Die Fusion der lumbalen Wirbelsäule wird heutzutage routinemäßig auf hohem Niveau durchgeführt. Hierfür war die Entwicklung modernster Implantate und standardisierter Implantationstechniken unabdingbar. Vor allem Fusionen der Lendenwirbelsäule (LWS) in PLIF- (posteriore lumbale interkorporelle Fusion) und TLIF-Technik (transforaminale lumbale interkorporelle Fusion) haben sich im Laufe der vergangenen Jahre zu einem erfolgreichen Verfahren mit hohen Fusionsraten und guter Patientenzufriedenheit etabliert.

Dieser Artikel befasst sich v. a. mit der Entwicklung dieser beiden Verfahren aus historischer Sicht und soll chronologisch den Weg der Etablierung und dessen Beweggründe hierfür darstellen.

Entwicklung der dorsalen und Idee der intersomatischen Fusion

Mit der Spondylodese steht ein Operationsverfahren zur Verfügung, mit dem das symptomatische, pathologisch veränderte Bewegungssegment versteift wird. Die Theorie der Spondylodese gründet sich auf den guten Ergebnissen des natürlichen Heilverlaufs nach Verletzungen der Bandscheiben und Wirbelkörper, der operativen Behandlung der tuberkulösen Spondylitis und der Skoliose [1, 32]. Alle diese Erkrankungen versuchen über eine Spontanversteifung (osteophytäre Abstützung) eine Ausheilung des pathologischen Prozesses zu erreichen.

R. Hibbs [32] und F. Albee [1] berichteten – unabhängig voneinander – im Jahre 1911 über die dorsale Wirbelfusion. Albee nutzte autologe Tibiaspäne als Fusionsmasse zur Anlagerung auf die gespaltenen Dornfortsätze der betroffenen Wirbelkörper. Die von Hibbs beschriebene Dekortizierung der Wirbelbögen als Fusionsbett wurde in den Folgejahren u. a. von McKenzie-Forbes [40] durch Anlagerung kortikaler Knochenspäne auf dekortizierte Laminae und 1933 von Ghormley [24] durch Anlage eines autologen Knochentransplantats aus dem Beckenkamm modifiziert.

Die Spondylodese bei degenerativen Veränderungen der Bandscheiben steht in engem Zusammenhang mit der Einführung der Nukleotomie durch Mixter u. Barr im Jahre 1934 [41]. Trotz der guten kurzfristigen Ergebnisse der Bandscheibenoperationen klagten viele Patienten auch nach dem Eingriff über Rückenschmerzen. Als eine der Ursachen wurden degenerative Veränderungen der benachbarten Wirbelkörper und eine durch die Bandscheibenentfernung ausgelöste Instabilität angesehen.

Als Alternative zur lateralen sowie posteromedialen Anlagerung von Knochen und zur Stabilitätsverbesserung etablierte Bosworth 1942 [6] die Interposition von einem H-Span zwischen den Dornfortsätzen, der in Distraktion eingebracht wurde und sich dann in Normalstellung verklemmte.

Durch Entwicklungen zur Verbesserung der Stabilität mittels interner Fixierung durch Drahtverbindungen (Hadra [26]), interartikuläre Facettengelenkschrauben (King [37]), Haken-Stab- (Harrington [30, 31]), Schrauben-Platten- (Roy-Camille [47]) bzw. später Schrauben-Stab-Systeme (Magerl [39]; Dick [19]) wurde die Idee der intervertebralen Fusion zusätzlich vorangetrieben.

Die Spondylodese hat sich als bewährtes Verfahren bei Instabilitäten der Wirbelsäule durchgesetzt

Im Laufe von zahlreichen Jahrzehnten hat sich die Spondylodese als bewährtes Verfahren bei Instabilitäten der Wirbelsäule durchgesetzt. Voraussetzung für diese Entwicklung waren Fortschritte der Operationstechnik, die Weiterentwicklung der Implantate und eine Standardisierung der Eingriffe.

Im Rahmen dieser Entwicklungsstufen wurde auch die intersomatische Spondylodese von anterior und posterior verfolgt. Hieraus ging schlussendlich die posteriore lumbale intersomatische (PLIF) und die transforaminale lumbale intersomatische (TLIF) Fusion hervor.

Posterolaterale Fusion

Vor der Entwicklung der interkorporellen Fusionsverfahren wurde die posterolaterale Fusion am häufigsten angewandt. Campbell führte 1939 [14] die klassische posterolaterale (intertransversale) Fusion durch. Er überbrückte die Querfortsätze mit autologen Beckenkammspänen über einen Mittellinienzugang und erreichte damit Fusionen von LWK4 bis zum Sakrum.

