The use of cold therapy has been an established measure in the postoperative treatment of musculoskeletal injuries and operations for many years. The aim is to relieve pain, reduce swelling, and improve range of motion at an early stage. A recent systematic review and meta-analysis has now summarized and critically evaluated the existing evidence on this topic.

The analysis included 28 randomized controlled trials comparing various forms of cryotherapy with no cold application. Pain intensity, range of motion (ROM), swelling, and functional recovery were evaluated. Overall, cryotherapy showed significant advantages in terms of pain reduction and mobility in the immediate, short-term, and medium-
term postoperative phases. However, some of the effect sizes found were below the clinically relevant threshold (MCID), indicating rather moderate absolute improvements.

Small to moderate positive effects were observed in terms of range of motion, while only limited differences were observed for swelling and function. Nevertheless, the overall picture suggests that cold applications can make a supportive contribution to multimodal rehabilitation concepts – especially in the early stages of healing, when pain and tissue reaction limit the range of motion. A subgroup analysis showed that controlled cryo-compression systems tend to achieve more favorable effects than conventional applications with ice or gel packs. These devices were found to significantly reduce pain intensity (mean difference −1.03 points) and improve range of motion (mean +11.5°). These advantages are probably due to the combination of cooling and simultaneous compression, which affects both local blood flow and tissue pressure. However, it should be noted that the research situation is heterogeneous overall and the quality of the evidence was only low to moderate. In addition, almost all of the included studies refer to direct cooling methods– i.e., applications in which the cold is transferred directly to the skin via ice, gel packs, or cooling compression devices.

Other methods have hardly been investigated in the literature to date. Hyperbaric CO₂ cold therapy, in which compressed, expanding carbon dioxide is applied to the skin, is only found in individual case reports or small pilot studies. Cold air methods, in which convective heat removal is achieved by means of a fan, have also been researched only marginally to date. For both methods, there are currently no reliable randomized studies on postoperative application. Accordingly, it is not currently possible to make any well-founded statements about their effectiveness or their significance in comparison to established direct cooling methods.

Conclusion: Cryotherapy remains a useful measure in the postoperative management of musculoskeletal surgery, especially for short-term pain and swelling reduction. Although the observed effects are often below the clini­cally relevant threshold, they indicate a supportive effect within a comprehensive rehabilitation concept. Combinations of cold and compression appear to be somewhat more effective than simple ice applications. At the same time, the analysis reveals significant gaps in research: Indirect methods such as hyperbaric CO₂ cold therapy or cold air coo­ling have not yet been sufficiently investigated and should be given greater consideration in future studies in order to evaluate the entire spectrum of cryotherapy on a scientific basis.

Die Anwendung von Kälte zählt seit Jahren zu den etablierten Maßnahmen in der postoperativen Behandlung muskuloskelettaler Verletzungen und Operationen. Ziel ist es, Schmerzen zu lindern, Schwellungen zu reduzieren und den Bewegungsumfang frühzeitig zu verbessern. Eine aktuelle systematische Übersichtsarbeit und Metaanalyse hat nun die vorhandene Evidenz zu diesem Themenfeld zusammengefasst und kritisch bewertet.

In die Analyse gingen 28 randomisierte kontrollierte Studien ein, die verschiedene Formen der Kryotherapie mit keiner Kälteanwendung verglichen. Bewertet wurden Schmerzintensität, Bewegungsumfang (Range of Motion, ROM), Schwellung und funktionelle Wiederherstellung. Insgesamt zeigten sich signifikante Vorteile zugunsten der Kryotherapie hinsichtlich Schmerzreduktion und Beweglichkeit in den unmittelbaren, kurzfristigen und mittelfristigen postoperativen Phasen. Die gefundenen Effektstärken lagen allerdings teils unterhalb der klinisch relevanten Schwelle (MCID), was auf eher moderate absolute Verbesserungen hinweist.

Beim Bewegungsumfang ergaben sich kleine bis mittlere positive Effekte, während für Schwellung und Funktion nur begrenzte Unterschiede beobachtet wurden. Dennoch deutet das Gesamtbild darauf hin, dass Kälteapplikationen einen unterstützenden Beitrag im Rahmen multimodaler Rehabilitationskonzepte leisten können – insbesondere in den frühen Heilungsphasen, in denen Schmerz und Gewebereaktion das Bewegungsausmaß einschränken. Eine Subgruppenanalyse zeigte, dass kontrollierte Cryo-Kompressionssysteme tendenziell günstigere Effekte erzielen als konventionelle Anwendungen mit Eis- oder Gelpacks. Für diese Geräte wurde eine signifikante Reduktion der Schmerzintensität (mittlere Differenz −1,03 Punkte) sowie eine Verbesserung des Bewegungsumfangs (im Mittel +11,5°) festgestellt. Diese Vorteile sind wahrscheinlich auf die Kombination von Kühlung und gleichzeitiger Kompression zurückzuführen, die sowohl die lokale Durchblutung als auch den Gewebedruck beeinflusst. Allerdings bleibt festzuhalten, dass die Forschungslage insgesamt heterogen ist und die Qualität der Evidenz nur niedrig bis moderat ausfiel. Zudem beziehen sich nahezu alle eingeschlossenen Studien auf direkte Kühlverfahren – also Anwendungen, bei denen die Kälte unmittelbar über Eis, Gelpacks oder Kühl-Kompressionsgeräte auf die Haut übertragen wird.

Andere Verfahren werden in der Literatur bislang kaum untersucht. Hyperbare CO₂-Kältetherapie, bei der komprimiertes, expandierendes Kohlendioxid auf die Haut aufgebracht wird, findet sich nur in Einzelfallberichten oder kleinen Pilotstudien. Auch Kaltluftverfahren, bei denen mittels Gebläse ein konvektiver Wärmeentzug erfolgt, sind bislang nur marginal erforscht. Für beide Methoden liegen bislang keine belastbaren randomisierten Studien zur postoperativen Anwendung vor. Entsprechend lässt sich derzeit keine fundierte Aussage über ihre Wirksamkeit oder ihren Stellenwert im Vergleich zu etablierten direkten Kühlverfahren treffen.

Fazit: Kryotherapie bleibt eine sinnvolle Maßnahme im postoperativen Management muskuloskelettaler Eingriffe, insbesondere zur kurzzeitigen Schmerz- und Schwellungsreduktion. Die beobachteten Effekte liegen zwar häufig unterhalb der klinisch relevanten Schwelle, weisen jedoch auf eine unterstützende Wirkung innerhalb eines umfassenden Rehabilitationskonzepts hin. Kombinationen aus Kälte und Kompression erscheinen etwas wirksamer als einfache Eisapplikationen. Gleichzeitig zeigt die Analyse deutliche Forschungslücken: Indirekte Verfahren wie hyperbare CO₂-Kältetherapie oder Kaltluftkühlung sind bislang unzureichend untersucht und sollten in zukünftigen Studien stärker berücksichtigt werden, um das gesamte Spektrum der Kryotherapie wissenschaftlich fundiert bewerten zu können.

Patient History

A 39-year-old male recreational soccer player sustained an acute proximal hamstring tendon avulsion during a non-contact sports-related incident. Sonography revealed extensive hematoma and loss of proximal hamstring musculature structure, confirmed by MRI, which demonstrated a subtotal (but nearly total) tendon avulsion with minimal residual fibers attached to the ischial tuberosity. The patient experienced severe pain (VAS: 3 at rest, 10 with movement) and significant functional impairment.

Surgical Intervention & Rehabilitation Protocol

On postoperative day (POD) 0, the patient underwent transosseous refixation of the hamstring tendon at a specialized orthopedic center. Postoperative recovery was uncomplicated, and a multdisciplinary rehabilitation program commenced on POD 5. The rehabilitation focused on pain relief, inflammation control, and functional restoration, utili­zing therapies that were well-tolerated and free of adverse effects.

Radial Extracorporeal Shockwave Therapy (rESWT)

The rESWT was performed using the Swiss DolorClast system (Electro Medical Systems, CH). Treatments targeted the dorsal thigh and gluteal region, sparing the surgical wound until healing was complete. Each session utilized 10,000 – 20,000 impulses at patient-specific pressures ranging from 2.0 to 4.0 bar.

Timepoints of rESWT Sessions:

• POD 5: Initial session (2.0 bar, 10,000 impulses).
• POD 6: Second session (2.5 bar, 15,000 impulses).
• POD 8: Third session (2.7 bar, 15,000 impulses).
• POD 19: Fourth session (3.4 bar, 15,000 impulses).
• POD 22: Fifth session (4.0 bar, 15,000 impulses).
• POD 33: Sixth session, including the knee region (4.0 bar, 15,000 impulses).
• POD 50: Final session (4.0 bar, 15,000 impulses).

Magnetic Resonance Therapy (MBST)

MBST was performed using the MBST Arthro Spin Flex system (MedTec Medizintechnik GmbH, DE) to stimulate tissue regeneration and cellular repair. Seven sessions were administered between POD 5 and POD 12.

Neuroreflexive Hyperbaric CO₂ Cryotherapy

Cryotherapy was performed using the Cryolight system (Elmako, DE) during rESWT sessions on POD 6, POD 8, and POD 22, providing additional pain relief and inflammation control.

Progressive Mobilization

Crutch-assisted ambulation began on POD 1. By POD 22 (approximately 3 weeks postoperatively), the patient no longer required forearm crutches, reporting improved stability and confidence. Independent walking, including a 5-km walk during vacation, was achieved by POD 33 (approximately 5 weeks postoperatively).

Physiotherapy

Physiotherapy targeted muscle strength and coordination while addressing lumbar spine stabilization. By POD 50 (approximately 7 weeks postoperatively), the patient resumed jogging, albeit with mild residual muscle imbalance and lumbar tightness.

Clinical Outcomes

Pain and Mobility Pain relief was rapid, with significant improvement noted by 3 weeks postoperatively. Functional milestones were achieved progressively: independent walking by 3 weeks, a 5-km walk by 5 weeks, and a return to jogging by 7 weeks postoperatively. Muscular Recovery Residual muscle atrophy and strength asymmetry were evident at 5 weeks, though neuromuscular function showed continued progress with physiotherapy. By 7 weeks, the patient was able to jog short distances without pain or instability. Imaging Follow-up MRI at 5 weeks confirmed intact tendon refixation without retraction and only minor residual edema in the surrounding musculature. The patient reached RTC (back on the football field) exactly 5 months after the injury.

