Der subchondrale Knochen – die große Unbekannte in der Knorpeltherapie

In der Vergangenheit stand die Knorpelschicht im Mittelpunkt, wenn es um den Gesundheitszustand der Kniegelenkoberfläche ging. Mittlerweile wird dem subchondralen Knochen immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt.

Die Bedeutung des subchondralen Knochens

In der Vergangenheit stand die Knorpelschicht im Mittelpunkt, wenn es um den Gesundheitszustand der Kniegelenkoberfläche ging. Die besondere anatomische Struktur und die Eigenschaften des Gelenkknorpels mit seinem Schmier- und Dämpfungsmechanismus wurden für die physiologische Gelenkfunktion als im Vor-dergrund stehend gesehen, während aus pathologischer Sicht sein begrenztes Heilungspotenzial als direkt verantwortlich für das Fortschreiten von einem fokalen Defekt zu einem umfassenden Gelenkschaden angesehen wurde. Diese klare und einfache Theorie wurde in letzter Zeit zunehmend infrage gestellt.

Gelenke werden heute als Organe und nicht als ein einfaches Ensemble von Geweben betrachtet: ein komplexes System, das aus Knorpel, Knochen, Synovia, Kapsel, Menisken und Bändern besteht. In dieser neuen Sichtweise wird der osteochondralen Einheit immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt, insbesondere dem subchondralen Knochen, der eine Schlüsselrolle für die Integrität der gesamten osteochondralen Einheit spielt. Seine einzigartige anatomische Struktur ist gut geeignet, um den Gelenkknorpel mechanisch zu stützen und gleichzeitig seine Basalschichten zu ernähren Die ätiopathogenetische Rolle des subchondralen Knochens wurde ebenfalls eingehend untersucht: Er kann primär bei Osteochondritis dissecans (OCD), Osteonekrose oder Trauma betroffen sein, und selbst fokale Knorpeldefekte können sich, wenn sie unbehandelt bleiben, sekundär auf den darunterliegenden subchondralen Knochen ausdehnen, entweder mit pathologischen Veränderungen wie Überwucherung und Sklerose oder mit Knochenverlust. Folglich verlagerten sich die Behandlungsstrategien auf eine sorgfältige Berücksichtigung sowohl der Knorpel- als auch der Knochenrekonstruktion bei der Behandlung chondraler und osteochondraler Läsionen. Die Behandlung der gesamten osteochondralen Einheit ist aufgrund der unterschiedlichen Heilungsfähigkeit von Knorpel und Knochen eine größere Herausforderung als die Behandlung der chondralen Schicht allein. In den letzten Jahren haben die neuen Errungenschaften im Bereich des Tissue Engineering zur Entwicklung von Biomaterialien geführt, mit denen auch solch komplexe Läsionen behandelt werden können, bei denen frühere Behandlungen nicht angezeigt waren. Ziel dieses Artikels ist es, die aktuellen Erkenntnisse über den subchondralen Knochen zu erörtern, von seiner ätiopathogenetischen Rolle bei Gelenkdegenerationsprozessen über seine prognostische Rolle bei chondralen und osteochondralen Defekten bis hin zu den Behandlungsstrategien, die sowohl den subchondralen Knochen als auch die Gelenkoberfläche betreffen.

Die Osteoarthritis – der subchondrale Knochen bei degenerativer Gelenkerkrankung

Das Kniegelenk ist eine der Hauptlokalisationen der Osteoarthritis (OA). Der Schweregrad der OA wird in der Regel klinisch anhand des standardisierten Klassifizierungssystems von Kellgren-Lawrence oder des OARSI-Systems beurteilt, bei denen es sich um semiquantitative, auf subjektiven Parametern basierende Scores mit geringer Inter- und Intraobserver-Übereinstimmung handelt, die keinen Bezug zu Parametern des Krankheitsverlaufs aufweisen. Die Scores enthalten deskriptive Nenner für Gelenkspalt, Deformität, subchondrale Sklerose und Osteophytenbildung, geben aber keine quantitativen oder qualitativen Parameterwerte an. Der problematischste Parameter ist die Sklerose des subchondralen Knochens, da in der Literatur keine klare Definition dieses Begriffs zu finden ist. Einige definieren eine Verdickung der subchondralen Knochenplatte, andere eine besser sichtbare strukturierte Architektur des spongiösen Knochens. Wir sehen jedoch sehr deutliche Veränderungen im subchondralen Bereich in der Entwicklung von Arthrose, die deutlich vor Veränderungen an der Knorpeloberfläche auftreten und mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind.

