Zur Therapie von Knorpelläsionen stehen verschiedene operative Verfahren zur Verfügung. Deren Vergleichbarkeit ist äußerst problematisch, da in publizierten Untersuchungen unterschiedliche Knorpeldefekte mit verschiedenen Therapiekonzepten behandelt, und die Ergebnisse mit morphologisch und funktionell uneinheitlichen Bewertungskriterien analysiert wurden [24].

Es werden zum einen Verfahren eingesetzt, die durch die Eröffnung des subchondralen Knochens mit der Folge des Einwanderns pluripotenter Stammzellen die natürlichen Regenerationsmechanismen des Gelenks stimulieren. In der Folge bildet sich ein faserknorpeliges Ersatzgewebe [21, 33].

Zum anderen kann die Wiederherstellung der Knorpeloberfläche durch die Übertragung von Knorpelgewebe erfolgen. Hier kommt die Knorpelzelltransplantation, auch als „autologe chondrozyten transplantation (ACT)“ bzw. „autologous chondral implantation (ACI)“ bezeichnet, zur Anwendung [9]. Als weiteres Verfahren steht die Knorpel-Knochen-Transplantation (KKT), in der angloamerikanischen Literatur als „osteochondral autologous transplantation“ (OATS) benannt, zur Verfügung. Hierbei werden Knorpel-Knochen-Zylinder aus einer weniger belasteten Region des Gelenks in das Areal des Knorpelschadens transferiert [5, 15, 36]. Als besonderer Vorteil dieses Operationsprinzips ist zu erwähnen, dass hiermit sowohl der geschädigte Knorpel, als auch der darunter liegende, evtl. ebenfalls pathologisch veränderte Knochen durch die Übertragung eines vitalen Knorpel-Knochen-Dübels ersetzt wird. Somit kann die Methode unabhängig von der Defektursache und -tiefe angewendet werden.

Biologie des Transplantateinbaus

Das Operationsverfahren der KKT basiert auf der Beobachtung, dass der knöcherne Anteil eines transferierten osteochondralen Dübels im spongiösen Lager schnell und zuverlässig einheilt [23]. Zur Entnahme haben sich innengespülte diamantbeschichtete Hohlschleifen besonders bewährt, da es zu keiner Hitzeschädigung oder Mikrofrakturierung des Transplantats kommt. Auch Verletzungen des Transplantatlagers bleiben in der Regel aus. Im sog. Nassschleifverfahren lassen sich diese Zylinder sehr exakt mit hoher Primärstabilität pressfit implantieren. Tierexperimentell konnte neben einer hohen Präzision für die Pressfit-Verankerung eine frühzeitige Einheilung im spongiösen Knochen nachgewiesen werden (Abb. 1). Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Primärstabilität mit der Größe des Transplantats signifikant zunimmt [11, 12, 22].

Abb. 1
figure 1

Knöcherne Integration eines autologen KKT nach 4 Wochen im Tierversuch (Minipig)

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Auch in der humanmedizinischen Anwendung lassen sowohl magnetresonanztomographische Verlaufskontrollen als auch histologische Untersuchungen aus Stanzbiopsien im Rahmen von Kontrollarthroskopien eine knöcherne Integration des Transplantats erkennen [5, 15, 17, 23]. Während das übertragene Knorpelgewebe auch in Langzeituntersuchungen nach 5 Jahren als originärer hyaliner Knorpel nachweisbar ist, zeigt sich im Bereich der Grenze zwischen Transplantat und ortsständigem Gewebe (Interface) jedoch keine Integration. Hier persistiert makro- und mikroskopisch ein von Faserknorpel gefüllter Spalt [17, 23]. Auch der ursprüngliche Hebedefekt wird in der Folge vom Faserknorpel bedeckt [1, 15].

