Minced Cartilage Implantation

Die Inzidenz von chondralen und osteochondralen Defekten nimmt aufgrund eines erhöhten Aktivitätsprofil der Bevölkerung sowie moderner und sich stetig weiterentwickelnder Diagnostikverfahren mittels MRI zu. Knorpeldefekte im Knie werden bei Sportlern mit bis zu 36 % angegeben [13]. 

Unbehandelte Läsionen verursachen eine höhere mechanische Belastung auf den umliegenden intakten Knorpel [9, 16, 18], haben Einfluss auf den subchondralen Knochen [27] sowie auf das intraartikuläre Milieu mit Erhöhung der Zytokinkonzentration [14] und können somit zu einer verfrüht einsetzenden Arthrose führen. Dies stellt nicht nur eine funktionelle Einschränkung für den Patienten dar, sondern verursacht auch erhebliche Kosten im Gesundheitssystem. Daher sind geeignete Knorpelrekonstruktionstechniken mit dem gezielten Aufbau von hyaliner bzw. hyalinähnlicher Knorpelsubstanz erforderlich. Zur Behandlung fokaler Knorpelläsionen stehen bereits unterschiedliche chirurgische Verfahren zur Verfügung, darunter Techniken zur Knochenmarkstimulation (Mikrofrakturierung (MFX), autologe matrixinduzierte Chondrogenese (AMIC)), osteochondrale Auto- oder Allotransplantation (OATS) sowie die autologe Chondrozytenimplantation (ACI) [5, 11 – 13, 33]. Jede dieser Techniken hat Vor- und Nachteile, sodass die Behandlung von Knorpelläsionen nicht standardisiert ist und herausfordernd bleibt. 

Heutzutage gilt die ACI bei mittleren bis großen Knorpeldefekten als Therapie der Wahl, da dieses Verfahren zu hyaliner bzw. hylainähnlicher Knorpelsubstanz mit langfristig guten klinischen Ergebnissen führt [6, 7, 15, 17, 28]. Nachteile der ACI sind die hohen Kosten für die Zellexpansion im Labor, die teils eingeschränkte Verfügbarkeit und die Notwendigkeit eines zweizeitigen chirurgischen Eingriffes [5, 12, 32]. Um diese Nachteile zu überwinden, wurden einzeitige Verfahren wie die Implantation von fragmentiertem autologen oder allogenem Knorpel entwickelt (Minced Cartilage Implantation (MCI)). Das zugrunde liegende Prinzip wurde bereits in den frühen 1980er Jahren von Albrecht et al. beschrieben [1, 2] und von Lu et al. im Jahr 2006 erneut aufgegriffen [22]. In den vergangenen Jahren hat die MCI deutlich an Interesse gewonnen, vor allem aufgrund des einzeitigen, teils rein arthroskopischen Vorgehens sowie einem großen biologischen Potenzial zur Bildung von mechanisch stabiler Knorpelsubstanz [5, 32].

Biologie

Chondrozyten haben in ihrer in vivo Umgebung das Potenzial, sich physiologisch zu vermehren [3, 32]. Darüber hinaus stellen mechanische Reize eine wichtige Rolle bei der Förderung der Chondrozytenproliferation und chondrogenen Differenzierung dar [36, 37]. Dieses komplexe und in vitro kaum reproduzierbare biochemische und biomechanische intraartikuläre Milieu könnte ein großer Vorteil im Hinblick auf das biologische Potenzial des MCI Verfahren sein. Es hat sich gezeigt, dass das Zerkleinern von gesundem Knorpel die Chondrozyten “aktiviert” und zu einer physiologischen Reaktion mit chondrogener Proliferation sowie einer Produktion von extrazellulärer Matrix (ECM) führt [22-24, 32]. Die Fragmentierung kann mit einem Skalpell, speziell entwickelten Fragmentierungsgeräten oder arthroskopischen Shavern durchgeführt werden [19, 20, 32]. Die Knorpelentnahme erfolgt dabei aus dem Randbereich des Knorpeldefektes oder aus wenig belasteten Zonen des Gelenkes. Das Wachstum aktivierter Chondrozyten wird durch eine derartige Vergrösserung der Gewebeoberfläche gefördert [4, 5, 20, 22, 32]. Dies führt schließlich zur Wiederherstellung von hyalinem bzw. hyalinartigem Knorpel [22, 32, 35].