Dem Prozess der Degeneration des Gelenkknorpels, der mit der OA einhergeht, gehen subtile Veränderungen der trabekulären Knochenstruktur und die Bildung von neuem Knochen an den Gelenkrändern, den sogenannten Osteophyten, voraus. Es wurde nachgewiesen, dass Veränderungen der trabekulären Knochenstruktur im subchondralen Knochenkompartiment des Schienbeins bereits Monate bis Jahre vor den nachweisbaren Veränderungen der Gelenkknorpeldicke auftreten. Infolgedessen war der Zusammenhang der radiologischen OA-Progression und -Inzidenz mit der Analyse der trabekulären Struktur des Tibiakopfes im Fokus der Forschung. Die Mehrheit der Studien untersucht die mathematische fraktale Architektur der Knochentextur des subchondralen Teils des Tibiakopfes, die aus Röntgenaufnahmen gewonnen wird. Die Anwendung fraktaler Analysen für die Analyse der subchondralen Knochenmikroarchitektur basiert auf der Tatsache, dass die auf einfachen Röntgenaufnahmen erkennbare trabekuläre Knochentextur direkt mit der zugrunde liegenden dreidimensionalen trabekulären Knochenstruktur korreliert wurde. In dieser mathematischen digitalen Analyse ergibt sich ein sogenannter „bone structure value“ (BSV), der sich in KI(künstliche Intelligenz)-Algorithmen als Parameter der Prognose des Fortschreitens und Auftretens von OA trainieren lässt. Der BSV misst die fraktale Dimension der Knochentextur mittels Hurst-Koeffizient, der ein Maß für die weiträumige Abhängigkeit von Datenpunkten (Pixel) ist und damit ein Parameter der Entropie (Strukturregelmäßigkeit) des Gewebes, und zeigt damit früher Veränderungen der Mikrostruktur des Knochens an, die mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind.

Wir haben die Texturparametersätze für gesunde Knie von Frauen und Männern verglichen und festgestellt, dass die digitale Analyse des subchondralen Knochens darauf hinweist, dass sich die Knochentexturen von Frauen und Männern signifikant unterscheiden. Diese Ergebnisse deuten auf die Möglichkeit hin, dass die Knochentextur in der weiblichen Bevölkerung stärker von OA betroffen ist, da die OA-Vorhersagewerte bei Frauen aussagekräftiger sind und damit die Wahrscheinlichkeit von Arthroseprogression höher einzuschätzen ist. Wir haben auch die häufigsten Merkmale untersucht und unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass BMI und Alter in der Arthroseprognose für Männer geringer relevante Merkmale als für Frauen sind.

Bedeutung von Veränderungen in der subchondralen Knochenstruktur

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die computergestützte Auswertung digitaler Röntgendaten frühe Veränderungen in der subchondralen Knochenstruktur qualifiziert und quantifiziert und einige Rückschlüsse auf die OA-Entwicklung und -Prognose zulässt. Die prospektive Anwendung und Weiterverfolgung einer solchen Röntgenbeurteilung und einfach zu bedienenden Softwaretechnologie werden dazu beitragen, objektive Ergebnisse für OA-Studien zu schaffen und auch in der Patientenberatung besonders Patient:innen mit einem hohen Arthroseprogressionsrisiko intensiv zu beraten und zu behandeln.

Eine der am häufigsten beobachteten Veränderungen des subchondralen Knochens sind die subchondralen Knochenmarksläsionen (BML), auch bekannt als subchondrales Knochenödem, definiert als eine Veränderung der MRT-Signalintensität des Knochenmarks, die auf T1- und T2-gewichteten Bildern zu sehen ist und am besten mit Fettsuppressions-STIR-Sequenzen dargestellt wird. Das Vorhandensein von subchondralem BML weist im Allgemeinen auf eine Form der Verletzung hin, die das Ergebnis eines akuten Traumas, von Stoffwechselanomalien, einer vorübergehenden Überbelastung infolge einer Gelenkknorpelverletzung oder einer chronischen Überbelastung wie bei OA sein kann. Diese Verletzungen führen zu einem Ungleichgewicht zwischen den Reizen und der Fähigkeit des Knochens, sich zu remodellieren und den physiologischen und funktionellen Zustand wiederherzustellen. In der MRT wird dies durch Veränderungen der Knochensignalintensität dargestellt. Das Muster dieser Veränderungen kann je nach Ätiologie der subchondralen BML unterschiedlich sein, was sich auch auf die Prognose und die mögliche Behandlung auswirkt. Die subchondrale BML, die sekundär zu Gelenkknorpeldefekten auftritt, weist im Allgemeinen auf eine Beeinträchtigung der Gesundheit des subchondralen Knochens hin und kann entweder einen reversiblen oder einen irreversiblen Prozess darstellen. Ein Beispiel für einen reversiblen Zustand ist der typische „bone bruise“, der nach einer ACL-Ruptur festgestellt wird, während die BML, die bei OA-Knien auftritt, zu einer Insuffizienzfraktur oder sogar zu einer Osteonekrose führen kann, was einen irreversiblen Prozess darstellt. Diese Osteonekrose kann dann im Kollaps des subchondralen Knochens enden, was im Verlauf des Morbus Ahlbäck das Endstadium darstellt.