Bezüglich des idealen Entnahmeareals wird in der Regel das Transplantat aus dem medialen oder lateralen kranialen Anteil des Patellagleitlagers gewonnen (Abb. 2). Hierbei handelt es sich zwar um artikulierende Gelenkanteile, diese weisen jedoch eine relativ geringe Druckbelastung auf. Es muss dennoch darauf hingewiesen werden, dass während der physiologischen Kniegelenkbewegung auch diese Areale unter Kompression stehen [34]. Auch der dorsale inferiore Anteil des medialen und lateralen Femurkondylus kann als Spendeareal genutzt werden [1, 16].

Abb. 2
figure 2

Geeignete Areale zur Gewinnung des Transplantats im medialen und lateralen Gleitlager der Patella

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Die Tatsache, dass die Knorpelqualität je nach Lokalisation erhebliche Unterschiede aufweisen kann [29], scheint auf das Ausheilungsergebnis keine negativen Auswirkungen zu haben.

Diagnostik

Anamnestisch berichten die Patienten typischerweise über belastungsabhängige, relativ gut lokalisierbare Gelenkbeschwerden und teilweise über rezidivierende Schwellungszustände. Bei der klinischen Befunderhebung liegt das Hauptaugenmerk auf dem Ausschluss von Begleitpathologien. Hier ist neben der freien Beweglichkeit insbesondere darauf zu achten, dass z. B. am Kniegelenk kein Hinweis auf eine Meniskusläsion, eine Bandinstabilität oder Abweichungen der Beinachse vorliegen, die vor oder zeitgleich mit einer Knorpeltransplantation zu behandeln sind.

Zur präoperativen apparativen Diagnostik stehen die nativradiologische Darstellung des betroffenen Gelenks und die MRT zur Verfügung, ggf. ergänzt durch eine Einbeinstandganzaufnahme des Beins.

Die konventionelle Röntgenaufnahme zeigt bei osteochondralen Defekten eine Aufhellung der Knochenstruktur, teilweise mit umgebendem Sklerosesaum. Die MRT hat in der präoperativen Diagnostik durch die Möglichkeit einer gewebespezifischen Weichteildarstellung entscheidend an Bedeutung gewonnen. Die Untersuchung erfolgt in koronarer und sagittaler Schnittführung in den T1- und T2-gewichteten Spinechosequenzen. Eine zusätzliche T1-Gewichtung mit Kontrastmittel (Gadoliniumchelate) lässt neben der Beurteilung der Knorpelsituation auch Aussagen über Veränderungen des subchondralen Knochens zu, die sich der Röntgennativdiagnostik entziehen. Die Untersuchung dient darüber hinaus auch der Beurteilung der Entnahmestellen und des Femoropatellargelenks. Die definitive Einschätzung des Knorpelschadens sowie seines Schweregrades wird im Rahmen der arthroskopischen Befunderhebung gestellt.

Indikationen und Kontraindikationen

Als ideale Indikation zur KKT werden symptomatische umschriebene Knorpelschäden in der Belastungszone 3. und 4. Grades nach der Klassifikation der Osteochondrosis dissecans von Berndt u. Harty [4] bzw. der Klassifikationen der Knorpelläsionen nach Outerbridge [27] oder dem ICRS-Score angesehen (Tab. 1).

Tab. 1 Etablierte Klassifikationen von Knorpelschäden
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Als typische Lokalisation sind der mediale und laterale Femurkondylus, die Patellarückfläche sowie die mediale Talusschulter zu nennen [2, 5, 13, 15, 16, 17, 18, 20, 24, 25, 31].

Bezüglich der KKT in Lokalisationen außerhalb des Kniegelenks ist insbesondere der Transfer eines Zylinders aus dem Kniegelenk in das obere Sprunggelenk in der sog. Zweigelenktechnik zu erwähnen. Bei entsprechender Indikation hat sich dieses Vorgehen als geeignete Methode zur Therapie umschriebener osteochondraler Defekte am Talus mit gutem und sehr gutem klinischen Ergebnis bewährt. Die in der Regel erforderliche Osteotomie des medialen Malleolus und die Notwendigkeit, eine Arthrotomie eines 2. unversehrten Gelenks durchzuführen, müssen jedoch Anlass zu einer kritischen Indikationsstellung sein [15, 20, 25].

