory conditions (n = 3), as well as measurement of the load on the legs of the sheep (n = 8) were performed. The use of a pressure-sensitive walkway proved to be particularly suitable. As described in the literature, a stronger load on the front legs could be detected without differences in relation to the body half. In future application of this methodology, video recording during gait analysis is recommended. From the obtained data, it was also possible to determine a daily average load of the hind legs of 2.94 kg/min. The hind legs were in the foreground during the measurements and evaluations according to the legs on the child. This can be used as a benchmark for the development of new implants for leg lengthening with in vivo measurements on sheep. It should be noted that the forces acting on the bones, for example from muscles and tendons, were not considered. In another experiment in this work, a magnetically steerable implant was applied to the tibia of a juvenile linseed lamb. The widespread surgical methods of bone lengthening for the correction of leg length discrepancies are not satisfactory, especially in children under the age of ten years. As an off-label trial, the rod-shaped MAGEC implant was applied extramedullary to the tibia of a sheep. The previous biomechanical testing with axial forces up to 500 N indicated sufficient stability. However, the postoperative course showed a lack of stability of the implant against the rotational forces acting in vivo. Due to the problem, which could not be corrected by reoperation, the test animal had to be euthanized. For future experiments involving implants on sheep extremities, a postoperative fixation of the animals in slings is recommended to avoid rotational forces. In addition to the in vivo experiments, sheep bones were also used under in vitro conditions. A pilot study was conducted to test thermal ablation as a therapeutic tool to affect the lamb growth plate. Following conventional radiographic examination, heat was applied via an electrocautery tip. An evaluation was performed conventionally radiologically and by microCT, MRI, and histology. The successful hit rate according to the evaluation of the radiographs was 80%, by microCT 87.5%, and by MRI 93.5%. Therefore, radiography alone as performed in this study seems to be insufficient. Histological images showed tissue damage in growth plate and bone tissue. Accordingly, it appears that the methodology described here for ablation of a limited portion of the growth plate is suitable in the context of growth inhibition or control in children. However, to confirm this hypothesis, the effects of the applied heat should be investigated in vivo in the long-term course. In the context of the preparation of histological sections of the bones used for thermal ablation, a new methodology for a precise preparation of the histological sections was established. MicroCT-images of the embedded bone pieces were used to create three-dimensional models, where the desired section planes could virtually be defined. By hand, these section planes were marked on the Technovit blocks. To create the histological sections a laser microtome was used. The small loss of material during preparation of the histological sections made it possible to visualize the lesions in several sections, which could be stained differently. Problems encountered in the process were solved during or after the establishment of this method by updates for the laser microtome. In the future a further development of this methodology can be envisaged, which will further reduce the inaccuracies due to the hand-marked section planes.
Keywords: leg length discrepancy; children; linen sheep; gait analysis; hoof pressure; pressure-sensitive walkway; lamb; growth modulation; tibia; extramedullary lengthening device; failure; hemiepiphysiodesis; thermal ablation; growth plate; histology; microCT