Chirurgische Technik

Die präoperative Planung einer Knorpelplastik umfasst obligatorisch eine MRT sowie konventionelle (Ganzbein-)Röntgenaufnahmen [31], um etwaige Begleitpathologien wie Bandinstabilitäten, Meniskusdefekte oder mechanische Achsfehlstellungen zu detektieren und zu behandeln. Die endgültige Planung der Knorpelplastik erfolgt erst nach detaillierter arthroskopischer Diagnostik des Defektes. Anschließend kann die Knorpelentnahme entweder über osteochondrale Zylinder aus wenig belasteten Zonen (z. B. interkondyläre Notch) oder mittels Ringküretten und Shaver erfolgen [31, 33]. Bei der Verwendung von osteochondralen Zylindern muss der Knorpel vom Knochen getrennt und dann mit einem Skalpell oder Shaver fragmentiert werden, bis eine pastenähnliche Konsistenz erreicht ist. Bei der arthroskopischen Knorpelgewinnung erfolgt dies ausschließlich mittels Shaver [33]. Nach der Defektpräparation und Schaffung von stabilen Knorpelgrenzen wird das Gelenk abgesaugt, die Defektzone getrocknet und der fragmentierte Knorpel in den Defekt eingebracht. Je nach Technik können autologes Thrombin und PRP, Fibrinkleber und/oder eine Membran für eine stabile Fixierung der Fragmente verwendet werden [25, 26, 31 – 33].   

Klinische Daten

Die klinische Evidenz zu der autologen MCI ist noch begrenzt [8, 10, 25]. Christensen et al. [8] behandelten 2015 acht Patienten mit Osteochondrosis dissecans im Kniegelenk mit einer Kombination aus autologem Knochentransplantat sowie in Fibrinkleber eingebetteten autologen Knorpelfragmenten (autologe Dual-Tissue-Transplantation (ADTT)). Ein Jahr postoperativ zeigte sich eine deutliche Verbesserung im MOCART-Score (Magnetic Resonance Observation of Cartilage Repair Tissue) von 22 auf 52 Punkte. Massen et al. [25] führten 2019 bei Patienten mit (osteo-)chondralen Läsionen eine konsekutive Zwei-Jahres-Untersuchung nach autologer MCI durch. Bei der abschließenden Nachuntersuchung wurde ein signi­fikanter Rückgang der Schmerzen beobachtet. Darüber hinaus wurde eine signifikante radiologische Verbesserung des MOCART-Scores festgestellt. Im Jahr 2020 haben Cugat et al. [10] 15 Patienten mit vollflächigen (osteo-)chondralen Läsionen mittels autologer MCI in plättchenarmes Plasma (PPP) und PRP eingebettet behandelt. Nach 15 Monaten zeigten sich ebenfalls statistisch signifikant bessere Werte in Bezug auf die visuelle Analogskala (VAS) für Schmerzen, den Lysholm-Score, den subjektiven IKDC, den Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index (WOMAC) für Schmerzen und Funktion, den Lequesne-­Index und den Short-Form 12 (SF-12). Während die oben genannten klinischen Studien am Kniegelenk durchgeführt worden sind, kommt die autologe MCI auch an anderen Gelenken (Hüfte, Schulter, Sprunggelenk) zum Einsatz [21, 29, 30, 34]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die bisherigen klinischen Daten gute Ergebnisse mit niedrigen Komplikations- und Revisionsraten zeigen, welche mit anderen Knorpelreparaturtechniken (ACI) vergleichbar sind. 

Fallbeispiel

37-jähriger sportlich aktiver Patient. Vorstellung in der Sprechstunde nach wiederholter Kniedistorsion links, erstmalige Distorsion im Jahr 2005. Seither intermittierende Beschwerden im linken Kniegelenk mit Schwellneigung. In der klinischen Untersuchung zeigt sich ein Gelenkserguss mit Druckdolenz über dem medialen Gelenkspalt sowie leichtem Krepitieren im medialen Kompartiment bei der Bewegungsprüfung, ROM Extension/Flexion 3-0-145° schmerzfrei. Bandstabiles Gelenk. 

Der Knee Injury and Osteoarthritis Out­come Score (KOOS) für Schmerzen lag präoperativ bei 50, für die kniebe­zogene Lebensqualität bei 25 sowie für die Aktivitäten des täglichen Lebens bei 44 Punkten (0 = extreme Knieprobleme; 100 = keine kniebezogenen Einschränkungen). Die Marx activity rating scale (MARS) lag initial bei 0 Punkten (0 = niedrigste physikalische und sportliche Aktivität; 16 = höchste physikalische und sportliche Aktivität). In der MRT zeigte sich ein Knorpelschaden Grad IV am medialen Femurkondylus (Abb. 1). Der präoperative AMADEUS Score der medialen Knorpelläsion lag bei 60 Punkten. Die Indikation zur Knorpelchipplastik wurde gestellt. 