Über die KKT bei Knorpelschäden weiterer Gelenke (z. B. Schulter-, Ellenbogen- oder Hüftgelenk) bestehen bislang noch keine ausreichenden Erfahrungen bzw. wurden unbefriedigende Ergebnisse publiziert [18, 30, 31, 35].

Bezüglich der zu behandelnden Defektgröße ist das Verfahren für Knorpelschäden von 1–3 cm2 etabliert. Die Transplantation größerer Defekte ist aufgrund der steigenden Komorbidität an der Entnahmestelle sehr kritisch zu bewerten und stellt nach Ansicht der Autoren eher eine Indikation zur autologen Chondrozytentransplantation (ACT) dar. Bei ausgedehnten Veränderungen des subchondralen Knochens kann diese ggf. durch eine Spongiosaplastik ergänzt werden. Ebenso ist die Kombination beider Verfahren im Sinne eines Aufbaus des Defektrandes mittels Knorpel-Knochen-Zylindern mit Deckung des zentralen Defektanteils mittels ACT möglich [6, 8].

Bestehende Achsenabweichungen von >5° in der Frontalebene bzw. >15° in der Sagittalebene müssen zunächst operativ korrigiert werden. Erst bei Persistenz der Beschwerden über einen Zeitraum von weiteren 6 Monaten hinaus ist die Indikation zu Knorpel reparativen Maßnahmen gegeben.

Gelenkinstabilitäten (z. B. bei Insuffizienz des vorderen Kreuzbandes) sind vor bzw. im Rahmen einer KKT operativ zu sanieren. Ebenso sind bestehende Bewegungseinschränkungen zunächst durch eine adäquate Physiotherapie zu behandeln.

Neben einer bereits bestehenden generalisierten Arthrose stellen sog. „kissing lesions“, d. h. Knorpelschäden miteinander artikulierender Gelenkflächen, eine weitere Kontraindikation zur KKT dar. In der Anamnese des Patienten sind eine stattgehabte bakterielle Arthritis sowie das Vorliegen systemischer Gelenkerkrankungen auszuschließen.

Technik

Der operative Eingriff wird am Beispiel der KKT des Kniegelenks mittels des Nassschleifverfahrens „Diamont-Bone-Cutting-System“ (DBCS) bzw. „Surgical Diamond Instruments“ (SDI) beschrieben. Die Besonderheit bei dieser Technik besteht darin, dass beim Schleifen des Transplantats durch diamantbeschichtete Hohlschleifenpaare über eine Spülvorrichtung das Abriebmaterial entfernt und die Schlifffläche am Knochen gekühlt wird. Die spätere „Pressfit-Verankerung“ wird durch die Wahl eines im Innendurchmesser 0,15 mm größeren Diamantschleifers für das Transplantat erreicht (Abb. 3).

Abb. 3
figure 3

Schematische Darstellung des DBCS-Systems: a Mit dem Diamanten besetztes Zwillingshohlschleifenpaar werden die Knorpel-Knochen-Dübel präpariert. b Der jeweilige Dübel wird mit einem Extraktor durch eine ruckartige Drehbewegung an seiner Basis gelöst und aus seinem Lager gehoben

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Nach anteromedialer oder anterolateraler Arthrotomie erfolgt zunächst die Beurteilung der Knorpeldefektgröße. Nach der Entfernung des Knorpeldefekts durch Ausschleifen eines Knorpel-Knochen-Zylinders wird ein entsprechend 0,15 mm größer dimensionierter Knorpel-Knochen-Dübel mit intaktem hyalinem Knorpel z. B. aus dem Rand des Patellagleitlagers mit der Zwillingshohlschleife gewonnen. Zur Entnahme der Zylinder verwendet man einen mit 3 Nuten versehenen Extraktor, der durch eine ruckartige Drehbewegung das Knorpel-Knochen-Präparat an seiner Basis aus dem spongiösen Knochen abgeschert (Abb. 3). Dieses lässt sich danach mit einem Kunststoffstößel ohne Beschädigung der Knorpeloberfläche in toto aus diesem vorsichtig heraus schieben.