Conclusion

Early postoperative combined physical therapy, including MBST and rESWT as the primary modalities, alongside cryotherapy, and progressive mobilization, facilitated a safe and effective recovery after proximal hamstring tendon refixation. Pain relief, inflammation control, and gradual functional restoration were achieved much faster and without complications or therapy-related adverse effects. The treatments were well-tolerated, confirming their safety in postoperative rehabilitation. By 7 weeks postoperatively, the patient had already returned to jogging. By the help of ongoing physiotherapy and individual increase of the trainings load the patient reached fully balanced muscle regeneration and optimal functional outcomes. He returned on the football field (RTC) exactly 5 months after the injury.

According to the authors, a protein- and carbohydrate-rich diet is recommended 7 – 10 days before surgery to promote wound healing, graft healing and maintenance of muscle mass [1, 2]. Furthermore, they address the increased calorie requirement and the minimum daily intake of amino acids [3] as well as the importance of micronutrients for wound healing [2, 4 – 5] and point out the lack of large randomised controlled trials (RCTs) to date that clearly demonstrate the effectiveness of these nutritional interventions [6].

Integration of nutraceuticals in musculoskeletal rehabilitation

The latest research results on the rehabilitation of anterior cruciate ligament injuries (ACL) show that certain bioactive substances in food can promote the healing process through anti-inflammatory effects, support tissue regeneration and improve joint health. A recent review highlights the following active ingredients in particular [7]:

Curcumin

Curcumin works by inhibiting post-­traumatic inflammatory processes, activating stem cells and regulating collagen metabolism [8 – 10]. An interesting approach is the combination with nanotechnology as curcumin nanoparticles, which, for example, could improve the bioavailability in the tissue and thus achieve a higher effect, but this form of application is not yet widely used and investigated [7]. In the case of acute injuries or operations, however, the optimal timing of therapy must be discussed on the basis of the physiological inflammatory response. For further information, see [11].

Omega-3 fatty acids

Omega-3 fatty acids, in particular eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA), help to reduce inflammatory processes and promote tissue regeneration by reducing pro-inflammatory cytokines and inducing anti-inflammatory molecules (known as resolvins) [12]. In addition, omega-3 fatty acids influence gene expression by affecting inflammatory transcription factors [13]. Clinical studies have already shown positive effects on muscular regeneration [14]; however, the optimal timing of therapy is controversial due to the physiological inflammatory response in the first few days after injury.

Bromelain

Bromelain is a proteolytic enzyme found in pineapples that has anti-inflammatory and decongestant properties. It also has immunomodulatory effects via the activation of macrophages, lymphocytes and natural killer cells [15]. Although the use of bromelain is relatively widespread in the context of injuries or surgery and has been relatively well researched in dentistry in particular [16], clinical data on its effects in the pre- and rehabilitation phases are lacking in the musculoskeletal field.

Vitamin D

Low serum levels of 25-hydroxy-vitamin D are associated with an increased incidence of injuries (e.g. muscle injuries and stress fractures; [17, 18]), increased levels of pro-inflammatory cytokines [19] and biomarkers, as well as increased postoperative loss of strength [20]. Since vitamin D metabolism is extremely complex and many of the active processes only take place in the body over the longer term, the use of vitamin D derivatives is less important in the phase of acute injury and more so as a long-term supplement.

Vitamin C and antioxidants

Reactive oxygen species (ROS) are formed during metabolism and play a dual role: on the one hand, they can promote muscle breakdown, but on the other hand, they are essential for trai­ning adaptations. Antioxidants such as vitamin C or polyphenols neutralise excess ROS, but an excess of antioxidants can impair recovery because positive ROS-mediated adaptation processes would be inhibited [21, 22]. Instead of long-term supplementation with isolated antioxidant preparations (e. g. high-dose vitamin C), a balanced diet with antioxidant-rich foods such as fruit and vegetables is recommended as a preventive measure to optimally support regeneration after injuries [23]. In the case of highly acute inflammation, however, antioxidant preparations can be considered to slow down the excessive inflammatory response.

Conclusion

The integration of nutraceuticals into musculoskeletal rehabilitation represents a forward-looking strategy. While preclinical and initial clinical studies are promising, further large-scale randomised studies are needed to validate the optimal dosage and long-term effects. Interdisciplinary collaboration between orthopaedists, nutritionists and sports scientists is crucial to integrate individual nutrition concepts into multimodal rehabilitation.

Bibliography

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Zum ärztlichen Aufgabenfeld gehört es, klare Erwartungen und Ziele der Therapie an die Therapeuten zu formulieren, den Therapieverlauf kontinuierlich zu überwachen und den Rehabilitationsprozess selbst aktiv zu unterstützen. Daher soll in diesem Artikel auf den Stellenwert biomechanischer Einflussfaktoren in der Rehabilitation eingegangen werden: 

Eine abgeschlossene strukturelle Heilung impliziert nicht zwingend eine optimale Gewebefunktion (vgl. [1]). Grundsätzlich ist für das längerfristige Ergebnis einer Muskel- bzw. Sehnenverletzung und für die Prävention von Rezidiv-Verletzungen die Beseitigung biomechanischer Störfaktoren relevant. Dieser biomechanische Aspekt der Rehabilitation wird meistens von Physiotherapeuten und / oder Sportwissenschaftlern ausgeführt. Nicht nur zu den biomechanischen Einflussfaktoren von Muskel- / Sehnenverletzungen, sondern auch zu evidenzbasierten Rehabilita­tionsprotokollen in der Physiotherapie fehlen noch immer belastbare evidenzbasierte Daten. Die Generierung von wissenschaftlicher Evidenz wird weiterhin dadurch erschwert, dass sich einerseits die mechanischen Verhältnisse zwischen den betroffenen Muskeln intraindividuell unterscheiden und dadurch meist die individuelle Biomechanik eines Patienten nicht suffizient in verallgemeinernden Studien abgebildet werden kann. Für vereinzelte Arten von Muskelverletzungen existieren mittlerweile evidenzbasierte Rehabilitationsprotokolle, z. B. für Hamstring-Verletzungen [2]. Da sich in der klinischen Praxis allerdings zahlreiche Formen von Muskelverletzungen mit individuellen Einflussfaktoren präsentieren, ist der praktische Nutzen einzelner evidenzbasierter Rehabilitationsprotokolle häufig nicht ausreichend. Die hier dargestellten und diskutierten Hypothesen des biomechanischen Managements während der Rehabilitation von Muskelverletzungen basieren daher ausschließlich auf der klinischen Erfahrung und den Überlegungen der Autoren.

Muskelfunktion bei Muskel- und Sehnenverletzungen

Das übergeordnete Ziel der rehabilitativen Therapie ist die Wiedererlangung der optimalen biomechanischen Funktion der betroffenen Muskulatur-Gruppe. Nach Auffassung der Autoren treten Muskel- und Sehnenverletzungen zumeist dann auf, wenn hohe intramuskuläre Zugbelastungen auf dysfunktionales und / oder hypertones Muskelgewebe treffen und die intrinsische Kapazität zur Energiedistribution vom Muskel- / Sehnengewebe überstiegen wird. Mutmaßlich ist aufgrund degenerativer Veränderungen bei Verletzungen innerhalb der myotendinösen Einheit bei älteren Patienten eher Sehnengewebe betroffen, während bei jüngeren Patienten aufgrund der physiologisch hervorragenden Dehnungsfähigkeit von Sehnengewebe eher Muskelfasern- und bündel betroffen sind [3]. Wenn der verletze Muskel-Sehnen-Komplex nach erfolgreicher biomechanischer Therapie wieder physiologisch arbeitet, löst sich eine wesentliche Ursache der Verletzung. Die Gewebefunktionalität wird trotz Verletzung unmittelbar verbessert. Bei Rezidiv-Verletzungen sind diese Abläufe entscheidend gestört: häufig ist die strukturelle Verletzung zwar ausgeheilt, der betroffene Muskel bleibt allerdings weiterhin dysfunktional und kann daher nicht adäquat auf die vorherrschenden Zugkräfte reagieren, was ihn wiederum anfälliger für eine erneute Muskelverletzung macht. Interessant in diesem Kontext ist die Tatsache, dass eine dysfunktionale Muskulatur ohne strukturelle Verletzung, aber mit akuter klinischer Symptomatik als „funktionelle“ Muskelverletzung klassifiziert wird (vgl. Munich Consensus Classification [4]). Dies unterstreicht die Bedeutung einer ordentlichen biomechanischen Analyse.

Einflussfaktoren der Muskelfunktion

Es bestehen zahlreiche mechanische Faktoren, die die physiologische Muskelfunktion beeinflussen können. An dieser Stelle werden die nach Meinung der Autoren bedeutendsten Einflussfaktoren auf die Muskelfunktionalität aufgelistet:

Muskuläre Dysbalancen

• Ungleichmäßige Kräfteverhältnise antagonistischer und synergetischer Muskelgruppen (z. B. Dysbalance des Quadrizeps im Vergleich zu den Hamstring-Muskeln)
• Können von Gelenkblockaden oder knöchernen Deformitäten ausgelöst werden
• Langfristig (über Jahre) und / oder kurzfristig (über Tage bis Wochen) bestehend
• Können zu Gelenkblockaden und langfristig dysfunktionaler skelettaler Adaptation führen
• Führt zur gleichzeitigen Dysfunktionalität des muskulären Antagonisten

Gelenkblockaden

• Ausgelöst durch teils simple Traumata oder konstante muskuläre Fehlbelastung
• Können zu muskulärer Dysbalance führen
• Langfristig (über Jahre) und / oder kurzfristig (über Tage bis Wochen) bestehend

Belastungs- und Regenerations­zustand der Muskulatur

• Zu starke muskuläre Belastung durch z. B. übermäßige sportliche Betätigung kann eine Dysfunktionalität auslösen

Innervation der Muskulatur

• Fehlerhafte nervale Ansteuerung führt zu muskulärer Fehlbelastung (z. B. Reizungen an der Nerven­wurzel, Bandscheibenvorfälle)

Nährstoffversorgung der Muskulatur

Statische Fehlstellungen – Kette von unten am Fuß (Knick-Senk-Spreizfuß, Hohlfuß, Sichelfuß; etc.) oder oben (Craniomandibuläre Dys­balance, Atlasfehlstellungen, etc.)