Das Prinzip der posterolateralen Fusion bestand aus einer defektüberbrückenden Knochenspan- bzw. Spongiosaanlagerung an die dorsalen und lateralen Strukturen der Lendenwirbel, nachdem zunächst Laminae, Gelenk- und Querfortsätze dekortiziert wurden, um ein gut angefrischtes „Spanbett“ mit Mikroblutungen zu erhalten. Anschließend wurden Spongiosaspäne, z. B. aus dem Bereich des Beckens angelagert ([51, 53], Abb. 1a–c).

Abb. 1
figure 1

a Zugang zur LWS zur Vorbereitung einer intertransversalen Fusion. Die entsprechenden Processi transversi und Facettengelenke der zu fusionierenden Segmente müssen sorgfältig dargestellt werden. b Die Processi transversi und die laterale Begrenzung der Facettengelenke müssen dekortiziert werden. c Entnahme von Beckenkammknochen, der in das angefrischte Knochenbett auf die Processus transversi eingebracht wird. (Mit freundl. Genehmigung von Elsevier, aus [23])

Full size image

1953 erfolgte die Erstbeschreibung des lateralen intermuskulären Zugangs zu den Querfortsätzen mit Anlagerung trikortikaler Beckenkammspäne durch Watkins, welcher später durch Wiltse (1968, [57]) zum posterolateralen intermuskulären Zugang modifiziert („sacrospinalis splitting approach“) wurde und heute als Grundlage dient für muskelschonende paramediane dorsale Fusion- und Instrumentationstechniken [54]. Die Pseudarthroserate dieser Technik lag zwischen 7 und 36 % [55].

Entwicklung der PLIF-Technik

Die Entwicklung der „posterior lumbar interbody fusion“ (PLIF) war ein bedeutender Fortschritt in der Wirbelsäulenchirurgie und v. a. in der Behandlung von degenerativen Wirbelsäulenerkrankungen. Das Verständnis, dass die primär lasttragende Achse der Wirbelsäule im Bereich der Wirbelkörper und nicht der dorsalen Elemente liegt und das Erreichen höherer Fusionsraten waren entscheidende Beweggründe hin zum Schritt der interkorporellen Fusion. Zudem machten Fehlschläge nach Nukleotomien oder auch die fehlende Knochenanlagerungsmöglichkeit nach Laminektomien eine weitere Verbesserung der bisherigen Verfahren notwendig.

Die Entwicklung der PLIF war ein bedeutender Fortschritt in der Wirbelsäulenchirurgie

Das PLIF-Verfahren wurde erstmals 1944 von Briggs und Milligan [11] beschrieben und hauptsächlich im Bereich des lumbosakralen Übergangs durchgeführt. Sie versuchten primär autologe Knochenchips in den intervertebralen Raum einzubringen, nachdem das Bandscheibenmaterial entfernt wurde und stellten hier aber mangelnden Erfolg bezüglich interkorporeller Fusionen fest. Offensichtlich führten sie diese Misserfolge auf mangelnde Primärstabilität zurück und modifizierten ihre Technik dahingehend, dass sie ein entsprechendes Knocheninterponat aus dem Processus spinosus anfertigten und dann intervertebral zwischen die zu fusionierenden Wirbelkörper einbrachten. Kombiniert wurde dieses Vorgehen zusätzlich mit einer dorsalen Anlage von Knochenchips der Länge nach von der L5- bis zur S1-Lamina und querverlaufend die beiden Facettengelenke einschließend. Zuvor wurden die Nervenwurzeln mit Muskel- oder Fettgewebepatches bedeckt, wobei die Kollegen keine Probleme darin sahen, kleine Knochenchips direkt auf die Dura zu positionieren. Zur Verbesserung der Stabilität konnte optional noch ein Knochenblock zwischen einen LWK5 Processus articularis inferior und das Sakrum eingebracht werden. Postoperativ wurde den Patienten nach Immobilisation von 10–14 Tagen ein Korsett angepasst, mit dem sie frei mobilisiert werden konnten. Die meisten Patienten konnten das Krankenhaus nach ca. 3 Wochen verlassen (Abb 2).

Abb. 2
figure 2

a Laminotomie mit Resektion des Processus articularis inferior beidseits, Darstellung des Spinalkanals mit abgehender S1-Wurzel links und eines Nucleus-pulposus-Prolaps. b Auflage von kleinen Knochenchips nachdem die Nervenwurzel mit Fett bedeckt wurde. Rechtsseitig wurde zur Verbesserung der Stabilität ein Processus-spinosus-Knochenblock impaktiert [11]. (Mit freundl. Genehmigung von JBJS)

Full size image

1946 publizierte Jaslow [35] die modifizierte Technik nach Hibbs (Knochenanlagerung nach Dekortizieren von Lamina und Processus spinosi), bei der wie bereits zuvor erwähnt ein Stück des Dornfortsatzes nach Entfernen der Bandscheibe zwischen die Wirbelkörper eingebracht wurde. Dieser Knochenblock aus dem Dornfortsatz des darüber liegenden Wirbelkörpers war üblicherweise 2 cm lang und wurde mit diskret überdimensionierter Passform in das Bandscheibenfach eingebracht. In manchen Fällen konnten bis zu vier Dornfortsatzknochenblöcke in das zu versorgende Bandscheibenfach positioniert werden.