German

In der vorliegenden Arbeit wurden im Rahmen des BMBF-Projektes „Extern steuerbares Plattenosteosynthesesystem für Kinder (KiD Plate)“ (Nr.13GW0302B) Untersuchungen zum Versuchstier Schaf für kinderorthopädische Implantatforschung, sowie Pilotstudien zur Implantation eines extramedullären, internen, magnetisch zu lenkenden Kraftträgers und zur Thermoablation von Wachstumsfugen durchgeführt. Bei insgesamt 15 Versuchslämmern wurden Verhaltensbeobachtungen (n = 7) und ausgedehnte Aktivitätsanalysen unter Laborbedingungen (n = 3), sowie die Messung der Belastung der Schafsbeine (n = 8) vorgenommen. Die Verwendung einer Sensormatte erwies sich dabei als besonders geeignet. Wie in der Literatur beschrieben war dabei eine stärkere Belastung der Vorderbeine zu erkennen ohne Unterschiede in Bezug auf die Körperhälfte. Bei zukünftiger Anwendung dieser Methodik ist eine Videoaufnahme während der Ganganalyse zu empfehlen. Aus den hier gewonnen Daten konnte außerdem eine tagesdurchschnittliche Belastung der Hinterbeine mit 2,94 kg/min berechnet werden, welche bei den Messungen und Auswertungen im Vordergrund stand entsprechend der Beine am Kind. Diese kann als Maßstab bei Entwicklungen neuer Implantate zur Beinverlängerung mit in vivo Messungen am Schaf herangezogen werden. Zu beachten ist dabei, dass die auf die Knochen wirkenden Kräfte von beispielsweise Muskeln und Sehnen nicht miteinberechnet wurden. In einem weiteren Versuch dieser Arbeit wurde ein magnetisch steuerbares Implantat an der Tibia eines juvenilen Leinelamms angebracht. Die verbreiteten chirurgischen Methoden der Knochenverlängerung zur Korrektur von Beinlängendifferenzen stellen vor allem bei Kindern unter zehn Jahren keine zufriedenstellenden Behandlungsmethoden dar. Das stabförmige MAGEC-Implantat wurde hier off-label extramedullär implantiert. Die vorherige biomechanische Testung mit axialen Kräften bis zu 500 N ließ eine ausreichende Stabilität erwarten. Der postoperative Verlauf zeigte allerdings eine fehlende Stabilität des Implantats gegenüber den in vivo wirkenden Rotationskräften. Aufgrund der auch per ReOperation nicht korrigierbaren Problematik musste das Versuchstier euthanisiert werden. Für zukünftige Versuche, die Implantate an Schafsextremitäten beinhalten, ist eine postoperative Fixierung der Tiere in Schlingen anzuraten, um Rotationskräfte zu umgehen. Neben den in vivo Versuchen wurden bei diesen Studien auch Schafsknochen unter in vitro Bedingungen verwendet. Dafür wurde eine Pilotstudie zur Testung der Thermoablation als therapeutisches Instrument zur Beeinflussung der Wachstumsfuge des Lammes untersucht. Nach konventioneller Röntgenuntersuchung wurde über eine Elektrokauterspitze Hitze appliziert. Eine Auswertung erfolgte konventionell radiologisch und mittels µCT, MRT und Histologie. Die hier erzielte erfolgreiche Trefferquote lag nach Auswertung der Röntgenbilder bei 80%, dem µCT zufolge bei 87,5% und bei Beurteilung der Läsionen in den MRT-Bildern bei 93,75%. Daher scheint die alleinige Röntgendiagnostik wie in dieser Studie vorgenommen unzureichend. In den histologischen Bildern der verwendeten Knochen zeigten sich Gewebeschädigungen in Wachstumsfuge und Knochengewebe. Demnach scheint die hier beschriebene Methodik zur Ablation eines begrenzten Abschnittes der Wachstumsfuge im Rahmen der Wachstumshemmung oder -lenkung beim Kind geeignet zu sein. Die Auswirkungen der applizierten Hitze sollten zur Bestätigung dieser Hypothese jedoch noch in vivo im Langzeitverlauf untersucht werden. Im Rahmen der Erstellung histologischer Schnitte, der zur Thermoablation verwendeten Knochen, wurde in dieser Arbeit außerdem eine neue Methodik zur möglichst präzisen Erstellung der histologischen Schnitte verfolgt. Dabei konnten durch die µCT-Aufnahmen der eingebetteten Knochenstücke 3D-Modelle erstellt und Schnittebenen virtuell definiert werden. Per Hand wurden diese Schnittebenen auf den Technovit-Blöcken markiert und bei der Erstellung der histologischen Schnitte mithilfe des Lasermikrotoms herangezogen. Durch den geringen Materialverlust histologischer Schnitte wurde eine Darstellung der Läsionen an den gewünschten Stellen in verschiedenen Färbungen möglich. Dabei auftretende technische Probleme wurden im Laufe der Etablierung dieser Methodik oder im Nachhinein durch Updates der Firma behoben. In Zukunft kann eine Weiterentwicklung dieser Methodik angestrebt werden, welche die Ungenauigkeiten durch die per Hand markierten Ebenen weiter verringert.
 
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