• Führen konsekutiv zu muskulärer Dysbalance der unteren Extremitäten und des Rumpfes

Knöcherne Deformitäten

• Z. B. Wirbelsäulendeformitäten (Skoliose, M. Scheuermann), Coxa vara / valga, Genu varum / valgum
• Können zu muskulärer Dysbalance führen oder von langfristiger muskulärer Dysbalance ausgelöst werden
• Nicht der primäre therapeutische Ansatz, sondern erstes therapeu­tisches Ziel ist die Stärkung der körpereigenen Kompensationsmechanismen!

Es können bei einem Individuum mehrere mechanische Faktoren gleichzeitig zu einer Muskeldysfunktion beitragen, die sich teils gegenseitig bedingen und /oder aufrechterhalten. Selbst in klinisch gesunden Menschen ohne Beschwerden können solche mechanischen Risikofaktoren oftmals identifiziert werden (Kompensierte Dysfunktion). Eine Intervention bei Symptomfreiheit sollte zumindest kritisch diskutiert werden.  Der zentrale Unterschied ist jedoch die Kompensationsfähigkeit: während beschwerdefreie Personen ihre biomechanischen Verhältnisse durch verschiedenste Anpassungsmaßnahmen kompensieren können, ist die Kompen­sa­tionsfähigkeit der Patienten mit klinischen Symptomen zumindest auf lokaler Ebene erschöpft. Der therapeutische Ansatz sollte daher auch die bestmögliche Wiederherstellung der physiologischen Biomechanik sein, damit der Körper die Zugbelastungen wieder besser verarbeiten kann. Die Analyse der Einflussfaktoren ist komplex und eine ausführliche Beschreibung sprengt den Rahmen dieses Artikels. Dennoch soll ein Bewusstsein für die Komplexität der Muskelfunktion geschaffen und Aspekte zur biomechanischen Behandlung vorgestellt werden.

Diagnostik der Muskelfunktion

Bislang erfolgte die Einschätzung des funktionellen Zustands der Muskulatur zumeist auf Basis einer klinischen Untersuchung. Bei der Palpation eines dysfunktionalen Muskels liegt häufig ein verhärtetes Gewebe mit veränderter muskulärer Spannung vor. Bei sorgfältiger Untersuchung kann ein so genannter „taud band“, ein lokal begrenzter Muskelstrang mit höchster hypertoner Spannung und ein darin liegender, etwa erbsengroßer verhärteter Punkt, ein so genannter „Triggerpunkt“ ertastet werden. Die Palpation von Triggerpunkten kann oft ein Schmerzgefühl beim Patienten auslösen, während muskuläre Are­ale ohne Triggerpunkte selten Schmerzen durch Palpation verursachen. Diese Palpation erschwert sich bei gleichzeitig vorliegender Muskelverletzung, da durch ein intramuskuläres Hämatom und Ödem kein strukturell intaktes Muskelgewebe palpiert werden kann. Ein dysfunktionaler Muskel kann auch klinisch als Hypton identifiziert werden: Eine Muskulatur mit weniger Spannung kann ebenfalls vorliegen. Die palpatorische Einschätzung der Muskelfunktion kann von einer Krafttestung des untersuchten Muskels begleitet werden. Dabei sollte der Patient so gelagert werden, dass der Großteil der Kraft während des manuellen Tests von dem untersuchten Muskel aufgewendet werden muss. Zu beachten hierbei ist, dass der Kraftverlust bei dysfunktionaler Muskulatur meist gering ist und sich erst bei der der exzentrischen Prüfung zeigt. Leider ist die klinische Untersuchung sehr subjektiv und abhängig von der Erfahrung des Untersuchers, sodass Ergebnisse häufig nicht eindeutig reproduzierbar sind. In den letzten Jahren haben sich wenige apparative Verfahren etabliert, mit derer die Muskelfunktion objektivierbar ist: 

Das ist zum einen die auf der Ultraschalltechnologie beruhenden Scherwellen-Elastographie, bei dem die Gewebeelastizität optisch dargestellt werden kann. Somit kann auch der Muskeltonus über die Elastizität des Muskels objektiviert werden. In der Scherwellen-Elastographie fallen tonisch dysfunktionale Muskeln durch eine deutlich verringerte Elastizität auf [5, 6]. 

Das andere Verfahren zur Evaluation der neurogenen Muskelfunktion ist die Elektromyografie (EMG): mittels Klebeelektroden kann das Aktivierungsmuster von Muskeln dargestellt und sogar mittels Biofeedback-Verfahren gezielt beübt werden [7]. 

Schlussendlich bietet die Isokinetische Testung die Möglichkeit, die Muskelfunktion über ihre gesamte Bewegungsamplitude  in puncto Kraft-Quantität, -Aufbringung (konzentrisch, exzentrisch) und Kraftentwicklung (Winkelgeschwindigkeit) zu testen. Dysfunktionale Muskeln können zwei Aktivierungszustände besitzen: entweder eine Hyperaktivierung oder eine Hypo­a­ktivierung. Die Kombination dieser Verfahren bringt neue diagnostische Möglichkeiten zur bestmöglichen Einschätzung der Muskelfunktion.

Zu erwähnen ist, dass bei der Untersuchung der Muskelfunktion nicht nur der verletzte Muskel untersucht werden sollte, sondern alle assoziierten Muskelgruppen sowie die myofasziale Funktionskette inkl. der angrenzenden Gelenke. Nur eine solch umfassende Diagnostik erlaubt in dem komplex vernetzten Bewegungsapparat eine möglichst genaue Ursachensuche. Teil dieser Diag­nostik können Bewegungsanalysen sein, die das Zusammenspiel mehrerer Muskeln während einer mehr oder weniger komplexen Bewegung untersuchen. Aus einem auffälligen Testergebnis kann jedoch nicht unmittelbar auf einen bestimmten dysfunktionalen Muskel geschlossen werden. Die Bewegungsanalyse ist oftmals von muskulären Kom­-
pensationsmechanismen beeinflusst und sollte daher erstnach Kenntnis funktioneller Fehlfunktionen durchgeführt werden. Erfolgt nämlich die Beübung eines patholo­gischen Bewegungsmusters ohne tiefergehende Untersuchung einzelner dysfunktionaler Muskeln, kann zwar durch die Therapie wieder ein verbessertes Bewegungsmuster auftreten, allerdings nicht durch Behebung der ursprünglichen Dysfunktion, sondern eher durch Stärkung der muskulären Kompen­sationsmechanismen. Die Bewegungsanalyse ist jedoch ein wichtiger Baustein in der biomechanischen Diag­nostik, insbesondere um übergeordnete Bewegungsstörungen zu erkennen und zu visualisieren.

Biomechanische Therapie von Muskelfunktionsstörungen bei Muskelverletzungen

Die biomechanische Therapie umfasst im Wesentlichen zwei Säulen, kurz- und langfristige Behandlung der Muskelfunktion: 

Kurzfristige Maßnahmen umfassen die Lokalbehandlung von Muskelfunktionsstörungen in der Funktionskette durch Gelenkmobilisation oder den Lokalbefund.

Die besten wissenschaftlichen Evidenzen besitzen Therapien die direkt physikalisch die Muskelfunktionsstörung adressieren wie Druck (detonisierende Massagen, Triggerpunktbehandlungen, Extrakorporale Stoßwellentherapie) oder Nadelung (Dry Needling / Akupunktur, Neuraltherapie – Injektionen mit Lokalanästhetika).

Weitere Maßnahmen, die sich in der klinischen Praxis der Behandlung lokaler Muskelkfunktionsstörungen bewährt haben, aber bisher kaum wissenschaftliche Evidenz besitzen, sind die lokale Thermoapplikation (Wärme – Laser, Fango, Kälte – Neuroreflektorische Cryo­therapie) sowie die hochernergietisch Therapie mit Magnetfeldtherapie.

Entscheidend hierbei ist, dass Therapeuten eine den vorhandenen therapeutischen Möglichkeiten und individuellen Bedürfnissen angepassten Plan verfolgen.

Werden jedoch keine langfristigen Maßnahmen zur biomechanischen Stabilisierung des funktionellen Gesamtsystems unternommen, können die konstanten mechanischen Einflussfaktoren über längere Zeit wieder Muskelfunktionsstörungen hervorrufen und Rezidiv-Verletzung auslösen. Daher ist eine langfristige Behandlung und aktive Konsolidierung des Behandlungsergebnis zur konstanten Änderung der biostatischen Verhältnisse für die Rezidivprophylaxe entscheidend. Zu diesen Verfahren gehören gezielte Kräftigungs-, Koordinations- und Bewegungsübungen zur Änderung der muskulären Kräfteverhältnisse und pathologischer Bewegungsmuster sowie die Versorgung mit orthopädischen Hilfsmitteln wie Einlagesohlen oder Orthesen / Bandagen. 

Die Planung eines optimalen therapeutischen Vorgehens ist kompliziert und sollte die individuellen Verhältnisse und Ansprüche des Patienten berücksichtigen. Bei Muskel- / Sehnenverletzungen sollte die biomechanische Therapie in Abhängigkeit der Verletzungsphase erfolgen. In der frühen Destruktionsphase, Stunden bis wenige Tage nach der Verletzung hat die biomechanische Therapie keine vordergründige Relevanz.  Hier stehen lokal wirkende Maßnahmen im Vordergrund. In der Regenerationsphase bietet es sich an, mit kurzfristig wirksamen biomechanischen Therapieformen zu starten und lokale Muskelfunktionsstörungen zu therapieren. Von der Erfahrung der behandelnden Personen und der Therapieverfügbarkeit sollte die passende Therapieform gewählt werden. Die Autoren empfehlen, bei Muskel- / Sehnenverletzungen der unteren Extremität immer das Sakroiliakalgelenk sowie die Lendenwirbelsäule (chirotherapeutisch) mitzubehandeln [7, 8] und haben sehr gute Erfahrungen in der kombinierten Behandlung der myofaszialen Funktionskette und assoziierter Muskulatur mittels radialer Extrakorporaler Stoßwellentherapie. In der späten Rehabilitationsphase sollte eine kontinuierliche Behandlung der Muskelfunktionsstörungen stattfinden. Ein individualisiertes, structured & supervised Übungsprogramm zur Kräftigung, Stabilisierung der Core-Muskulatur, Koordination und Bewegungsoptimierung sollte erfolgen, um die individuellen mechanischen Verhältnisse zu verbessern. Gegebenenfalls sollte eine Einlagenversorgung erwogen werden.