Bei der Wahl des Transplantats ist auf die vergleichbare Oberflächenkrümmung und -neigung zu achten, um eine möglichst kongruente Defektdeckung erreichen zu können. Dies ist für die Belastungszone der Femurkondylen am ehesten durch Transplantate aus der anteromedialen oder der anterolateralen Trochlea gewährleistet [3, 16].

Die Länge des gewonnen Knorpel-Knochen-Dübels wird nun an die des Resektats angepasst, um eine vollständige Versenkbarkeit in den Defekt zu gewährleisten. Falls das Transplantat einen kürzeren Spongiosaanteil aufweist als das Resektat, muss der Defekt durch vitale autologe Spongiosa (aus dem Resektat gewonnen) teilweise gefüllt werden, um ein späteres Einsinken des Transplantats zu vermeiden. Es folgt durch Einschieben und behutsames Stößeln die „Pressfit-Transplantation“ des Zylinders in den vorbereiteten Defekt ohne weitere Fixation (Abb. 4). Insbesondere beim Eintritt der Knorpelschicht in den Defekt ist darauf zu achten, dass diese sich nicht vom subchondralen Knochen ablöst.

Abb. 4
figure 4

Einbringen des Transplantats in den ehemaligen Defekt: a Der Knorpel-Knochen-Dübel wird mittels Kunststoffstößels vorsichtig eingeschoben. b Deckung eines länglichen Defekts durch einen 2. Dübel, der überlappend implantiert wird

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Bei größeren Defekten werden 2 oder auch mehrere Zylinder in sich geringgradig überlappender Anordnung nebeneinander eingebracht (Abb. 4, Abb. 5). Hierbei ist die exakte Entnahme und Implantation besonders wichtig, um eine Stufenbildung im Bereich der Knorpelübergänge zu vermeiden.

Abb. 5
figure 5

Vollständige Deckung eines ca. 3 cm2 großen Defektes durch überlappende KKT mit 3 Dübeln (12, 10 und 6 mm Durchmesser)

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Die Hebedefekte können mit der Spongiosa des aus dem Defekt gewonnen Zylinders oder mit Knochenersatzmaterial gefüllt werden (Abb. 6)

Abb. 6
figure 6

In den knöchernen Anteil des Hebedefekts wird die Spongiosa des Resektats eingebracht und stabil verklemmt

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Der schichtweise Gelenk- und Wundverschluss beendet den Eingriff. Eine postoperative Ruhigstellung ist nicht erforderlich. Die Mobilisierung erfolgt unter schmerzadaptiertem Belastungsaufbau. Nach der Transplantation eines einzelnen Zylinders ist prinzipiell eine Vollbelastung möglich. Aufgrund der durchgeführten Arthrotomie hat sich jedoch eine Abrollbelastung bis zum Abklingen der postoperativen Schwellungsphase bewährt. Im Anschluss an eine KKT mehrerer Zylinder sollte eine 20-kg-Abrollbelastung für 6 Wochen durchgeführt werden. Die Wiederaufnahme sportlicher Tätigkeiten wie Fahrradfahren oder Schwimmen ist bereits nach 6 Wochen gewünscht, die Steigerung der sportlichen Aktivität kann nach 3 Monaten erfolgen.

Diskussion

Während sowohl die ACT als auch die KKT gute und sehr gute Langzeitergebnisse aufweisen, belegen tierexperimentelle und klinische Studien bislang nur für das Verfahren der KKT, dass originärer hyaliner Knorpel im ursprünglichen Defekt dauerhaft wiederhergestellt werden kann.

Durch die ACT entsteht ein Reparaturgewebe, das aufgrund seiner histologischen und immunhistochemischen Eigenschaften als hyalinartiger Knorpel bezeichnet wird. Als wichtigstes Kriterium des „hyaline-like cartilage“ ist der immunhistochemische Nachweis von Kollagen II zu nennen. Darüber hinaus sollte der Proteoglykangehalt vergleichbar mit dem des hyalinen Knorpels sein. Die weiteren Eigenschaften des hyalinen Knorpels wie der typische mehrschichtige Aufbau, die charaktierstischen Zellformationen und die sog. Maskierung der Kollagenfasern in der histologischen Anfärbung weist dieses Regeneratgewebe in der Regel nicht auf.