Weiter beschreibt er in seiner Publikation, dass Dr. Henry Briggs bei der Ideengebung maßgeblich beteiligt war und die Erstimplantation dieses Processus-spinosus-Interponats supervisierte. Jaslow sah hierin verschiedene Vorteile. Zunächst wies er auf eine Verbesserung bezüglich Erhaltung der Höhe des Bandscheibenfaches hin. Durch diesen Höhenerhalt konnte letztendlich auch eine Einengung der Nervenwurzeln in den entsprechenden Neuroforamina vermieden werden. In einigen Fällen beschreibt er eine Aufrichtung des Bandscheibenfaches mit Höhengewinn im Vergleich zum präoperativen Zustand. Auch sieht er die Voraussetzung für eine knöcherne Fusion optimiert, da der Hohlraum, der beim Entfernen der Bandscheibe entsteht, mit autologem Knochenersatzmaterial aufgefüllt wird. Ein weiterer Aspekt stellt auch die frühere Mobilisation der Patienten dar, da mit Interposition des Knochenblocks eine bessere Primärstabilität geschaffen und die Gefahr der Pseudarthrosenbildung minimiert wird. Die Operationszeit sah Jaslow durch diesen zusätzlichen Operationsschritt als nur unwesentlich verlängert an. Seine postoperativen Fusionsergebnisse beschrieb er als sehr gut und klinisch war bei den Patienten sowohl der Rücken- als auch Beinschmerz gelindert ([35, (Abb. 3a, b).

Abb. 3
figure 3

a Positionierung des interkorporalen Knochenmaterials, sowie Knochenanlagerung von dorsal. b Einbringen des Knochenblocks mit übertriebener Darstellung der Retraktion der Nervenwurzel [35]. (Mit freundl. Genehmigung von Elsevier)

Full size image

Dr. Ralph Cloward, Neurochirurg aus Hawaii, beschrieb 1953 [16] eine neue Technik. Er entnahm aus dem Beckenkamm Knochenblöcke und impaktierte selbige in den Bandscheibenraum. Durch diese Maßnahme stieg die Popularität der PLIF-Prozedur deutlich. Der Neurochirurg wies darauf hin, dass die ideale, mechanisch effizienteste Methode zur Fusion im Bereich der Hauptbelastungszone, also im Bereich des Korpus der Wirbelkörper liegen sollte. Hierzu sollte ein stabiles intervertebrales Transplantat eingebracht werden, um den intervertebralen Raum entsprechend stabil zu überbrücken und wiederherzustellen.

Cloward benötigte für diese Art der Fusion, die er bereits seit 1944 durchführte, ca. 3,5–4 h und beschreibt sie als eine dreigestufte Operation. Zunächst erfolgt die Entnahme eines Beckenkammspans aus dem Os Ilium, das er auch als das ideale Knochenersatzmaterial für diese Art der Fusion ansah. Hierbei verwendete er zu Beginn sowohl autologen Knochen und später Leichenknochen (1952), den er in einer Art Knochenbank konservierte. Hier wurde hauptsächlich der Knochen von jungen gesunden Todesopfern im Rahmen von Verkehrsunfällen entnommen und aufbewahrt. Dadurch gelang es ihm, seine Operationszeit auf ca. 2 h zu verkürzen und v. a. die Komorbiditäten der Beckenkammentnahme, wie z. B. einen zweiten Zugang und langanhaltenden postoperativen Schmerz auszuschalten.

Nach Gewinnung des Transplantats erfolgte die Laminektomie sowie Entfernung des Bandscheibenmaterials aus dem intervertebralen Raum mit Entfernung der Knorpeloberfläche an den Endplatten.

Im letzten Schritt erfolgte dann die Fusion. Die hierfür gewonnenen keilförmigen Knochenspäne wurden mit dem spitz zulaufenden Ende voran in den Bandscheibenraum eingebracht. Die spongiösen Anteile des Spanes wurden so positioniert, dass sie Kontakt zu den angefrischten Endplatten hatten. Das kortikale Ende schloss zum Spinalkanal hin ab, dadurch sollte auch ein Wuchern des Knochens in den Spinalkanal verhindert werden. Je nach Möglichkeit wurden 3–4 Knochenspäne eingebracht. Abschließend erfolgte eine dorsale Fusion mit Knochenchips (Beckenkammspongiosa), nachdem die Dura zuvor mit einem Gelschaum und teilweise erhaltenem Lig. flavum bedeckt wurde [15, 16].