Fazit

Eine gute Umsetzung des biomechanischen Therapieprogramms kann dazu beitragen, langfristig (Re-)Verletzungen aller Art zu reduzieren und den Sportlern sogar eine höhere Leistungsfähigkeit nach der Verletzung zu verschaffen, durch die nun optimierten biostatischen Verhältnisse. Daher ist dieser Therapiebaustein nach Auffassung der Autoren unabdingbar und sollte von den behandelnden Ärzten berücksichtigt werden.

Literatur

[1] Riepenhof H, Glaesener JJ. Leistungsorientierte, zeitlich unabhängige Rehabilitationsprogression, ein Vier-Phasenmodel. Phys Med Rehab Kurortmed. 2018;28(3):190-194.

[2] Mendiguchia J, Martinez-Ruiz E, Edouard P, et al. A multifactorial, criteria-based progressive algorithm for hamstring injury treatment. Med Sci Sports Exerc. 2017;49(7):1482-1492.

[3] Kjaer M. Role of extracellular matrix in adaptation of tendon and skeletal muscle to mechanical loading. Physiol Rev. 2004;84(2):649-698.

[4] Mueller-Wohlfahrt HW, Haensel L, Mithoefer K, et al. Terminology and classification of muscle injuries in sport: the Munich consensus statement. Br J Sports Med. 2013;47(6):342-350.

[5] Lerchbaumer M. Scherwellenelastographie im Bewegungsapparat. sportärztezeitung.2022;4. https://sportaerztezeitung.com/rubriken/therapie/12921/scherwellenelastographie-im-bewegungsapparat/

[6] Carrero V, Schilling J, Hennecke N Scherwellenelastographie. sportärztezeitung. 2024;4

[7] Blobel T, Roth S, Willeke I. Einsatz von EMG im Profifußball. sportärztezeitung. 2024;2. https://sportaerztezeitung.com/rubriken/training/15972/einsatz-von-emg-im-profifussball/

[8] Massoud Arab A, Reza Nourbakhsh M, Mohammadifar A. The relationship between hamstring length and gluteal muscle strength in individuals with sacroiliac joint dysfunction. J Man Manip Ther. 2011;19(1):5-10.

[9] Saunders J, Crosswell S, Beckman EM, et al. Recurrent hamstring injuries in elite athletes-A paradigm shift to mechanical dysfunction of the sacroiliac joint as one causation. Int J Hum Mov Sports Sci. 2019;7(2):33-42.

Wirkmechanismen und Synergieeffekte

Neurogene Entzündungshemmung durch ESWT

• Aktivierung von Nervenfasern und Modulation des Schmerzsignals
• Verbesserung der lokalen Durchblutung und Geweberegeneration
• Indirekte Reduktion entzündlicher Mediatoren

Direkte biochemische Entzündungshemmung durch Phytopharmaka

• Curcumin Hemmung von NF-κB und COX-2, Reduktion oxidativer Stressreaktionen
• Boswellia Blockade der 5-Lipoxygenase, Hemmung von Leukotrienen und Prostaglandinen
• Bromelain Proteolytische Enzymaktivitat zur Reduktion von Fibrinablagerungen und Gewebeentzündung
• Anthocyane Antioxidative Effekte und Stabilisierung der Zellmembranen und positive Auswirkungen auf das Darmmikrobiom

Regeneration von Sehnengewebe

• ESWT induziert Zellproliferation und Kollagensynthese
• Phytopharmaka unterstützen die Regeneration durch Reduktion kataboler Enzyme und Förderung anaboler Signalwege und können das Darmmikrobiom positiv beeinflussen
• Synergistische Wirkungen fördern eine schnellere Heilung und Reduktion von degenerativen Prozessen

Fazit und Ausblick 

Die Kombination von ESWT und phytopharmazeutischer Therapie bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung von entzündlichen und degenerativen Erkrankungen des Bewegungsapparates. Während ESWT primär über das Nervensystem wirkt, adressieren Curcumin, Boswellia, Bromelain und Anthocyane gezielt biochemische Entzündungswege. Die Kombination beider Therapieformen könnte die Wirksamkeit verbessern, Nebenwirkungen reduzieren und die Regeneration nachhaltig fördern.

Informationsmaterial

Phytopharmaka – Eine kompakte Orientierung

http://sportaerztezeitung.com/rubriken/therapie/12118/phytopharmaka-und-extrakorporale-stosswellen-bei-tendinopathien/ 

Alternative zu NSAR/Schmerzmittel

Polyphenole und Darmmikrobiom

Wirkungsweise Extrakorporale Stoßwellentherapie am Stütz- und Bewegungsapparat

Regenerative Therapien

Education Videos 

Veröffentlicht 06.02.2025

Vor etwa 50 Jahren wurden erstmalig Zellen beschrieben, welche sich fundamental von den bis dahin aus dem menschlichen Körper isolierten Zellen unterschieden: fibroblastische Vorläuferzellen konnten aus dem Knochenmarkstroma gewonnen werden (1). Dies markiert den Beginn der Verwendung von Stammzellen in der Medizin. Seit diesem Zeitpunkt sind zahlreiche Konzepte, Studien und bereits auch Therapien entwickelt worden, welche auf dem Prinzip der Stammzellen beruhen. Stammzellen sind definiert als Zellen, welche undifferenziert sind, sich jedoch durch äußere Reize zu verschiedenen Zellformen entwickeln können. Damit stellen sie eine sehr frühe Vorläuferstufe der differenzierten Körperzellen dar, welche ubiquitär im Körper in überwiegender Mehrheit im Vergleich zu weiteren Zellarten vorhanden sind und die Funktionen des jeweiligen Organs oder der jeweiligen Körperstruktur übernehmen. Die Stammzellen an sich sind jedoch eine sehr heterogene Gruppe; es bestehen massive Unterschiede im Grad der Differenzierung, der Herkunft und dem Entwicklungspotential zwischen den Stammzellarten. Liu et al. (2020) (2) teilten die Stammzellen in fünf Gruppen ein: (i) embryonale Stammzellen (sogenannte embryonic stem cells; ESCs), welche aus der embryonalen Blastozyste gewonnen werden können; (ii) sehr kleine embryonalähnliche Stammzellen (sogenannte very small embryonic like stem cells; VSELs) (iii) Kerntransfer-Stammzellen (sogenannte nuclear transfer stem cells; NTSCs); (iv) reprogrammierte Stammzellen (reprogrammed stem cells; RSCs); und (v) adulte Stammzellen (adult stem cells; ASCs) (2). Eine tabellarische Übersicht zu den verschiedenen Arten von Stammzellen findet sich in Tabelle 1.1. Innerhalb dieser Gruppen wird zudem häufig zwischen weiteren Untergruppen unterschieden, auf die an späterer Stelle zum Teil genauer eingegangen wird.

Embryonale Stammzellen (embryonic stem cells, ESCs)

Embryonale Stammzellen können aus der inneren Zellmasse von Blastozysten gewonnen werden, aus denen sich im weiteren Verlauf der Embryo entwickeln würde. Daher entsprechen sie pluripotenten Stammzellen, welche sich in nahezu alle Gewebearten des menschlichen Körpers differenzieren können (3). Bei der Erstbeschreibung der Isolierung embryonaler Stammzellen aus der Blastozyste kurz vor der Jahrtausendwende gelang es jedoch noch nicht, die Embryonen nach der Stammzellgewinnung überlebensfähig zu halten (4). Dies führte zu einer kontroversen Debatte in der breiten Öffentlichkeit über die Grenzen medizinischer Forschung. Bei den Unterstützern der Forschung mit ESCs wurde die Hoffnung beflügelt, bislang unheilbare Erkrankungen therapieren zu können oder zumindest durch Studien mit den ESCs die (genetische) Pathophysiologie besser zu verstehen. Dem gegenüber stand jedoch eine Gruppe von Kritikern dieser neuen Forschungsmethode, welche in der Forschung mit humanen Embryos den Tatbestand des Mordes erfüllt sahen. Die ethischen Bedenken der ESC-Gegner, welche oftmals aus religiösen Überzeugungen agierten, beruhten hauptsächlich darauf, dass sie den Beginn des menschlichen Lebens im Moment der Befruchtung der Eizelle definieren. Somit entsprach in deren Rechtsauffassung bereits der Embryo im blastozytären Frühstadium einer eigenständigen Person mit jeweiligen Persönlichkeitsrechten, und folglich galt jegliche Forschung mit dem Resultat der lebensverhindernden Schädigung des Embryos als Tötung eines Menschen (5). Diese ethische Problematik überschattet die Forschung, welche seit Anfang der 2000er-Jahre mit embryonalen Stammzellen durchgeführt wurde: aus den ESCs wurden oftmals Zelllinien mit genetischen Eigenschaften hereditärer Erkrankungen entwickelt, um damit grundlagenwissenschaftlich experimentieren zu können (6).

Tabelle 1.1: Verschiedene Arten von Stammzellen (modifiziert nach Liu et al., 2020 (2))