Der subchondrale Knochen bei Knorpeldefekten

Kürzlich wurde erkannt, dass der subchondrale Knochen eine wichtige, wenn auch noch nicht vollständig verstandene Rolle bei der Entscheidungsfindung für die Behandlung von Gelenkoberflächen spielt. Seit der Entwicklung der autologen Chon-drozytenimplantation (ACI) konzentrierte sich das Interesse von Klinikern und Wissenschaftlern auf die Entwicklung verschiedener Techniken zur Wiederherstellung des Gelenkknorpels. Ebenso stand der Zustand der Gelenkoberfläche immer im Mittelpunkt des Entscheidungsprozesses. Erst in jüngster Zeit wird der Bedeutung der Integrität des subchondralen Knochens zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt. Die Beziehung zwischen dem subchondralen Knochen und dem Gelenkknorpel ist symbiotischer Natur: Die Gesundheit des einen hängt von der Gesundheit des anderen ab.

Eines der am häufigsten angewandten Knorpelverfahren ist die Mikrofrakturierung, die die Knorpelheilung durch den Zugang zu den regenerativen Elementen des Knochenmarks und das Eindringen in den subchondralen Knochen direkt aus dem Defekt heraus stimuliert. Ihr weitverbreiteter Einsatz ist auf den minimalinva-siven Ansatz, die begrenzte chirurgische Morbidität und die zufriedenstellenden kurz- bis mittelfristigen klinischen Ergebnisse zurückzuführen. Wenn jedoch auf der einen Seite der Zugang zum subchondralen Knochen regenerative Elemente liefert, die eine Oberflächenreparatur mit Faserknorpelgewebe ermöglichen, so wurde auf der anderen Seite diese Art der iatrogenen „Beschädigung“ des subchondralen Knochens auch mit negativer Beeinträchtigung dieser Struktur im Laufe der Zeit in Verbindung gebracht. Sowohl in präklinischen als auch in klinischen Studien wurden anhaltende Veränderungen des subchondralen Knochens nach Mikrofrakturen festgestellt, insbesondere in der tieferen Schicht mit der reaktiven Entwicklung intraläsionaler Osteophyten. Die anhaltenden morphologischen Veränderungen des subchondralen Knochens wurden sogar als Indikator für ein längerfristiges Versagen des Mikrofrakturierungverfahrens angesehen.

Die Verbindung von Mikrofrakturen mit der Verwendung eines chondralen zellfreien Gerüsts, wie bei der autologen matrixinduzierten Chondrogenese (AMIC), könnte diese Grenzen überwinden, indem sie eine stabilere Unterstützung für das Zellwachstum bietet, obwohl die direkte Schädigung der subchondralen Platte immer noch signifikant sein kann und auch hier die Bildung von intraläsionalen Osteophyten und deutliche Strukturveränderungen im subchondralen Knochen gesehen wurden.

Es hat sich gezeigt, dass die durch Mikrofrakturen verursachte Schädigung der subchondralen Platte auch die Ergebnisse der chondralen Regenerationsverfahren wie ACI beeinträchtigt, die keine direkte Schädigung des subchondralen Knochens implizieren. Minas et al. analysierten 522 Knorpeldefekte bei 321 Patienten, die mit ACI behandelt wurden, und zeigten, dass bei Patienten, die sich zuvor Behandlungen unterzogen hatten, die den subchondralen Knochen angriffen, die Misserfolgsrate dreimal höher war als bei Patienten, die sich einer primären ACI unterzogen. Bei nicht vorbehandelten Knorpelläsionen kann das hyalinartigere Gewebe der ACI den subchondralen Knochen unter mechanischen Gesichtspunkten besser schützen. Dennoch wurde auch bei ACI und matrixassoziierter autologer Chondrozytentransplantation (MACT) über eine Persistenz der subchondralen Knochenveränderungen berichtet. Während sich das Vorhandensein eines subchondralen Knochenmarködems bei ACI kurzfristig als negativer prognostischer Indikator erwies, wurde für MACT kein Einfluss auf die Ausfallrate oder die klinischen Ergebnisse bei längerem Follow-up nachgewiesen.