Vorteile sah Cloward auch in der verbesserten Stabilität des Transplantats mit den entsprechenden kortikalen Anteilen des Beckenkammes, das auch bei Belastung den entsprechenden axialen Kompressionskräften standhielt und nicht dislozierte (Abb. 4a, b).

Abb. 4
figure 4

a Entfernung des Bandscheibenmaterials und Präparation des intervertebralen Raums. b Intervertebrale Fusionstechnik: Darstellung des Spinalkanals über eine Facettektomie. Oben rechts bedeckt ein Gelschaum die Dura mater [16]. (Mit freundl. Genehmigung von JBJS)

Full size image

Die neue Methode war technisch aufwendiger als eine posterolaterale Fusion, jedoch resultierten höhere Fusionsraten von > 85 %. Trotz verbesserter Fusionsraten zeigten sich einige Komplikationen wie vermehrter Blutverlust, Nervenverletzung, Arachnoiditis, Transplantatabstoßung, -einbrüche und -dislokationen [17].

Letztendlich konnte oftmals die Zwischenwirbelkörperraumhöhe durch Transplantatabsorption nicht aufrechterhalten werden und auch die Pseudarthroserate war noch nicht zufriedenstellend. Insgesamt wurden die transplantatbezogenen Komplikationen bei dieser Technik mit 3–18 % angegeben.

Daraus schlussfolgerte man, dass intersomatische Implantate entwickelt werden müssen, die eine sofortige Primärstabilität ermöglichen, Langzeitstabilität garantieren und eine solide Fusion herbeiführen. Damit einhergehend konnten auch die unerwünschten Nebenwirkungen durch Entnahme von Beckenkammspan bzw. -spongiosa reduziert werden.

Intervertebrale Implantate

Während der 1970er und frühen 1980er Jahre war Dr. George Bagby verantwortlich für die Entwicklung eines ersten intervertebralen Cages. Er behandelte zunächst Pferde mit einem sog. „Wobbler-Syndrom“, einer Form der spondylarthrotischen Myelopathie, die zur Ataxie führte. Er stellte fest, dass die Cloward-Technik mit einer hohen Spanentnahmemorbidität einherging.

Bagby [2] entwickelte den ersten interkorporellen Platzhalter aus rostfreiem Stahl, der 30 mm lang, einen Durchmesser von 25 mm und 2 mm Fenestrationen für ein entsprechendes Einwachsen des Knochens aufwies.

Während einer Standardprozedur mit ventraler Dekompression der Halswirbelsäule (HWS) wurde der Cage mit autologen Knochenchips beladen und in das Bandscheibenfach eingebracht, um eine anteriore Fusion zu unterstützen. Der Cage wurde tendenziell überdimensioniert eingebracht, um den intervertebralen Raum zu distrahieren. Anschließend konnten Studien aufzeigen, dass Pferde, die mit dem Bagby-Cage behandelt wurden, ihre neurologische Funktion verbesserten. Als kleine Anmerkung sei gestattet, dass manche Pferde nicht nur für viele Jahre überlebten, sondern sogar noch Pferderennen gewannen [25].

Der Vorteil dieses Implantats lag darin, dass sowohl in seinem Hohlraum als auch um den Zylinder Knochenmaterial angelagert werden konnte. Mit diesem Implantat, das auch „Bagby Basket“ genannt wurde, konnten nicht nur Fusionsraten bis 88 % erreicht werden, sondern auch die normale Bandscheibenhöhe rekonstruiert werden. Es wurde auch als die „Distraktions-Kompressions-Stabilisierungs-Technik“ bezeichnet (Abb. 5).

Abb. 5
figure 5

Der „Bagby Basket“: Dieser Stahlzylinder wurde eingesetzt im Rahmen von Fusionen der HWS bei Pferden mit dem sog. „Wobbler-Syndrom“ [38]. (Mit freundl. Genehmigung von Wolters Kluwer Health)

Full size image

Ein Problem beim Einsatz dieses Stahlimplantats als ein intervertebraler Platzhalter war die Tatsache, dass das Elastizitätsmodul von dem normalen Knochen weit entfernt lag. Aufgrund dieser Gegebenheit stellte die Sinterung des Cages ein Problem dar.

1986 untersuchten Butt et al. [13] das „Bagby-Konzept“ biomechanisch. Sie verwendeten erstmals zwei parallel in das Bandscheibenfach eingebrachte Implantate, die eine entsprechende Distraktion bewirkten und durch den Druck auf die Endplatten und den subchondralen Knochen zu einer sofortigen Stabilitätsverbesserung führten.

Verbesserungen der Material- und Cageeigenschaften führten zum BAK-Cage

Den „Bagby Basket“ als Grundlage nehmend, führten weitere Verbesserungen der Material- und Cageeigenschaften letztendlich zu dem Implantat, das heute unter dem Namen Bagby- und Kuslich-Cage (BAK) bekannt ist ([3, Abb. 6).