Etwa zehn Jahre nach Isolierung der ersten embryonalen Stammzellen wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die ESCs aus der Blastozyste ohne Schädigung des Embryos gewonnen werden konnten (7, 8). Obwohl dies das ethische Hauptproblem des Einsatzes embryonaler Stammzellen löste, sank dennoch das Interesse an embryonalen Stammzellen rapide, denn nahezu zeitgleich wurden von zwei Forschungsgruppen aus somatischen Zellen pluripotente Stammzellen „reprogrammiert“ und somit Zellen mit vergleichbaren Fähigkeiten gänzlich ohne Notwendigkeit von Embryonen entwickelt (9, 10) (genaueres im Abschnitt zu reprogrammierten Stammzellen). Es bleiben jedoch weiterhin Vorteile auf Seiten der Verwendung embryonaler Stammzellen, da diese aufgrund des fehlenden „reprogrammierenden“ Eingriffs weniger genetische Veränderungen aufweisen und daher homogener sind. Daher laufen noch weiterhin vereinzelte klinische Studien mit embryonalen Stammzellen bei Rückenmarksverletzung, Immuntherapien, Makuladegeneration, Diabetes mellitus Typ I und Herzinsuffizienz (3, 11). Bislang konnten jedoch keine größeren therapeutischen Erfolge mit ESCs erzielt werden. Die Haupteinschränkungen für die klinische Verwendung von ESCs sind die möglichen immunogenen Reaktionen, eine Vielzahl von nicht differenzierten Zelltypen und die mögliche teratogene Entartung (3). Da die reprogrammierten Stammzellen im Prinzip die gleichen Eigenschaften besitzen, sind jegliche Einschränkungen in der Nutzung von ESCs auch für sie anzunehmen. Embryonale Stammzellen exprimieren grundsätzlich die zellulären Oberflächenproteine MHC-I und im Verlauf bei weiterer Differenzierung zusätzlich MHC-II. Da über den MHC-II-Komplex das Immunsystem überprüft, ob eine Zelle körpereigen oder körperfremd ist, werden bei fehlender Übereinstimmung Immunreaktionen ausgelöst (12). Da jedoch von praktisch keinem Menschen vor der Geburt embryonale Stammzellen gewonnen wurden, würden nahezu alle Spender-Stammzellen eine sog. Host-vs.-Graft-Immunreaktion auslösen und die neu implantierten Stammzellen somit zerstören, sofern keine Immunsuppression erfolgt (vgl. (13)). In den entsprechenden Studien wurden die Stammzell-Empfänger dementsprechend stets immunsupprimiert, was jedoch gravierende systemische Nebenwirkungen mit sich bringt. Eine Lösung für dieses Problem könnten Spender-Datenbanken mit diversen MHC-Zelllinien darstellen, vergleichbar mit den aktuell bereits vorhandenen Datenbanken zur Stammzelltransplantation bei Leukämien. Dies wäre jedoch mit hohem Aufwand und Kosten verbunden. Problematisch für den Einsatz der embryonalen (und auch reprogrammierten) Stammzellen ist zudem die teilweise unvollständige oder fehlerhafte Ausdifferenzierung der Stammzellen: einerseits wurde das Risiko der Entstehung von Keimzelltumoren nach Transplantation von ESCs beschrieben (14); andererseits besteht bei unvollständiger Ausdifferenzierung die Gefahr, dass das ursprüngliche Stammzellgewebe die Funktionen des zu ersetzenden Gewebes nicht auf physiologische Weise übernimmt, wie z. B. in einer Studie bei Insertion von embryonalen Stammzellen in kardiales Gewebe, bei der nach Transplantation der Stammzellen eine irreguläre kardiale Erregungsweiterleitung festgestellt wurde (15). Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass für die erfolgreiche klinische Verwendung embryonaler Stammzellen weiterhin hohe Hürden bestehen. Die Tatsache, dass die reprogrammierten Stammzellen äquivalente Eigenschaften besitzen und keinerlei ethische Fragen aufwerfen, hat erheblich zum Bedeutungsverlust der embryonalen Stammzellen geführt und wird mutmaßlich auch in Zukunft die Verwendung von ESCs weiter limitieren.

Reprogrammierte Zellen (reprogrammed stem cells, RCs)

Die reprogrammierten (Stamm-) Zellen lassen sich in zwei Gruppen einteilen (Abbildung 1.1):

• Transformierte Zellen mit pluripotenten Eigenschaften aus ursprünglich somatischen, ausdifferenzierten Zellen, die vor etwa 15 Jahren entwickelt wurden (9, 10). Zellen, welche mittels dieses Verfahrens hergestellt wurden, sind meist unter dem Namen „induziert pluripotente Stammzellen“ (sogenannte induced pluripotent stem cells; iPSCs) bekannt.
• Wenige Jahre später wurde ein weiteres reprogrammierendes Verfahren entwickelt, mit dem sich fibroblastische Zellen direkt in Kardiomyozyten (16) oder Hepatozyten (17) umprogrammieren ließen. Zellen dieser zweiten Gruppe sind sogenannte direkt reprogrammierte Stammzellen.

In der Forschung und Entwicklung liegt jedoch der Schwerpunkt eindeutig auf der ersteren Gruppe, sodass die Begriffe „induziert pluripotente Stammzellen“ und „reprogrammierte (Stamm-)zellen“ häufig synonym verwendet werden. Die Entwicklung dieser Verfahren brach mit dem lange Zeit vorherrschenden Paradigma, dass die Differenzierung von Zellen ausschließlich unidirektional sei (19). Zudem wurden die embryonalen Stammzellen schlagartig als Forschungsschwerpunkt im Bereich der Stammzellforschung abgelöst, da bei dieser Methode Zellen mit ähnlichen Eigenschaften gänzlich ohne ethische Bedenken generiert und verwendet werden. Mittlerweile gibt es vier Verfahren, mit denen die zur Reprogrammierung benötigten Faktoren in die ausdifferenzierte Ursprungszelle eingebracht werden können: entweder über virale Transfektion (jeweils in die DNA integrierend / nicht integrierend), über selbstschneidende Vektoren (also sich selbst in die DNA integrierend), oder direkte organische Materialien, welche in der Zelle entsprechende Signalwege aktivieren (2). Durch diesen Prozess wird jedoch maßgeblich in die Molekularbiologie der Ursprungszelle eingegriffen, was bei der Verwendung embryonaler Stammzellen nicht geschieht. Akkumulierte Mutationen in der DNA der adulten somatischen Vorläuferzelle führen zu einer genetischen Heterogenität der späteren iPSCs, welche die Funktion dieser Zellen erheblich beeinträchtigen können (20). Zudem ist die Vergleichbarkeit verschiedener Zelllinien bei gleichem Herstellungsverfahren eingeschränkt, da erworbene genetische Unterschiede zwischen den Spenderzellen Auswirkungen auf die spätere Funktionalität haben (21). Jedoch nicht nur die DNA an sich, sondern auch die Epigenetik kann den Zustand der reprogrammierten Zellen beeinflussen. Ein erhaltenes epigenetisches Gedächtnis in den reprogrammierten Zellen führt zu einer größeren Heterogenität der reprogrammierten Zellen (22). Zudem nehmen die Zellen oftmals im Reprogrammierungsvorgang sich stark von physiologischen Zellstadien unterscheidende Formen an, bei denen es zu einer veränderten epigenetischen Dynamik kommen kann (23). Diese ungleichmäßige Transformation der Epigenetik während des Reprogrammierungsverfahrens ist problematisch für die Qualitätssicherung (24).

Die Ursprungszellen für die Gewinnung von reprogrammierten Zellen können direkt aus differenzierten menschlichen Zellen gewonnen werden. Dafür werden häufig Fibroblasten der Haut, peripheres Blut oder Nabelschnurblut verwendet. Der einfachen Verfügbarkeit von Fibroblasten oder peripherem Blut steht jedoch der Nachteil von vermehrten erworbenen genetischen Mutationen entgegen, welche sich negativ auf die späteren reprogrammierten Zellen auswirken können. Das schwieriger zu gewinnende Nabelschnurblut hat zwar den Vorteil von weniger erworbenen Mutationen, jedoch ist zum Zeitpunkt der Gewinnung der spätere Gesundheitszustand des Spenders noch unbekannt (18). Auch wenn iPSCs nicht nur in regenerativer Hinsicht, sondern auch zur Untersuchung von Pathomechanismen und zum Screening nach wirksameren und sichereren Medikamenten verwendet werden (insbesondere, wenn die Spenderzellen von PatientInnen mit monogenen Erkrankungen stammen) (25, 26), bestehen für den klinischen Einsatz weitere Hürden. Dazu gehören die im Abschnitt zu den embryonalen Stammzellen bereits erläuterten, aber direkt auf reprogrammierte Zellen  übertragbaren Einschränkungen wie die immunologischen Reaktionen, die unvollständige Differenzierung oder die Tumorentstehung. Hinsichtlich der Tumorentstehung bestehen im Vergleich zu den ESCs aufgrund des Reprogrammierungsvorgangs deutlich mehr Risiken. Zu den Risikofaktoren zählen z. B. das Verfahren der Reprogrammierung selbst, da die ins Erbgut integrierenden Methoden prinzipiell mit einem höheren Risiko einhergehen als die nicht-integrierenden Methoden, aber auch fehlerhafte Reprogrammierungsvorgänge, welche Schäden an Chromosomen auslösen können. Leider gibt es bislang keine Studien, welche die Tumorigenität von reprogrammierten Zellen mit der Tumorigenität von ESCs vergleicht (2, 27). Die Anzucht von Stammzellen unter zellkulturellen Bedingungen gestaltet sich außerdem als schwierig, wenn alle Bedenken hinsichtlich übertragbarer xenogener Krankheiten oder der Auslösung einer späteren Immunreaktion durch die eingesetzten Materialien ausgeräumt werden sollen (28). Eine spezifische Hürde lauert noch im Reprogrammierungsverfahren selber: die sehr kostspielige Erzeugung von induziert pluripotenten Stammzellen aus somatischen Zellen dauert mindestens drei Monate und hätte daher möglicherweise zur Folge, dass das optimale therapeutische Zeitfenster bereits geschlossen ist. Mittels größeren „Zellbanken“, welche über HLA-gematchte allogene iPSCs verfügen, könnte man dieses Problem umgehen, für den Preis von größerem Aufwand und immunologischen Restrisiken (18). Trotz der großen Hoffnungen zu Beginn der Forschung mit reprogrammierten Zellen konnten die Hürden für eine therapeutische Verwendung von reprogrammierten Zellen im großen Stil bislang nicht ausgeräumt werden. In Anbetracht der Tatsache, dass andere Stammzellformen einfacher in die klinische Anwendung integriert werden können, ist es nicht unwahrscheinlich, dass diese beeindruckende Technologie lediglich für die Grundlagenforschung relevant sein wird.

Kerntransfer-Stammzellen (nuclear transfer stem cells, NTSCs)

Die Stammzellen, welche mittels der sogenannten Kerntransfer-Technologie generiert werden, unterscheiden sich signifikant von den anderen Stammzellarten und werden daher in diesem Kontext nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Während sich pluripotente und differenzierte Stammzellen nur zu Zelllinien oder mehr oder weniger großen Teilen eines Gesamtorganismus ausdifferenzieren, wird die Kerntransfertechnik zur Erzeugung eines lebendigen, eigenständigen Organismus verwendet. Die Übertragung des Zellkerns inklusive des Genoms in einen zellkernlosen Oozyten führt zu einer genetischen Reprogrammierung des transferierten Genoms in ein embryonales Entwicklungsstadium. Danach kann die neu zusammengesetzte Zelle eine reguläre embryonale Entwicklung bis hin zum ausdifferenzierten Organismus durchlaufen (2). Diese Technologie kann folglich zu einer Klonung von Lebewesen verwendet werden, was zum ersten Mal erfolgreich im Jahr 1996 durchgeführt wurde (29). Über die Klonung des Schafs „Dolly“ wurde weltweit debattiert, und ethische Bedenken dieser Technologie schränken die entsprechende Forschung und Entwicklung deutlich ein. Ungeachtet dieses ethischen Aspekts wurden in einem weiteren Projekt über 20 Jahre nach dem Schaf „Dolly“ mittels der Kerntransfer-Technologie Makaken-Affen geklont (30). Somit kann mittlerweile davon ausgegangen werden, dass diese Technologie ebenfalls in der Lage wäre, eine Klonung von Menschen erfolgreich durchzuführen.