Abb. 1 MRI Knie links präoperativ mit sichtbarem Knorpelschaden an der medialen Femurkondyle in der Koronarebene (a) und Sagitalebene (b).Die arthroskopische Operation mit Durchführung einer Knorpelchipplastik an der medialen Femurkondyle unter der Verwendung des Produktes Autocart (Arthrex) wurde durchgeführt. Intraoperativ wurde die Diagnose eines 3 cm² ICRS Grad 3B Knorpelschadens an der medialen Femurkondyle gestellt (Abb. 2).

Es zeigte sich ein kompli­kationsloser postoperativer Verlauf. Die Nachbehandlung erfolgte mit einer sechs-wöchigen Teilbelastung von 15 kg links. Beweglichkeitslimitierung bis 60° für die Wochen eins, zwei und drei ­sowie bis 90° für die Wochen vier, fünf und sechs. Initial wurde eine Mecron-Schiene angelegt, dann im Verlauf Wechsel auf eine Hartrahmenorthese. Durchführung von Physiotherapie über drei Monate postoperativ. In der Nachuntersuchung zwei Monate postoperativ zeigten sich noch leichte Restbeschwerden mit einer Beweglichkeit von Extension/Flexion 0-0-90° bei noch geschwächter Quadrizepsmuskulatur. Nach acht Monaten berichtete der Patient dann über ein zufriedenstellendes Operationsergebnis mit Verbesserung der Beweglichkeit bei klinisch reizlosem Kniegelenk. Ein Jahr postoperativ war der Patient weiterhin zufrieden und konnte bereits wieder mit leichteren sportlichen Aktivitäten starten (Fahrrad fahren). Nach zwei Jahren hat der Patient sein reguläres Alltagsniveau wieder erreicht, ein Aufbau der sport­lichen Aktivitäten im low-impact Bereich war möglich. Die klinischen Outcomeparameter zeigten eine Verbes­serung beim KOOS hinsichtlich der Schmerzen (von 50 auf 53 Punkte), hinsichtlich der kniebezogenen Lebensqualität (von 25 auf 38 Punkte) sowie hinsichtlich der Aktivitäten des täglichen Lebens (von 44 auf 71 Punkte). Der MARS konnte ebenfalls von präoperativ 0 Punkten auf 6 Punkte postoperativ gesteigert werden. Im MRT zeigte sich zwei Jahre postoperativ passend dazu ein zufriedenstellendes Ergebnis mit einem MOCART Score von 95 Punkten (Abb. 3).

Fazit und Ausblick

Auf der Grundlage der verfügbaren in vitro und in vivo Daten ist die autologe MCI ein vielversprechendes einzeitiges Knorpelreparaturverfahren mit großem biologischen und klinischen Potenzial. Weitere mittel- bis langfristige Vergleichsstudien in großen Patienten­kohorten mit klinischen, funktionellen und radiologischen Daten sind erforderlich, um die optimale Defektgröße für die MCI sowie die Haltbarkeit des Reparaturknorpels zu bestimmen und einen Vergleich mit anderen, etablierteren Knorpelreparaturverfahren zu ermöglichen.