Abb. 6
figure 6

Das BAK-Implantat – ein modifizierter „Bagby Basket“ [38]. (Mit freundl. Genehmigung von Wolters Kluwer Health)

Full size image

Der BAK-Cage ist ein zylindrischer leicht konischer Titankorb mit einem Hohlraum und äußerem Gewinde. Durch das Gewinde kommt der Cage beim Einbringen gut in den Kontakt mit den knöchernen Endplatten und führt dadurch zu einer guten Stabilität. Außerdem soll durch die Aussparungen in den Gewindegängen auch Knochen beim Eindrehen in den Cage eindringen und so einen sofortigen Kontakt zum Knochenersatzmaterial herstellen. Die erste Anwendung bei einem Menschen erfolgte 1992.

Der BAK-Cage konnte sowohl von anterior (ALIF) als auch von posterior (PLIF) eingebracht werden.

Mit Weiterentwicklung der Implantate und neuen Setzinstrumenten hat sich die PLIF-Prozedur weiter verbessert und optimiert, so dass manche Autoren über Fusionsraten von > 90 % berichteten ([44], Abb. 7, 8).

Abb. 7
figure 7

„Ray threaded fusion cage“ (Ray-TFC, [44]). (Mit freundl. Genehmigung von Wolters Kluwer Health [44])

Full size image
Abb. 8
figure 8

Entsprechende Instrumente, Retraktoren, Bohrer und Inserter für den Ray-TFC [44]. (Mit freundl. Genehmigung von Wolters Kluwer Health)

Full size image

In der Folge wurden zahlreiche Implantatvarianten von verschiedenen Autoren vorgeschlagen, wie z. B. vorgeformte Allograft-Knochendübel, -keile oder -chips [4].

Dennoch stellte die Qualität der Knocheninterponate weiterhin Probleme dar und besonders die Allografts schienen nicht die erforderlichen mechanischen Eigenschaften mitzubringen; um den axialen Kräften standzuhalten. Es wurden Versagensraten von bis zu 30 % angegeben.

Die intervertebralen Cages wurden immer populärer und auch die Materialkombinationen entwickelten sich in den 1990er Jahren weiter, hauptsächlich um dem Problem des Knochentransplantatversagens entgegenzuwirken (z. B. Transplantatkollaps). So fanden nun auch Titanmaschenkörbchen (Harms-Cage), Karbonfaser- und PEEK-Cages (Polyetheretherketon) ihre Anwendung.

1986 entwickelte Prof. Dr. Jürgen Harms den sog. Harms-Cage. Hierbei handelt es sich um ein Implantat aus einem zylindrisch geformten Titandrahtgeflecht (Abb. 9). Auch durch diese Art Cage konnte durch die sofortige stabile Abstützung eine Beckenkammspanentnahme entfallen, sofern für die Füllung des Cages andere Materialien (lokaler autologer, homologer Knochen oder synthetischer Knochenersatz) zur Verfügung stand. Darüber hinaus war sein Elastizitätsmodul (E-Modul) im Vergleich zu den rigiden Vorgängerimplantaten dem E-Modul des Wirbelkörpers ähnlicher. Zudem war durch die geringe Kontaktfläche von Cage zu den Endplatten das Fusionsareal vergrößert, da mehr Knochenmaterial den physiologischen oder anatomischen Endplatten direkt anlag.

Abb. 9.
figure 9

Erste klinische Cageapplikation bei lumbaler Fraktur 1986. (Mit freundl. Genehmigung von Prof. J. Harms)

Full size image

F. Kandziora untersuchte 2003 [36] den Einfluss von Cagedesign, Carriersystemen und Wachstumsfaktoren auf die intervertebrale Spondylodese tierexperimentell an der HWS von Schafen. Hierbei wies der Harms-Cage (Zylinderdesign) im Vergleich zu einem Cage im Boxdesign eine signifikant höhere intervertebrale Knochen-/Gesamtvolumenrelation auf, was einem akzelerierten Einheilungsverhalten entsprach. Zudem ergab sich für den Harms-Cage ein deutlich höherer Intra-Cage-Kompressionsdruck, was das „stress shielding“ der inkorporierten Spongiosa im Harms-Cage deutlich reduziert.

Der Harms-Cage konnte universal angewendet werden

Der Harms-Cage konnte universal angewendet werden, da die entsprechende Cagehöhe intraoperativ individuell angepasst und mit seinen verschiedenen Durchmessern optimal an die erforderlichen anatomischen Gegebenheiten adaptiert werden konnte. Dadurch konnten mit diesem Implantat auch sämtliche Abschnitte der Wirbelsäule versorgt werden. Jedoch sollte additiv immer eine posteriore Instrumentierung durchgeführt werden, um forcierten Scher- und Biegekräften entgegenzuwirken [29, 42].