Sehr kleine embryonalähnliche Stammzellen (very small embryonic- like stem cells, VSELs)

Im Jahr 2006 konnten erstmalig Zellen beschrieben werden, welche in sehr geringer Anzahl im Knochenmark vorkommen und sowohl immunhistochemische als auch elektronenmikroskopische Merkmale pluripotenter Stammzellen sowie die Fähigkeit zur Differenzierung in alle drei Keimbahnlinien besitzen (31). Aufgrund ihrer Eigenschaften und Größe erhielten diese Zellen den Namen very small embryonic-like stem cells, also übersetzt sehr kleine embryonalähnliche Stammzellen. Da in den darauffolgenden Jahren ebendiese Stammzellen von mehreren Forschungsgruppen in eigenen Versuchen nicht aufgefunden werden konnten, war die Existenz dieser Zellart zeitweilig stark umstritten (32, 33). Es konnte allerdings gezeigt werden, dass der Grund für die fehlende Auffindbarkeit der VSELs technischer Natur in der Durchführung der Durchflusszytometrie war (34). Spätestens als weitere Forschungsgruppen ebendiese Stammzellen nachweisen konnten (35), galt die Existenz der sehr kleinen embryonalähnlichen Stammzellen als wissenschaftlicher Konsens. In Zukunft sind diese Zellen vermutlich vergleichbar mit adulten, gewebsspezifischen Stammzellen hinsichtlich der klinischen Verwendbarkeit (36). Jedoch ist aktuell weitgehend unklar, ob die VSELs sich vollständig differenzieren und ihre Nachkommen sich in geschädigtes Gewebe integrieren können (37). Ein Vorteil dieser Zellen gegenüber den reprogrammierten Zellen ist jedoch eine mutmaßlich deutlich geringere Gefahr der Teratombildung sowie fehlende ethische Bedenken im Vergleich zu embryonalen Stammzellen (2). Insgesamt besteht noch zu wenig Evidenz über die genauen Eigenschaften der VSELs. Zudem gestaltet sich die Gewinnung von VSELs als schwierig, da nur ein sehr geringer Anteil der gesamten Zellen zu dieser Gruppe gehörig ist und die Isolierung kompliziert ist (38).

Adulte Stammzellen (adult stem cells, ASCs)

Adulte Stammzellen befinden sich zwar in geringer Anzahl, jedoch mutmaßlich nahezu ubiquitär im reifen Organismus und treiben Regenerationsprozesse an. Große Teile der Wissenschaft sind der Auffassung, dass ASCs sich in die Zellarten einer spezifischen Zelllinie differenzieren und abhängig vom Grad der Differenzierung als multipotent oder unipotent angesehen werden können: multipotente hämatopoetische Stammzellen haben ein größeres Potential zur Differenzierung in diverse Zelllinien des Blutes, und Zelllinien des Ektoderms als epidermale Stammzellen können sich ausschließlich zu Haut-spezifischen Zellen differenzieren (39). Allerdings sind multipotente Stammzellen an sich wiederum eine heterogene Gruppe. Die möglichen Differenzierungsmuster mesenchymaler Stammzellen (mesenchymal stem cells; MSCs) zum Beispiel, welche sich nach gängiger Definition in Zellen der mesenchymalen Linie differenzieren können, hängen im Wesentlichen von deren Gewebeherkunft ab. MSCs aus Nabelschnurblut sind zum Beispiel in der Lage, sich zu mehr Gewebearten zu differenzieren als etwa MSCs aus Synovialflüssigkeit (40). Folglich ist die Vergleichbarkeit von mehreren multipotenten Stammzelllinien eingeschränkt, da der Begriff „mesenchymale Stammzellen“ lediglich eine heterogene Gruppe von Stammzellen definiert, jedoch nicht eine explizite Zelllinie mit nahezu identischen Eigenschaften.

Die Nutzung adulter Stammzellen ist in der Medizin keine Neuheit: seit mehreren Jahrzehnten werden bereits hämatopoetische Stammzellen zur Behandlung von Leukämie-PatientInnen mittels Stammzelltransplantation genutzt (41). Erst im Jahr 2015 wurde von der European Medicines Agency (EMA) mit Holoclar® die erste nicht-hämatopoetische Stammzelltherapie zugelassen, welche auf dem Prinzip der Transplantation kornealer Stammzellen zur Behandlung degenerativer Erkrankungen der Hornhaut des Auges beruht (42). In den letzten Jahren wurden viele weitere Indikationen für den Einsatz adulter Stammzellen – insbesondere mesenchymaler Stammzellen – in grundlagenwissenschaftlichen und klinischen Studien überprüft, darunter Knochen-, Knorpel- und muskuloskelettale Regeneration sowie die Reparatur von Nervengewebe, Herzmuskulatur und Leberparenchym (43). Wie für die anderen Arten von Stammzellen gilt auch für die optimale Verwendung adulter Stammzellen die Notwendigkeit einer Immunkompabilität des Empfängers. Während die autologe Transplantation hierfür kein Problem darstellt, gestaltet sich eine allogene Transplantation schwieriger. Entscheidend für die Verträglichkeit der Stammzellen bei allogener Transplantation ist die Übereinstimmung der HLA-Merkmale. Die dadurch bei fehlendem HLA-Matching hervorgerufene Immunreaktion wird zwar schon seit längerer Zeit im Falle von Leukämien zur Eradikation maligner Zellen genutzt (41); bei der Anwendung von regenerativen Stammzellprodukten ist dieser Mechanismus jedoch kontraproduktiv. Für die umfassende Verwendung adulter Stammzellen spricht, dass die Rate an schwerwiegenden Nebenwirkungen beim Einsatz von mesenchymalen Stammzellen sehr gering ist (44). Mögliche Komplikationen in Form von Gewebefibrosierung und sogar Tumorentstehung (43) wurden zwar beschrieben, sind jedoch offenbar sehr selten und sollten aufgrund der mangelnden Vergleichbarkeit der heterogenen Stammzellapplikationen in den Kontext der jeweiligen Therapiesituation gestellt werden. Wie bei den anderen Stammzellformen auch ist die Isolierung und die Kultivierung im Labor für die Anwendung adulter Stammzellen hinderlich, da durch diese Maßnahmen eine Kontamination der Stammzellen erfolgen oder der optimale Therapiezeitpunkt verpasst werden könnte.

Das Konzept der gefäß-assoziierten pluripotenten Stammzellen       (vascular-associated pluripotent stem cells, vaPS cells)

Die weit verbreitete Annahme, dass sich adulte Stammzellen ausschließlich in gewebespezifische Zelllinien differenzieren können, ist insbesondere seit der Entdeckung der VSELs umstritten, da die VSELs sich ebenfalls im reifen Organismus befinden. Unsere Arbeitsgruppe konnte aus Gefäßwänden von Menschen Zellen isolieren, welche die Fähigkeit zur Differenzierung in Zellen aller drei Keimschichtlinien besitzen (45). Bemerkenswert dabei ist, dass diese Zellen einerseits aus allen Blutgefäßen unabhängig von deren Gewebezugehörigkeit gewonnen werden können; andererseits konnte mittels verschiedener Experimente gezeigt werden, dass sich die Zellen unabhängig von der Gewebezugehörigkeit ihres ursprünglichen Blutgefäßes in Zellen der drei Keimschichten differenzieren können (45). Letztendlich ist es nicht geklärt, ob diese Zellen den VSELs entsprechen. Daher erhielten diese Stammzellen den Namen vascular-associated pluripotent stem cells (vaPS cells), also gefäß-assoziierte pluripotente Stammzellen. Denkbar ist auch, dass gefäß-assoziierte pluripotente Stammzellen längere Zeit fälschlicherweise für mesenchymale Stammzellen gehalten wurden und ihr vollständiges Differenzierungspotential nicht erkannt wurde. Interessant in diesem Zusammenhang ist zudem die wissenschaftliche Beschreibung der Fähigkeit zur pluripotenten Ausdifferenzierung von mikrovaskulären Perizyten (46), wobei hier viel eher die Fähigkeiten der vaPS fälschlicherweise aufgrund methodischer Mängel den Perizyten zugeschrieben wurden, die sich ebenfalls in unmittelbarer Nähe der Gefäßwände befinden. Experimente unserer Arbeitsgruppe konnten zeigen, dass die vaPS cells die Eigenschaft haben, mit anderen Zellen zu kommunizieren und sich in jegliches Zielgewebe zu integrieren. Im Falle einer Immundefizienz ist sogar eine xenogene Integration in vivo von humanen Stammzellen in Maus-Gewebe beschrieben worden (45).

Die Risiken der Verwendung von vaPS cells in der Klinik sind mutmaßlich vergleichbar mit den Risiken der Transplantation adulter Stammzellen bzw. der VSELs. Des Weiteren wurde beschrieben, dass die systemische Applikation von MSCs zu einem beschleunigten Tumorwachstum führen kann, da Malignome Zytokine und weitere Faktoren freisetzen, um zirkulierende Stammzellen an den Tumorort zu locken (47). Da jedoch bekannt ist, dass die vaPS explizit nicht isoliert werden müssen, entfallen die Risiken der Kultivierung der Stammzellen ((48); s. „ADRCs“), welche zumeist der weit verbreiteten Anwendung von Stammzellprodukten im Wege steht.