Das beschriebene Nassschleifverfahren mittels Diamant besetzter Hohlschleifen zeichnet sich durch seine hohe Präzision in Verbindung mit einem minimalen Substanzverlust aus, was sich insbesondere bei der Defektdeckung mit mehreren überlappenden Zylindern durch eine hohe Primärstabilität und eine schnelle ossäre Integration der eingebrachten Transplantate widerspiegelt [11, 17, 23]. Im sog. Interface zwischen ortsständigem und transplantiertem Knorpel verbleibt nach aktuellem Kenntnisstand jedoch dauerhaft ein mit Faserknorpel gefüllter Spalt [17, 23].

Obwohl die Wiederherstellung der Kongruenz durch das Einbringen mehrer kleiner Zylinder (Mosaikplastik) operationstechnisch gegebenenfalls besser möglich ist, wirkt sich die beschriebene Faserknorpelbildung zwischen den Transplantaten nachteilig auf die Stabilität der Knorpeloberfläche aus. Ebenso ist die knöcherne Primärstabilität signifikant geringer, je kleiner das Transplantat ist [12, 15, 20].

Unterschiedliche klinische Nachuntersuchungen nach 5–7 Jahren nach KKT belegen übereinstimmend einen hohen Prozentsatz von 80–90% guter und sehr guter klinischer Ergebnisse mit Erreichen eines überwiegend hohen sportlichen Aktivitätsniveaus [5, 14, 15, 17, 22]. Auch Biopsien aus dem Transplantationsgebiet zeigten nach diesem Zeitraum makroskopisch und histologisch hyalinen Knorpel [17]. Hierzu korrespondierend konnte auch tierexperimentell ein dauerhafter Erhalt des hyalinen Gelenkknorpels nach 6 Jahren nachgewiesen werden. Die histologische Aufarbeitung der Präparate zeigte einen Anteil von bis zu 80% hyalinen Knorpels [15].

Bezüglich der Spendermorbidität im Patellagleitlager werden insbesondere nach der Entnahme mehrerer Zylinder vorübergehende und auch persistierende Belastungsschmerzen beschrieben. Daher ist das Heben von >3 Zylindern aus diesem Bereich nicht zu empfehlen [16, 18]. Alternativ besteht die Möglichkeit der Gewinnung zusätzlicher Knochen-Knorpel-Zylinder aus dem Bereich der dorsalen Femurkondylen. Diese können in beschriebener Weise über einen gesonderten Zugang in Bauchlage [16] oder als sog. Mega-OATS durch Transfer der posterioren Femurkondyle entnommen werden [2, 18]. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die zwangsläufig entstehenden Entnahmedefekte in diesen dorsalen Kniegelenkanteilen sicherlich auch eine Auswirkung auf die Kinematik des Roll-Gleit-Prinzips und damit auf das funktionelle System des Gelenks haben.

Bei Knorpeldefekten, welche die Größe von 2 Zylindern zu maximal 12 mm und eines weiteren kleinen Zylinders überschreiten, sollte jedoch nach Auffassung der Autoren eine ACT, bei Bedarf in Verbindung mit einer Spongiosaunterfütterung des Defekts durchgeführt werden. Die Gewinnung eines Transplantats aus dem kontralateralen Knie sollte einer sehr kritischen Indikationsstellung unterzogen werden, da hierdurch ein gesundes Gelenk in Mitleidenschaft gezogen wird.

Zur Hebedefektfüllung werden sowohl das unveränderte Belassen, die Füllung mit vitaler Spongiosa aus der Empfängerstelle, das Einbringen von Knochenersatzmaterial oder die Transplantation von Periost gedecktem Beckenkammknochen beschrieben [5, 16].