Literatur

1. Albrecht F, Roessner A, Zimmermann E (1983) Closure of osteochondral lesions using chondral fragments and fibrin adhesive. Arch Orthop Trauma Surg (1978) 101:213-217
2. Albrecht FH (1983) [Closure of joint cartilage defects using cartilage fragments and fibrin glue]. Fortschr Med 101:1650-1652
3. Barry F, Murphy M (2013) Mesenchymal stem cells in joint disease and repair. Nat Rev Rheumatol 9:584-594
4. Bonasia DE, Marmotti A, Mattia S, Cosentino A, Spolaore S, Governale G, et al. (2015) The Degree of Chondral Fragmentation Affects Extracellular Matrix Production in Cartilage Autograft Implantation: An In Vitro Study. Arthroscopy 31:2335-2341
5. Bonasia DE, Marmotti A, Rosso F, Collo G, Rossi R (2015) Use of chondral fragments for one stage cartilage repair: A systematic review. World J Orthop 6:1006-1011
6. Brittberg M, Lindahl A, Nilsson A, Ohlsson C, Isaksson O, Peterson L (1994) Treatment of deep cartilage defects in the knee with autologous chondrocyte transplantation. N Engl J Med 331:889-895
7. Chimutengwende-Gordon M, Donaldson J, Bentley G (2020) Current solutions for the treatment of chronic articular cartilage defects in the knee. EFORT Open Rev 5:156-163
8. Christensen BB, Foldager CB, Jensen J, Lind M (2015) Autologous Dual-Tissue Transplantation for Osteochondral Repair: Early Clinical and Radiological Results. Cartilage 6:166-173
9. Coetzee JC, Giza E, Schon LC, Berlet GC, Neufeld S, Stone RM, et al. (2013) Treatment of osteochondral lesions of the talus with particulated juvenile cartilage. Foot Ankle Int 34:1205-1211
10. Cugat R, Alentorn-Geli E, Navarro J, Cusco X, Steinbacher G, Seijas R, et al. (2020) A novel autologous-made matrix using hyaline cartilage chips and platelet-rich growth factors for the treatment of full-thickness cartilage or osteochondral defects: Preliminary results. J Orthop Surg (Hong Kong) 28:2309499019887547
11. Dekker TJ, Aman ZS, DePhillipo NN, Dickens JF, Anz AW, LaPrade RF (2021) Chondral Lesions of the Knee: An Evidence-Based Approach. J Bone Joint Surg Am 103:629-645
12. Evenbratt H, Andreasson L, Bicknell V, Brittberg M, Mobini R, Simonsson S (2022) Insights into the present and future of cartilage regeneration and joint repair. Cell Regen 11:3
13. Flanigan DC, Harris JD, Trinh TQ, Siston RA, Brophy RH (2010) Prevalence of chondral defects in athletes’ knees: a systematic review. Med Sci Sports Exerc 42:1795-1801
14. Fraser A, Fearon U, Billinghurst RC, Ionescu M, Reece R, Barwick T, et al. (2003) Turnover of type II collagen and aggrecan in cartilage matrix at the onset of inflammatory arthritis in humans: relationship to mediators of systemic and local inflammation. Arthritis Rheum 48:3085-3095
15. Gikas PD, Bayliss L, Bentley G, Briggs TW (2009) An overview of autologous chondrocyte implantation. J Bone Joint Surg Br 91:997-1006
16. Gratz KR, Wong BL, Bae WC, Sah RL (2009) The effects of focal articular defects on cartilage contact mechanics. J Orthop Res 27:584-592
17. Grevenstein D, Mamilos A, Schmitt VH, Niedermair T, Wagner W, Kirkpatrick CJ, et al. (2021) Excellent histological results in terms of articular cartilage regeneration after spheroid-based autologous chondrocyte implantation (ACI). Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 29:417-421
18. Guettler JH, Demetropoulos CK, Yang KH, Jurist KA (2004) Osteochondral defects in the human knee: influence of defect size on cartilage rim stress and load redistribution to surrounding cartilage. Am J Sports Med 32:1451-1458
19. Hunziker EB, Quinn TM, Hauselmann HJ (2002) Quantitative structural organization of normal adult human articular cartilage. Osteoarthritis Cartilage 10:564-572
20. Levinson C, Cavalli E, Sindi DM, Kessel B, Zenobi-Wong M, Preiss S, et al. (2019) Chondrocytes From Device-Minced Articular Cartilage Show Potent Outgrowth Into Fibrin and Collagen Hydrogels. Orthop J Sports Med 7:2325967119867618
21. Lorenz CJ, Freislederer F, Salzmann GM, Scheibel M (2021) Minced Cartilage Procedure for One-Stage Arthroscopic Repair of Chondral Defects at the Glenohumeral Joint. Arthrosc Tech 10:e1677-e1684
