Bandscheibenvorfall: Ursachenforschung im Simulator

Interview mit Prof. Dr. Hans-Joachim Wilke, Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Universitätsklinikum Ulm

01.10.2014

 
Foto: Prof. Hans-Joachim Wilke

Prof. Hans-Joachim Wilke; ©Universitätsklinikum Ulm

Bandscheibenvorfälle können sehr unterschiedlich sein: Einige verursachen keine Beschwerden und werden nur zufällig entdeckt, andere können Lähmungserscheinungen herbeiführen oder Patienten starke Schmerzen bereiten. Meist entstehen diese Probleme plötzlich nach einer ungünstigen Bewegung – so berichten es zumindest Patienten.

Dabei scheinen Bandscheibenvorfälle aber nicht plötzlich zu kommen, sondern sich über längere Zeit anzubahnen. Mit einem Belastungssimulator untersuchen Ulmer Forscher die Wirkung vieler dynamischer Bewegungszyklen auf eine einzelne Bandscheibe. Was sie damit über die Entstehung von Bandscheibenvorfällen herausfinden wollen und wie dieser Simulator funktioniert, erklärt Prof. Joachim Wilke im Interview auf MEDICA.de.


Herr Prof. Wilke, woher kommt die Idee, einen Belastungssimulator für die Bandscheibe zu bauen?

Hans-Joachim Wilke: Bandscheibenvorfälle sind zwar sehr häufig, aber man weiß eigentlich noch nicht eindeutig, wo und wieso sie entstehen. Anhand der Schilderungen von Patienten konnte man aber beispielsweise ableiten, dass eine Rotationsbewegung unter Belastung, zum Beispiel wenn man sich vorne beugt, schlecht ist und es dabei zu einem Versagen einer Bandscheibe kommen kann. In Experimenten, mit denen solche Bewegungen nachvollzogen wurden, hat man aber festgestellt, dass ein Bandscheibenvorfall nicht so einfach künstlich herbeizuführen ist – also dass es nicht so plötzlich dazu kommt, wie Patienten es erzählen. Daraus hat man eine von zwei Theorien abgeleitet, die die Entstehung der Vorfälle betreffen: die Akkumulation von Mikrotraumen in der Bandscheibe.

Wie sieht diese Theorie aus?

Wilke: Die Bandscheibe besteht aus zwei verschiedenen Teilen. Im Inneren ist ein gelartiger Nukleus, der von einem Faserring umgeben ist. In diesem Ring liegen 25 bis 28 Faserschichten konzentrisch um den Nukleus. Die schräg verlaufende Faserrichtung wechselt sich zwischen den Ringen ab, die Fasern verlaufen also immer gegenläufig, gleichzeitig sind die Schichten stark verbunden und vernetzt. Die Theorie sieht so aus: Wenn es im innersten Ring eine Schwachstelle der Fasern gibt, drückt der Kern irgendwann die Fasern auseinander und reißt die Schicht weiter auf. Dann erhöht sich auch der Druck auf die nächste Schicht und später auf die dahinter, sodass der Schaden sich immer weiter wie eine Laufmasche nach außen ausdehnt. Es entsteht schließlich eine Protrusion, eine Ausbeulung, der Bandscheibe. Macht der Patient dann wieder eine solche Bewegung, reißen die letzten Faserschichten auch auf und der Nukleus wird hinausgedrückt. Das ist dann ein Bandscheibenvorfall.

Wir haben selbst vor einigen Jahren ein Finite-Element-Modell zu einem Bandscheibensegment entwickelt. Das ist ein mathematisches Modell zur Beschreibung einer Bandscheibe. Damit konnten wir berechnen, dass tatsächlich eine starke Beugung, kombiniert mit einer hohen axialen Last und einer Rotationsbewegung, zur stärksten Dehnung im äußeren Faserring im hinteren Teil der Bandscheibe führt. Das erklärt diese Theorie zum Teil.

Foto: Bandscheibenbelastungssimulator der Uniklinik Ulm

Der Bandscheibenbelastungssimulator kann ein Präparat in jeweils drei Achsen drehen und mit Scherkräften belasten; ©Universitätsklinikum Ulm

Und was ist mit der anderen Theorie?