Eine vergleichende Studie über die Komorbidität im Bereich der Hebedefekte in Bezug auf unterschiedliche Verfahren der Defektfüllung ist nicht bekannt. Wir selbst füllen den Entnahmedefekt wenn möglich mit vitaler autologer Spongiosa aus der Empfängerstelle auf, sofern diese stabil im Defekt verklemmt werden kann. Ist dies nicht möglich bzw. handelt es sich nicht um ausreichend vitalen Knochen, so verwenden wir bei einem Defekt von >10 mm Durchmesser einen Zylinder aus Knochenersatzmaterial (Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphat, TCP). Kleinere Defekte bleiben dagegen unbehandelt. Die Entnahme eines weiteren Knochendübels zur Hebedefektfüllung aus dem Beckenkamm führen wir wegen des zusätzlichen Operationstraumas und -risikos (weiterer knöcherner Defekt, Nachblutungs- und Entzündungsrisiko, prolongierte postoperative Beschwerden) nicht durch, da ein Vorteil für den Patienten hierdurch bislang nicht erwiesen ist.

Zur Vermeidung der Entnahmemorbidität besteht darüber hinaus die Möglichkeit der Verwendung von Allografts [9, 20]. Als ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist neben der unbeschränkten Verfügbarkeit die Möglichkeit der Implantatwahl aus der analogen Region zum Knorpeldefekt zu nennen. Hierdurch kann ein Zylinder mit vergleichbarer Knorpelhöhe und Oberflächenkrümmung verwendet werden.

Neben der Problematik der potentiellen Gefahr der Übertragung viraler Erkrankungen scheint der Knorpel des Allograftzylinders dauerhaft mit einer relevanten Verminderung der Vitalität der Chondrozyten behaftet zu sein. So berichten Czitrom et al. 1990 [10] von einer Rate von lediglich 37% vitaler Zellen nach einer Zeit von 6 Jahren nach Implantation. Dagegen zeigen publizierte klinische Verläufe jedoch zu ca. 95% gute und sehr gute Ergebnisse nach 5 Jahren und noch immerhin zu ca. 70% nach 10 Jahren [13, 32].

Ansätze der Behandlung isolierter Knorpelschäden durch einen künstlichen Knorpelersatz aus Polyvinylalkohol wurden zwischenzeitlich wieder verlassen. Nach optimistischen Kurzzeitergebnissen zeigten sich durch das Auftreten von sekundären Dislokationen Hinweise auf eine nicht zufrieden stellende dauerhafte Stabilität des Implantats (Abb. 7) [26].

Abb. 7
figure 7

Arthroskopische Entfernung eines instabilen Polyvinylalkoholimplantats: Der Defekt wurde sekundär mittels KKT behandelt (s. Abb. 4 b): a Die präoperative MRT zeigt das dislozierte Implantat. b Bei der arthroskopischen Befunderhebung bestätigt sich die völlige Instabilität. Eine Refixation ist bei deutlich erweitertem Implantatlager nicht möglich. c Arthroskopische Entfernung des Kunstknorpels. d Verbliebender Knorpel-Knochen-Defekt

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Derzeit beschäftigen sich mehrere Arbeitsgruppen innerhalb der Knorpelforschung mit der Entwicklung von Implantaten, die im Sinne eines Knorpel-Knochen-Implantats autologe Knorpeltransplantate mit einem Dübel aus Knochenersatzmaterial kombinieren. Hierdurch könnten die Probleme der begrenzten Verfügbarkeit, der Spendemorbidität und auch der passenden Oberflächenkongruenz gelöst werden [28].

Fazit für die Praxis

Die KKT stellt, insbesondere bei Verwendung des Diamanten besetzten Hohlschleifensystems eine sehr bewährte Methode dar, um Knorpel- und gegebenenfalls auch Knochendefekte in der Belastungszone der Knie-, Sprung-, Ellenbogen- oder auch Schultergelenks zu therapieren. Bei korrekter Indikationsstellung, unter konsequenter Beachtung der Kontraindikationen sowie Anwendung einer sorgfältigen Operationstechnik sind sehr gute Langzeitergebnisse mit dauerhafter Wiederherstellung der hyalinen Knorpeloberfläche zu erwarten.