Aus Fettgewebe gewonnene regenerative Zellen (adipose-derived regenerative cells, ADRCs)

Das Prinzip der ADRCs ist ausführlich wissenschaftlich dokumentiert (48) und entspricht einer Liposuktion von Fettgewebe, welches in einem point-of-care-Verfahren aufbereitet wird. Die aufbereitete Zellsuspension enthält spezielle Stammzellen und weitere Zellarten, und wird unmittelbar nach Isolierung der Zellen aus dem Lipoaspirat direkt an den Ort des Gewebeschadens injiziert. In den zugehörigen Grundlagenarbeiten (zusammengefasst in (48)) wurden drei entscheidende Punkte bezogen auf die Gewinnung und Anwendung der ADRCs herausgearbeitet:

1. Die für den Therapieeffekt entscheidenden Stammzellen (aller Wahrscheinlichkeit nach die vaPS bzw. adulte/mesenchymale Stammzellen) könnten auch aus jedem anderen Gewebe gewonnen werden; jedoch eignet sich Fettgewebe aufgrund der einfachen Zugänglichkeit, der Verzichtbarkeit dieses Gewebes für die meisten PatientInnen und die hohe Dichte an Gefäßen hierfür am besten.
2. Zur Gewinnung von ADRCs wird das Liposuktionsmaterial von Adipozyten und Bindegewebsanteilen getrennt. Dies impliziert jedoch, dass neben Stammzellen auch andere Zelltypen in der resultierenden Zellsuspension vorhanden sind. Das spezifische Isolierungsverfahren hat einen signifikanten Einfluss auf die Anzahl und Lebensfähigkeit der gewonnenen Zellen und somit auf die Sicherheit und Wirksamkeit von ADRCs. Zu unterscheiden sind die aus Fettgewebe stammenden adipose-derived regenerative cells (ADRCs), bei denen nach der Liposuktion sowohl Adipozyten als auch Bindegewebe vollständig von den ADRCs abgetrennt werden, und sogenanntes „Nanofett“ und „Mikrofett“, bei denen der Gewebeverband des Fettgewebes nach Aufbereitung weitgehend erhalten bleibt bzw.  das Bindegewebe von den Adipozyten separiert wird. „Nanofett“ und „Mikrofett“ zeichnen sich im Vergleich zu ADRCs durch eine geringe Dichte und Anzahl von Zellen bzw. lebender Stammzellen aus (vgl. Abb. 1.2). Zur speziellen Isolierung von ADRCs wird zudem zwischen enzymatischen und nicht-enzymatischen Verfahren unterschieden. Enzymatische Aufbereitungsmethoden von Lipoaspirat verfügen normalerweise über eine deutlich höhere Zellausbeute als nicht-enzymatische Methoden. In der Literatur bestehen außerdem große Unsicherheiten über die Anzahl von nicht-lebenden Zellen in den nicht-enzymatisch generierten ADRC-Suspensionen. Folglich sind die enzymatischen Aufbereitungsmethoden zur Gewinnung der ADRCs den nicht-enzymatischen Aufbereitungsmethoden überlegen (49).

1. Die Stammzellen an sich, die sog. adipose-derived stem cells (ADSCs) (die die vaPS cells einschließen), können aus der ADRC-Suspension mittels Aufbereitung und Kultur gewonnen werden. Hierfür besteht allerdings aus mehreren Gründen keine Notwendigkeit. Unter anderen gehen bestimmte Zellen, welche offenbar förderlich für den Regenerationsvorgang sind, durch die Aufbereitung verloren. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die ADRCs den ADSCs nicht unterlegen, zum Teil sogar überlegen hinsichtlich ihrer Wirkung bei Herzmuskel-, Sehnen- oder Knochenregeneration sind (52-54). Der Vorteil einer fehlenden Kultivierung macht sich nicht nur in der zeitlichen Dimension aufgrund der Verfügbarkeit von ADRCs innerhalb von ca. 2 Stunden nach Liposuktion bemerkbar, sondern auch im fehlenden Risiko der Kontamination durch pathogene Erreger, Schadstoffe oder mechanischen und oxidativen Stress (55) während der Zeit der Kultur, während derer die Zellen besonders sensibel sind. In Kulturbedingungen zeigt sich ein verstärktes Wachstum der die Stammzellen begleitenden Zellen, wie z. B. Fibroblasten, während andere wichtige Vorläuferzellen verloren gehen.

An dieser Stelle sollte auch die Möglichkeit erwähnt werden, dass mesenchymale Stammzellen aus Zellmaterial des Knochenmarks gewonnen werden können: sogenannte bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) bzw. bone marrow aspirate concentrate (BMAC). Abgesehen von geringeren, vermutlich individuellen Unterschieden sind sich mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark und Fettgewebe hinsichtlich ihrer Morphologie, Oberflächeneigenschaften und ihrer Differenzierungskapazität weitgehend ähnlich (56). Da die mesenchymalen Stammzellen aus dem Knochenmark bereits seit vielen Jahren bekannt sind, werden in der regenerativen Medizin aktuell häufiger Methoden mit BM-MSCs erforscht und klinisch angewandt (57). Die Gewinnung von Stammzellen aus Fettgewebe hat jedoch mehrere Vorteile: Fettgewebe ist einfach und meistens in größerer Menge verfügbar, außerdem kann das Fettgewebe mit minimalinvasiven Verfahren unkompliziert gewonnen werden. Zellen des Knochenmarks müssen hingegen in einer meist schmerzhaften und invasiven Prozedur mittels Aspiration gewonnen werden (56). Obwohl die Knochenmarksaspiration ein sicheres und nebenwirkungsarmes Verfahren darstellt, bestehen doch Nachteile bezüglich des Schmerzes, Blutungsrisikos und der Morbidität der PatientInnen (56, 58). Der entscheidende Unterschied ist allerdings die Tatsache, dass der Anteil echter mesenchymaler Stammzellen am Knochenmarksaspirat sehr niedrig ist (<0.1 % aller aspirierten Zellen), während der Anteil von mesenchymalen Stammzellen in aspiriertem Fettgewebe um ein Vielfaches höher liegt (56, 59). Um im applizierbaren Stammzellprodukt also auf relevante Konzentrationen echter Stammzellen zu kommen, müssten die BM-MSCs zunächst isoliert und kultiviert werden. Dieser Prozess geht allerdings – wie weiter oben bereits ausführlich diskutiert – mit Zeitverlusten, Risiken der Kontamination sowie zellulärer Stressbelastung einher. Es wurden zwar Methoden etabliert, das Knochenmarksaspirat zum bone marrow aspirate concentrate (BMAC) zu konzentrieren, jedoch ist hierbei der Anteil mesenchymaler Stammzellen im Vergleich zu ADRCs mutmaßlich geringer und die bislang kommerziell erhältlichen Aufbereitungsmethoden sind schlecht verstanden und zu inhomogen: es bestehen starke Schwankungen in der Qualität des Aspirationskonzentrats sowie hinsichtlich des Stammzellen-Anteils (60).

In der klinischen Forschung zeigten erste Studien insbesondere bei der Therapie von partial-thickness rotator cuff tearseinen deutlichen Therapieerfolg bei Injektion von ADRCs im Vergleich zur Injektion von Kortikosteroid (der Standardtherapie von partial-thickness rotator cuff tears in den USA) (61, 62). In der Zukunft sind weitere Studien notwendig, um die genauen Therapiemechanismen und die klinischen Einsatzmöglichkeiten besser zu verstehen.

Literatur

Veröffentlicht 02.10.2024

Von biomechanischen Ungleichgewichten bis hin zu Heilungsprozessen des Gewebes – jeder Aspekt erfordert präzise Aufmerksamkeit, um eine umfassende Rehabilitation und Leistungssteigerung zu ermöglichen. Diese Herangehensweise verbessert nicht nur die Resultate, sondern unterstreicht auch die Bedeutung einer maßgeschneiderten, persönlichen Betreuung, die die individuellen Bedürfnisse unserer Patienten berücksichtigt.

Bedeutung der physikalischen Therapie

Neben operativer Therapieverfahren, medikamentöser und orthobiologischer Therapie, aktiver und passiver Übungstherapie bzw. Physiotherapie, nutritiver Therapie, Psychotherapie und Patientenedukation hat die physikalische Therapie einen besonderen Stellenwert in der umfassenden Behandlung muskuloskelettaler Beschwerden. Die Grundlage der physikalischen Therapie ist der Energietransfer am Körper, welcher in allen erdenklichen physikalischen Formen der Energie angewandt wird: Schallwellen (Stoßwellentherapie, Ultraschalltherapie), elektromagnetische Strahlung (Lasertherapie, Strahlentherapie), thermische Verfahren (Wärme-/Kältetherapie), elektrischer Strom (TENS/EMS, Nieder-/Mittel-/Hochfrequenz-Therapie, Hochvolt-Therapie) und Magnetfelder (oszillierendes/statisches Magnetfeld, Kernspinresonanz-Therapie). Bei vielen dieser Therapieverfahren ist häufig nicht klar, welche Mechanismen im Körper ausgelöst werden – teilweise ist nicht einmal klar ersichtlich, welche physikalischen Vorgänge an den Therapiegeräten selbst ausgelöst werden. Daher muss eine kritische Auseinandersetzung mit der vorhandenen Evidenz erfolgen: für die Extrakorporale Stoßwellentherapie (ESWT) existiert aktuell die beste Evidenzlage, bislang wurde nicht nur die klinische Wirkung bei zahlreichen Indikationen nachgewiesen, sondern auch unzählige biologische Wirkmechanismen definiert, z. B. die Reduktion von Schmerz und Entzündung über Substanz P in C-Nervenfasern, Reduktion des Muskeltonus durch Änderungen an der neuromuskulären Endplatte und Stimulation von Mirkozirkulation, Lymphabfluss und des zellulären Stoffwechsels. Für Ultraschalltherapie wurden zwar ebenfalls Effekte in der Literatur beschrieben, jedoch in deutlich geringerem Umfang als bei der ESWT. Die Strahlentherapie besitzt definitiv Wirksamkeit, sollte jedoch aufgrund der hohen Invasivität komplexen, therapierefraktären Fällen bei nicht-onkologischen Indikationen vorbehalten sein. Auch bei der Behandlung mit Laserstrahlen konnte für die Wellenlänge von 905 nm eine biologische Wirkung auf Nozizeptoren und den Prostaglandin-Stoffwechsel nachgewiesen werden, jedoch ist die Evidenzlage gerade aufgrund der vielen potenziellen Wellenlängen (zwischen 400 nm – 1200 nm) und weiteren physikalischen Parametern (Absorption, Energiedichte, Frequenz, etc.) sehr inhomogen. 