Somit wurde der Harms-Cage initial auch hauptsächlich als Wirbelkörperersatz verwendet. Ab 1991 wurde er auch im Rahmen von lumbalen intervertebralen Fusionen eingesetzt.

Für den Fall einer biomechanisch gewünschten höheren Stabilität des Implantats konnte an den Cageenden auch ein Ring bzw. eine Endkappe fixiert werden, welche zusätzliche Stabilität verlieh (Abb. 10, [28]).

Abb. 10
figure 10

Ovaler Endring, der mit zusätzlichen Titanschrauben fixiert werden muss. (Mit freundl. Genehmigung von Prof. J. Harms)

Full size image

Durch diese Eigenschaften fand der Harms-Cage Anwendung bei Tumoren, Frakturen, Spondylodiszitiden, Deformitäten und lumbalen Fusionen. Dieses Konzept hat über die Jahrzehnte kontinuierlich Bestand, so dass es auch heute noch regelmäßig bei den verschiedenen Entitäten in allen Wirbelsäulenabschnitten seinen Einsatz findet (Abb. 11).

Abb. 11
figure 11

Titan-Mesh-Cage als Wirbelkörperersatz, der auf die gewünschte Angulation im Bereich der Endplatten zugeschnitten werden kann. (Mit freundl. Genehmigung von Prof. J. Harms)

Full size image

Brantigan [9] entwickelte einen CFRP-Cage („carbon-fiber-reinforced polymer“), der „Zähne“ an den Oberflächen hatte, um eine Dislokation bzw. Retropulsion in den Spinalkanal zu verhindern, Querverstrebungen, um der Gewichtsbelastung und Kompressionskräften standzuhalten und eine Kammer, welche zum Befüllen mit autologem Knochenersatzmaterial dienen sollte. Zudem war das Karbon strahlendurchlässig und somit konnte die knöcherne Fusion im konventionellen Röntgenbild entsprechend besser evaluiert werden als bei Titanimplantaten. Er sah damit die optimalen Voraussetzungen gegeben, da dieser Cage ideale mechanische Implantateigenschaften mitbrachte und die biologische Fusion durch Einbringen von autologem Knochen gewährleistet war.

Das Karbonfasermaterial lag mit seinem E-Modul nahe an dem von kortikalem Knochen, was außerdem das Problem der Implantatsinterung reduzierte. Zusätzlich erbrachten Studienergebnisse Hinweise auf schnellere und verlässlichere Fusionsraten bei Karbonkörbchen, die mit autologem Knochen gefüllt wurden, im Vergleich zu Allograftknochen alleine [7, 9, 10].

Daher ergibt sich für das zu verwendende Cagematerial, dass es nicht nur eine gute Histokompatibilität und eine knochenähnliche Festigkeit aufweisen sollte, sondern nach Möglichkeit auch über eine osteokonduktive Eigenschaft verfügt, um zeitnah eine gute Fusion zu erreichen.

Die Historie zeigt, dass bei der Entwicklung eines stabilen Wirbelkörperinterponats zwei mechanische Lösungsansätze verfolgt wurden. Erstens das Konzept der horizontalen Zylindercages, die ohne additive Stabilisierung eingeschraubt wurden, wie z. B. der BAK-Cage.

Zweitens die sog. „Open-box-Cages“, wie z. B. der „Brantigan-Cage“, der mit zusätzlicher Pedikelschraubeninstrumentierung gute Fusionsraten zeigte (Abb. 12, [50]).

Abb. 12
figure 12

Der lumbale I/F-Cage [8]. (Mit freundl. Genehmigung von Elsevier)

Full size image

Weiner u. Fraser [56] erweitern die Einteilung der bisher entwickelten Cages noch um die „Vertical-ring-Cages“, die hauptsächlich bei ventralen Zugängen (ALIF) eingesetzt werden und deshalb auch in diesem Artikel nicht weiter erläutert werden.

Die etablierten Cagematerialien sind Titan, Karbon und PEEK.

PEEK wird seit 1997 beim Menschen als Cagematerial verwendet und liegt mit seinem E-Modul nahe an dem des Knochens. Im Vergleich dazu ist die Elastizität von Titan 10-mal höher als die des kortikalen Knochens, was das Risiko einer Cagesinterung erhöht. Auch nach dem „Wolff-Transformationsgesetz des Knochens“ kann somit PEEK die Fusion besser unterstützen, da das entsprechende Knochenersatzmaterial optimaler belastet wird und so durch Mikrobewegungen die Knochenneubildung ausreichend stimuliert [58]. Zudem wird durch die geringe Kontaktfläche von Cage zu den Endplatten das Fusionsareal vergrößert, da mehr Knochenersatzmaterial den Endplatten direkt anliegt.