22. Lu Y, Dhanaraj S, Wang Z, Bradley DM, Bowman SM, Cole BJ, et al. (2006) Minced cartilage without cell culture serves as an effective intraoperative cell source for cartilage repair. J Orthop Res 24:1261-1270
23. Marmotti A, Bruzzone M, Bonasia DE, Castoldi F, Rossi R, Piras L, et al. (2012) One-step osteochondral repair with cartilage fragments in a composite scaffold. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 20:2590-2601
24. Marmotti A, Bruzzone M, Bonasia DE, Castoldi F, Von Degerfeld MM, Bignardi C, et al. (2013) Autologous cartilage fragments in a composite scaffold for one stage osteochondral repair in a goat model. Eur Cell Mater 26:15-31; discussion 31-12
25. Massen FK, Inauen CR, Harder LP, Runer A, Preiss S, Salzmann GM (2019) One-Step Autologous Minced Cartilage Procedure for the Treatment of Knee Joint Chondral and Osteochondral Lesions: A Series of 27 Patients With 2-Year Follow-up. Orthop J Sports Med 7:2325967119853773
26. Matsushita R, Nakasa T, Ishikawa M, Tsuyuguchi Y, Matsubara N, Miyaki S, et al. (2019) Repair of an Osteochondral Defect With Minced Cartilage Embedded in Atelocollagen Gel: A Rabbit Model. Am J Sports Med 47:2216-2224
27. Minas T, Nehrer S (1997) Current concepts in the treatment of articular cartilage defects. Orthopedics 20:525-538
28. Riboh JC, Cvetanovich GL, Cole BJ, Yanke AB (2017) Comparative efficacy of cartilage repair procedures in the knee: a network meta-analysis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 25:3786-3799
29. Roth KE, Klos K, Simons P, Ossendorff R, Drees P, Maier GS, et al. (2021) [Cartilage chip transplantation for cartilage defects of the first metatarsophalangeal joint]. Oper Orthop Traumatol 33:480-486
30. Roth KE, Ossendorff R, Klos K, Simons P, Drees P, Salzmann GM (2021) Arthroscopic Minced Cartilage Implantation for Chondral Lesions at the Talus: A Technical Note. Arthrosc Tech 10:e1149-e1154
31. Salzmann GM, Calek AK, Preiss S (2017) Second-Generation Autologous Minced Cartilage Repair Technique. Arthrosc Tech 6:e127-e131
32. Salzmann GM, Ossendorff R, Gilat R, Cole BJ (2021) Autologous Minced Cartilage Implantation for Treatment of Chondral and Osteochondral Lesions in the Knee Joint: An Overview. Cartilage 13:1124S-1136S
33. Schneider S, Ossendorff R, Holz J, Salzmann GM (2021) Arthroscopic Minced Cartilage Implantation (MCI): A Technical Note. Arthrosc Tech 10:e97-e101
34. Schumann J, Salzmann G, Leunig M, Rudiger H (2021) Minced Cartilage Implantation for a Cystic Defect on the Femoral Head-Technical Note. Arthrosc Tech 10:e2331-e2336
35. Tseng TH, Jiang CC, Lan HH, Chen CN, Chiang H (2020) The five year outcome of a clinical feasibility study using a biphasic construct with minced autologous cartilage to repair osteochondral defects in the knee. Int Orthop 44:1745-1754
36. Tsuyuguchi Y, Nakasa T, Ishikawa M, Miyaki S, Matsushita R, Kanemitsu M, et al. (2021) The Benefit of Minced Cartilage Over Isolated Chondrocytes in Atelocollagen Gel on Chondrocyte Proliferation and Migration. Cartilage 12:93-101
37. Wang N, Grad S, Stoddart MJ, Niemeyer P, Reising K, Schmal H, et al. (2014) Particulate cartilage under bioreactor-induced compression and shear. Int Orthop 38:1105-1111

Autoren

Dr. med. Jakob Hax

ist Assistenzarzt Hüft- und Kniechirurgie an der Schulthess Klinik Zürich.
Seine Forschungstätigkeit liegt in der Hüft- und Kniechirurgie, Gelenkserhalt und Gelenksrekonstruktion. Sein Schwerpunkt in der Sportorthopädie/-traumatologie ist die Knorpelrekonstruktion.

Prof. Dr. med. Gian Salzmann

ist Facharzt für Orthopädie und Unfallchirurgie. Er hat seinen Lehrauftrag an der medizinischen Fakultät der Universität Freiburg im Breisgau. Sein Fachgebiet ist die Kniechirurgie. Er ist Partner am Gelenkzentrum Rhein-Main und Leitender Oberarzt Sektion Kniechirurgie an der Schulthess Klinik in Zürich. Professor Salzmann ist AGA Instruktor und beratender Arzt der Eintracht Frankfurt, Fußball.

PD Dr. med. Armin Runer

ist Assistenzarzt für Unfallchirurgie und Orthopädie an der Sektion Sportorthopädie, Klinikum Rechts der Isar, TU München. Außerdem betreut er die HC Innsbruck – Die Haie (Eishockey) sowie die Italienische Faustball Nationalmannschaft.