Die Applikation von Wärme und Kälte ist bereits weit verbreitet, insbesondere für Kältetherapie sind widersprüchliche Meinungen in der Literatur vorherrschend: einerseits ist zwar der analgetische und abschwellende Effekt beschrieben, jedoch wird gewarnt, dass Kälte auch die zelluläre Regeneration bremsen könnte und daher nur bedingt eingesetzt werden sollte. Die beiden auf den ersten Blick konträren Standpunkte können unter der Berücksichtigung der Verletzungsphasen in Einklang gebracht werden: in der initialen destruktiven Phase, in der das beschädigte Gewebe beseitigt wird und Schmerz und Schwellung im Vordergrund stehen, erscheint die Applikation von Kälte zur Symptomlinderung als sinnvoll. In der darauffolgenden Regenerationsphase, in der neues Gewebe aufgebaut werden soll und die zelluläre Proliferation im Vordergrund steht, scheint die stoffwechsel-bremsende Kälteapplikation tatsächlich hinderlich zu sein. Bei chronischen inflammatorischen Prozessen kann Cryo­therapie helfen, um den andauernden Entzündungskreislauf zu durchbrechen. Eine besondere Art der Kälteanwendung stellt die neuroreflektorische hyperbare CO2-Kältetherapie dar, bei der nicht nur eine lokale Kältereaktion vermittelt wird, sondern durch die rasche Abkühlung einer Extremität auch eine systemische Kältereaktion, die mutmaßlich die Wirkung verstärkt. Für die weiteren physikalischen Therapieverfahren, der Elektrotherapie und der Magnetfeldtherapie, existieren insgesamt kaum wissenschaftlich belastbare Daten. Es ist zwar zu betonen, dass fehlende Evidenz nicht mit fehlender Wirkung gleich­gesetzt werden darf, jedoch ist bei unzureichender Informationslage zu den biophy­sikalischen Wirkprinzipien eine Ein­schätzung zum möglichen Stellenwert der Therapieverfahren kaum möglich.

„Dreifaltigkeit der physikalischen Therapie“

Die drei Verfahren mit den vielversprechendsten Ansätzen, Stoßwellentherapie, Cryotherapie und Lasertherapie haben sich den Spitznamen der „Dreifaltigkeit der physikalischen Therapie“ verdient. Allerdings fehlt zum aktuellen Zeitpunkt jegliche Evidenz zur Überlegenheit der Kombination dieser Therapiemodalitäten im Vergleich zur alleinigen Anwendung einzelner Verfahren. Deshalb ist es die Aufgabe zukünftiger Forschungsprojekte, die Kombination mehrerer Verfahren mit den einzelnen Verfahren innerhalb einer Studie zu vergleichen, um neue Erkenntnisse über Kombinationstherapien zu erhalten.

Leon Jokinen, Tobias Wuerfel, Christoph Schmitz / Preprints 2023, 2023081523. https://doi.org/10.20944/
preprints202308.1523.v1

Wie genau unterscheiden sich eigentlich radiale und fokussierte Stoßwellen? Zu dieser Frage gibt es einen tiefgreifenden wissenschaftlichen Diskurs. Dieses Paper fügt sich in diese Debatte ein und beschreibt als Antwort auf eine andere Forschungsarbeit die aktuellen physikalischen Prinzipien von radialer und fokussierter Stoßwellentherapie.

Einige Wissenschaftler und Hersteller von Stoßwellengeräten unterscheiden streng zwischen der ursprünglichen fokussierten extrakorporalen Stoßwellentherapie (fESWT) und der neueren Form der radialen extrakorporalen Stoßwellentherapie (rESWT), welche häufig aufgrund ihrer offenbar anderen physikalischen Eigenschaften lediglich als „radiale Druckwellen-Therapie“ bezeichnet und vermarktet wird. Ihr Hauptargument lautet, bei radialen Stoß- bzw. Druckwellen sei die akustische Welle keine definitionsgemäße Stoßwelle, ballistischen Ursprungs und werde nicht fokussiert, wodurch kein gewebepenetrierender Effekt entsteht. 

Im Jahr 2001 definierte eine Arbeit (Odgen et al., 2001) extrakorporale Stoßwellen im streng physikalischen Sinn als „akustische Wellen mit einem hohen Druck von mehr als 1.000 bar (100 Megapascal, MPa), einer extrem kurzen Anstiegszeit (<10 Nanosekunden, ns), einer kurzen Dauer (<10 Millisekunden, ms) und einem breiten Frequenzspektrum (16 – 20 Megahertz, MHz)“. Dieser Definition entsprechen die vom fESWT-Gerät F10G4 (R. Wolf) mit der höchstmöglichen Einstellung generierten Stoßwellen, während auf niedrigeren Einstellungen die Grenzwerte der Definition nicht erreicht werden. Das Gerät Duolith SD1 (Storz Medical) beispielsweise erreicht selbst auf höchsten Geräteeinstellungen nicht diese Definition; der maximal erreichbare Spitzendruck beim Duolith SD1 beträgt 42.7 MPa und die Anstiegszeit bis zu 500 ns. Folglich erreichen etablierte fESWT-Geräte diese Definition von Stoßwellen selbst auf höchsten Geräteeinstellungen nicht. Zum Vergleich hat das radiale Stoßwellengerät DolorClast (EMS Electro Medical Systems) einen Spitzendruck von knapp 12 MPa und einer Anstiegszeit von 800 ns. Beim anderen Kritikpunkt der radialen ESWT, der ballistischen Generierungsmethode, wird bemängelt, dass am Applikator selbst keine echte Stoßwelle entsteht. Dies geschieht jedoch bei piezoelektrischen und elektromagnetischen Methoden zur Generierung fokussierter Stoßwellen (wie beim F10G4 oder Duolith SD1) bei niedrigen Geräteeinstellungen ebenfalls nicht. Die sich daraus ergebende Unterscheidung zwischen hochenergetischen fokussierten Stoßwellen und niederenergetischen fokussierten Druckwellen wurde bisher aus guten Gründen unterlassen. Die fehlende Fokussierung und folglich geringere Eindringtiefe der radialen Stoßwelle ist zwar korrekt, jedoch spielt dies eine untergeordnete Rolle, solange der größte Teil der mit ESWT zu behandelnden Indikationen nur knapp unter dem Hautniveau mit jeder Art der Stoßwellenzeugung problemlos zu erreichen ist.

Nach wie vor ist unklar, welche Phase der Stoßwelle für die biologischen Effekte verantwortlich ist und ob überhaupt Spitzendruck, Anstiegszeit oder Kavitation relevant sind. Entscheidend ist: bisher wurden keine Unterschiede in molekularen oder zellulären Wirkmechanismen zwischen fESWT und rESWT beschrieben. Da allerdings für die rESWT über die Zeit für eine zunehmende Anzahl an Indikationen die klinische Wirksamkeit wissenschaftlich bewiesen wird, ist nicht davon auszugehen, dass die physikalischen Unterschiede zwischen den beiden Formen der Stoßwellentherapie jeweils andere Mechanismen im behandelten Gewebe auslösen. Wenn sich die Gewebereaktion zwischen beiden Verfahren also nicht wesentlich unterscheidet, ergibt eine strenge Trennung beider Verfahren nur aufgrund kleiner physikalischer Differenzen keinen Sinn. Viel eher entsteht mit dieser Unterscheidung der Eindruck, lediglich die echten Stoßwellen würden den vollen therapeutischen Effekt hervorrufen – was nicht der Fall ist.

To date, the principles of action of ESWT are poorly understood and the success of therapy frequently lacks ade­quate pathophysiological explanation. Numerous studies on different mechanisms of action have now been published, but there is a deficiency of scientific consensus on the effects in the respective indications of ESWT. The aim of our research group was to develop a concept on the biophysical effects of ESWT on musculoskeletal tissue based on current scientific knowledge. 

Methods

We performed a Systematic Review in the literature databases “PubMed” as well as “Web of Science” with the keywords “shock wave OR shock waves OR shockwave OR shockwaves NOT urol* NOT stone NOT review NOT clinical trial” at the cutoff date of September 30, 2021 according to the PRISMA guidelines. By reading the titles and abstracts of the papers, relevant basic science studies on mechanisms of action of ESWT were identified. In the systematic review, 181 different trials were divided into three different groups and then analyzed. The groups referred to the effect of the diffe­rent target tissues of ESWT: “cartilage and bone” (100 included studies), “muscle / nerve tissue” (42 included studies) and “connective tissue” (39 included studies). 

Results

Analysis of the studies reviewed showed heterogeneity of studies with numerous changes at the cellular level due to shock wave therapy. Ultimately, 10 key messages could be formulated through our systematic analysis: (1) Compared to the effects of many other forms of the­rapy, the clinical benefit of extracorpo­real shock wave therapy does not appear to be based on a single mechanism. (2) Different tissues respond to the same mechanical stimulus in different ways. (3) Just because a mechanism of action of extracorporeal shock wave therapy was described in a study does not automatically mean that this mechanism was relevant to the observed clinical effect. (4) Focused and radial extracorporeal shock wave therapy seem to act in a similar way. (5) Extracorporeal shock wave therapy stimulates both progenitor and differentiated cells, and has posi­tive effects on pathologies of bone and cartilage. (6) Extracorporeal shock wave therapy apparently mimics the effect of capsaicin by reducing substance-P concentration. (7) Extracorporeal shock wave therapy apparently mimics effects of injection of Botulinum toxin A by destroying endplates in the neuromuscular junction. (8) Extracorporeal shock wave therapy apparently imitates certain mechanisms of action of neural therapy. (9) Extracorporeal shock wave therapy apparently imitates certain mechanisms of manual therapy treatments. (10) Even the most sophisticated research into the effects of exposure of musculoskeletal tissue to extracorporeal shock waves cannot substitute clinical research in order to determine the optimum intensity, treatment frequency and localization of extracorporeal shock wave therapy. 

Conclusions

Our result suggests that mainly the cumulative effect of multiple effects explain the ESWT clinical success. The various effects on the musculature show that it is not only the treatment of the structu­ral damage of the underlying musculoskeletal pathology that is successful. The therapeutic outcome can be presumably achieved by treating the muscular imbalances underlying the disorder and the pain aggravating myofascial trigger points. In order to establish the ideal treatment intensity, frequency and localization for the respective indication, further clinical studies will be necessary in the future. 

References

Wuerfel T, Schmitz C, Jokinen LLJ. The Effects of the Exposure of Musculoskeletal Tissue to Extracor­­-
po­real Shock Waves. Biomedicines. 2022; 10(5):1084. 

Tobias Wuerfel will give a lecture on this at the Isokinetic Conference 2023 in London.