Durch diese Entwicklung haben sich nicht nur die Fusionsraten weiter verbessert, sondern auch die Anwendung wurde einfacher, womit sich die Sicherheit dieses Verfahrens weiter verbesserte.

Letztendlich stellte dann die Augmentation mit Platten- und Pedikelschraubensystemen eine weitere Stabilitätsverbesserung dar, was im Vergleich mit der sog. „Stand alone-Anwendung“ zu einem weiteren Anstieg der erzielten Fusionen führte [12, 49].

Da der PLIF-Zugang die Verletzung der strukturellen Integrität erfordert, indem beide Facettengelenke reseziert bzw. teilreseziert werden, um eine gute Übersicht für die Implantatpositionierung zu gewinnen, wird die postoperative Instabilität erhöht und kann zum Versagen führen, sofern keine Instrumentierung hinzugefügt wird [22].

Zur Durchführung einer PLIF müssen der Duralsack und die Nervenwurzel entsprechend mobilisiert und retrahiert werden, um einen ausreichenden Zugang zum Bandscheibenfach durch den spinalen Kanal zu erhalten. Diese Manöver erhöhen das Risiko von Duraverletzungen, Nervenwurzelschädigungen oder Conus-medullaris-Schäden für die Anwendung oberhalb L2/L3. Die Zahl der Verletzung neuraler Strukturen steigt weiter an, wenn das PLIF-Verfahren in der Revisionschirurgie eingesetzt wird und hier entsprechendes epidurales Narbengewebe vorliegt und mobilisiert werden muss. Unabhängig vom Revisionsfall wurde beschrieben, dass der Einsatz von entsprechenden Dübeln und Cages mit einer postoperativen Radikulopathie von ungefähr 13 % einhergeht. Außerdem wurden auch vermehrt Anschlussinstabilitäten des kranialen Segments beobachtet [4].

Entwicklung der TLIF-Technik

Um die Nachteile und Risiken der PLIF-Technik zu reduzieren, entwickelten Harms und Blumes die TLIF-Technik („transforaminal lumbar interbody fusion“). Harms wendete dieses Verfahren seit 1993 an und beschrieb selbiges detailliert mit Jeszenszky im Jahre 1998 [27]. Bei der TLIF-Technik erfolgte in der Originalbeschreibung am Beispiel einer L5/S1-Spondylolisthese eine einseitige Eröffnung des Foramen intervertebrale über eine entsprechende Resektion des Facettengelenks. Zuvor wurde das Segment über eine Pedikelschraubeninstrumentierung distrahiert und nach Einbringen von 2 Titanabstützkörben die Distraktion in Kompression umgewandelt. Zur Schonung der nervalen Strukturen sollte v. a. der laterale Anteil des Lig. flavum belassen und nur in Ausnahmefällen reseziert werden. Entsprechende Modifikationen ergeben sich bei der Versorgung einer Spinalkanalstenose oder klinisch symptomatischen bilateralen Neuroforamenstenose, bei der auch eine bilaterale Laminotomie erfolgen kann [5].

Harms betont, dass die abgehende Nervenwurzel nur sehr zurückhaltend zu mobilisieren ist und nicht aus ihrer fettgewebigen Hülle herauspräpariert werden sollte. Vielmehr sollte sie durch Palpation im Verlauf des Foramens identifiziert werden. Nach Ausräumung der Bandscheibe wurden dann 2 Titankörbchen, die mit autologer Spongiosa befüllt wurden, in den intervertebralen Raum transforaminal eingebracht und anschließend komprimiert.

Die Hauptvorteile dieser Technik lagen darin, dass nur eine einseitige Resektion der Facettengelenkfortsätze erfolgen musste. Dies ermöglichte auch eine Vergrößerung der Fusionsfläche auf der Gegenseite für die dorsale Knochenanlagerung durch die benachbarten intakten Laminae und Processus spinosi (Abb. 13).

Abb. 13
figure 13

Unilaterale Resektion des Facettengelenks und Zugang zum Bandscheibenfach. (Aus [27])

Full size image

Weiterhin konnten die nervalen Strukturen wie Dura und Nervenwurzeln, sowie die biomechanisch bedeutenden Strukturen von Lig. flavum und Lig. interspinosum besser geschont werden. Insgesamt zeigten sich Vorteile gegenüber der PLIF-Technik, da auch die epidurale Narbenbildung und der intraoperative Blutverlust reduziert werden konnte.

Einer der Nachteile der TLIF-Technik ist die fehlende Visualisierung der Gegenseite und hier v. a. der kontralateralen Nervenwurzel [33]. Dadurch kann bei vorbestehender kontralateraler Foramenstenose bei der abschließenden Kompression eine zusätzliche Einengung des kontralateralen Neuroforamens entstehen, was dann zu einer Kompression der kontralateralen Nervenwurzel führen kann.