Wilke: Wir haben in dem Modell auch festgestellt, dass es zu hohen Scherspannungen zwischen den Fasern und dem knorpeligen Anteil der Deckplatte kommt, in der die Faserringe verankert sind. Die Theorie wäre hier, dass der Defekt nicht von innen nach außen geht, sondern sich der Schaden von außen nach innen akkumuliert, wenn die Fasern aus der Deckplatte herausgerissen sind. Dann ist der Bandscheibenvorfall eher deckplattennah. Im letzten Jahr wurde eine klinische Studie aus Indien vorgestellt, die diese Theorie auch stützt: Bei zwei Dritteln der Patienten dort waren die Vorfälle deckplattennah, bei einem Drittel eher in der Mitte der Bandscheibe.

Mit unserem Simulator wollen wir jetzt die Schädigungsmuster in Bandscheiben simulieren. Das heißt, wir wollen Bandscheibenpräparate in relativ kurzer Zeit mit vielen Zyklen so belasten, dass wir die Akkumulation der Schäden an ungefähr einem Tag erreichen können, während es beim Menschen Jahre dauert.

Wie sieht dieser Simulator denn genau aus?

Wilke: Wir können das Bandscheibenpräparat über eine Art Kardangelenk um drei Achsen drehen. Es sind Drehungen um jede Achse einzeln möglich oder jede beliebige Kombination. Auch die Amplitude und Geschwindigkeit können vollständig variiert werden. In der Bandscheibe wirken aber auch Scherkräfte: Wenn man sich nach vorne beugt, wirkt ein Kraftvektor auf Grund des Körpergewichts auf die Bandscheibe, die verschiedenen Kraftkomponenten werden dabei von der jeweils eingenommenen Körperhaltung bestimmt. Das können wir mit drei weiteren Motoren simulieren, auch einzeln oder in Kombination. Im Prinzip können wir mit dem Simulator sehr systematisch auflösen, unter welchen Bedingungen die größten Schäden akkumuliert werden. In Ulm haben wir weiter den großen Vorteil, dass wir die Präparate dann mit einem hochauflösenden Kernspintomografen untersuchen können. In einer 3D-Analyse können wir anschließend genau die Lokalisation, Ausbreitung und Form der Defekte quantifizieren.
Foto: Digitales Modell der Bandscheibe

Mit hochauflösender Bildgebung können die Ulmer Forscher genau die Schäden feststellen, die die Bewegungen am Bandscheibenpräparat verursachen; ©Universitätsklinikum Ulm

Als wie lebensnah schätzen Sie den Simulator ein? Muss man nicht auch die Wirbelsäule als Ganzes betrachten?

Wilke: Im Prinzip ja. Die Wirbelsäule ist aber ein komplexes Gebilde, das aus vielen Einzelsegmenten besteht und das man in seiner Gesamtheit noch zu wenig versteht. Wir beschäftigen uns schon seit über 20 Jahren damit, seitdem wir einen Wirbelsäulen-Belastungssimulator gebaut haben. Dort kann man langstreckige Präparate einspannen, also längere Wirbelsäulenabschnitte. Das Gerät ist aber nur für langsame Bewegungen gedacht. Der neue Bandscheibensimulator ist dynamischer, deshalb mussten wir einen Kompromiss eingehen und können nur ein einzelnes Bewegungssegment darstellen. Mit dem Wirbelsäulen-Belastungssimulator kann man die Wirbelsäule eher per se verstehen.

Und was sind weitere Anwendungen für den Bandscheibensimulator?

Wilke: Die Suche nach Ursachen für Bandscheibenvorfälle ist nur die primäre Intention. Ziel ist es Schwachstellen von OP-Techniken herausfinden, die vielleicht erst über Jahre hinweg Problem verursachen, zum Beispiel die Lockerung oder das Einsinken von Implantaten. Ich glaube, es gibt in der Zukunft viele Anwendungen in der Wirbelsäulenchirurgie oder für die Physiotherapie.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

©B. Frommann

Das Interview führte Timo Roth.
MEDICA.de