Zwischen 1993 und 1996 versorgte Harms 191 Patienten in der oben genannten Technik und fand eine geringe Pseudarthroserate von 2 % in Bezug auf die fusionierten Segmente. Als die ideale Indikation sah er die degenerative Spondylolisthese an.

Die Fusionsraten für TLIF-Fusionen werden bis heute relativ gleichbleibend mit ca. 90 % beschrieben. Die Rate von guten und befriedigenden Ergebnissen variiert zwischen 79 und 91 %, wobei die Fusionsrate sicherlich auch von der Qualität der Bandscheibenausräumung und der Präparation der Endplatten abhängig ist [34, 52].

Auch im weiteren Verlauf der TLIF-Entwicklung gab es diverse Modifikationen, so wurde statt der initialen Doppelcageimplantation auch das Einbringen nur eines Cages populärer und in zahlreichen Studien auch entsprechend beschrieben (Abb. 14). Hierdurch sollte das Einbringen der Implantate verbessert werden, da es schwierig war die beiden Cages symmetrisch zu platzieren und es beim Einbringen des zweiten Cages auch zu Lockerungen und Dislokationen beim primär implantierten Cage kommen konnte. Zudem erhoffte man sich auch eine Kostenersparnis sofern nur ein Implantat verwendet wurde [20, 59].

Abb. 14
figure 14

a Einbringen der Titankörbchen in den Wirbelkörperzwischenraum. b Die Körbchen sollten links und rechts der Mittellinie sitzen, um eine gute Abstützung herzustellen. (Aus [27])

Full size image

Daher kam es auch zur Anpassung der TLIF-Cages, die in ihrer Form auch an die Implantationstechnik angepasst wurden und heutzutage regelhaft als „Oblique-“, „Nieren-“ oder „Bananencages“ eingesetzt werden.

  • Oblique-Cages sind prinzipiell einfacher in das Bandscheibenfach einzubringen, können aber bezüglich der Auflagefläche bei konkaven Endplatten und mangelnder Konturierung Nachteile aufzeigen.

  • Bananenförmige Cages sind schwieriger zu positionieren, zeigen aber biomechanische Vorteile, da bei ihnen das Risiko einer posterioren Migration reduziert ist.

  • Eine neure Entwicklung sind expandierbare Oblique-TLIF-Cages, die zusätzlich das Risiko einer Nervenwurzelverletzung minimieren sollen, indem sie in kontrahiertem Zustand in das Bandscheibenfach eingebracht werden und dann anschließend erst die Distraktion vorgenommen wird [45].

TLIF minimal-invasiv (MIS)

Mit diesen weiteren Optimierungen konnte das TLIF-Verfahren unter dem Einsatz tubulärer Retraktorsysteme auch zur minimal-invasiven Prozedur weiterentwickelt werden und zeigt aktuell vielversprechende Ergebnisse. Erstmalig wurde diese Technik von Foley et al. 2003 beschrieben [21]. Hierdurch soll v. a. das Weichteil- und Muskeltrauma weiter reduziert werden. Der Zugang kann über eine paramediane Inzision nach Wiltse sowie Muskeldilatation erfolgen. Die Pedikelschrauben werden perkutan positioniert. Durch diese minimal-invasive Versorgung zeigen sich Vorteile bezüglich postoperativem Schmerz, Blutverlust, Länge des Krankenhausaufenthalts und Rehabilitation. Die Fusions- und Komplikationsraten konnten noch keine wesentlichen Unterschiede aufweisen [43, 48].

Fazit für die Praxis

  • Die schrittweise Entwicklung der interkorporellen Fusionsverfahren im Laufe von Jahrzehnten und die wertvollen Erfahrungen der Vergangenheit haben die Grundlage gelegt für die modernen Fusionstechniken, die uns heute zur Verfügung stehen. Den frühen rein dorsalen Fusionen mit Auflage von autologem Knochenersatzmaterial stehen heute eine Fülle an modernsten Cage Technologien und Schrauben-Stab-Systemen gegenüber.

  • Auch das Spektrum von verschiedenen Zugängen zur Wirbelsäule bis hin zur minimal-invasiven Versorgung hat sich erheblich erweitert.

  • Dennoch strebt man auch heute noch nach höheren Fusionsraten und zuverlässigeren Fusionstechniken, so dass der Status quo noch weitere Innovationen zulässt. Die ideale Cageform, das Material und die Herstellungsweise lassen hier noch großen Spielraum für weitere Entwicklungen.

  • Zuletzt sollte auch bedacht werden, dass trotz modernster Technik das Individuum Mensch ein schwer zu berechnender Faktor für einen guten Erfolg nach einer Operation ist. Dementsprechend muss bereits bei der Indikationsstellung auch der „richtigen“ Versorgungsstrategie Rechnung getragen werden.