Die Rolle des subchondralen Knochens bei der Veränderung des Gelenkmilieus nach chirurgischer Behandlung von Knorpelläsionen ist erst kürzlich erkannt worden. Die Definition der Veränderungen auf der Ebene des subchondralen Knochens ist wichtig, um die Reifung und Entwicklung der behandelten Gelenkkompartimente zu verstehen. In den meisten Studien über Knorpelbehandlungen fehlen jedoch Daten über subchondrale Knochenveränderungen, um deren Ausmaß, Häufigkeit, Zeitpunkt des Auftretens und Korrelation mit anderen Faktoren zu dokumentieren, ihre Bedeutung und ihren möglichen Einfluss auf das Ergebnis der Knorpelchirurgie zu verstehen. Perifokale Knochenmarködem-ähnliche Signale sind häufige Befunde sowohl nach chondralen als auch osteochondralen chirurgischen Eingriffen und liegen zwischen 40 % und 80 %, mit unterschiedlicher Beurteilung der Bedeutung für den klinischen Verlauf.

Unklare Ätiopathologie

Die Ätiopathologie dieser Befunde ist noch unklar, ebenso wie ihre Entwicklung, wobei es Hinweise sowohl auf eine Verringerung als auch auf eine Zunahme ihrer Häufigkeit im Laufe der Zeit gibt. In einer Studie zur Klärung der Entwicklung von BML, die nach einer Knorpeloperation festgestellt wurden, waren BML in den ersten postoperativen Phasen vorhanden, gingen nach 2 und 3 Jahren deutlich zurück und nahmen dann bei der mittel- bis langfristigen Nachbeobachtung wieder zu. Dieser eigentümliche Trend könnte Ausdruck der Gewebeveränderungen im Laufe der Zeit sein: Die anfängliche Abnahme könnte durch die Reifungsphase erklärt werden, die sich bei solchen Knorpelbehandlungen nach allgemeiner Auffassung nach etwa 2 Jahren stabilisiert. Andererseits könnte das durch die Knorpelbehandlung gewonnene Gewebe nicht ausreichen, um den subchondralen Knochen vor den mechanischen Kräften des Gelenks zu schützen, was zu einer fortschreitenden abnormen Stimulation des subchondralen Knochens und zu Leiden führt.

Klinische Bedeutung

Trotz der oben genannten Erkenntnisse, die sowohl die Häufigkeit als auch die Entwicklung beleuchten, wurde keine Korrelation zwischen BML und dem klinischen Ergebnis gefunden, sodass die klinische Bedeutung fraglich und schwierig zu interpretieren ist. Die hohe Sensitivität der MRT könnte es ermöglichen, frühe Veränderungen zu erkennen, bei denen es sich um eine begrenzte Gewebereaktion handeln könnte, die zwar abnormal, aber noch nicht schwerwiegend genug ist, um das klinische Ergebnis zu beeinträchtigen, selbst bei einer mittel-/langfristigen Nachbeobachtung. Dennoch ist die BML ein häufiger Befund nach einer Knorpeloperation, und es besteht Bedarf an einem besseren Verständnis der Entwicklung der postoperativen BML im Laufe der Zeit sowie ihrer Bedeutung als prognostischer Faktor.

In jüngerer Zeit rückt auch die osteochondrale Einheit in den Mittelpunkt der operativen Knorpelbehandlungsverfahren, die den Aspekt der biphasischen chondrogenen und ossären Regeneration berück-sichtigen und gleichzeitig sowohl die chondrale als auch die subchondrale Gelenkstruktur adressieren und damit den Gelenkknorpeldefekt wie auch die darunter liegende BML behandeln. Sowohl die Implantation osteochondraler Transplantate (Autotransplantate oder Allotransplantate) als auch osteochondrale Matrizes haben gute Ergebnisse bei der Behandlung osteochondraler Probleme gezeigt. Diese Techniken sind jedoch in Bezug auf die Tiefe der subchondralen BML, die behandelt werden kann, begrenzt. Die Gesamtbedeutung der verbleibenden BML ist ungewiss, sie kann sich im Laufe der Zeit zurückbilden, und es gibt keine Hinweise darauf, dass selbst eine anhaltende subchondrale Knochenveränderung die Ergebnisse eines osteochondralen Transplantats beeinträchtigen kann.

Die Antwort auf die Frage nach der Beziehung zwischen BML und Gelenkknorpelbehandlung ist also multifaktoriell und sollte die Lokalisierung, Ätiologie und Chronizität sowohl des subchondralen Knochenödems als auch des Gelenkknorpeldefekts berücksichtigen. Es sollten Algorithmen entwickelt werden, um einen Weg zur Behandlung von Gelenkknorpelverletzungen bei Vorliegen eines subchondralen Knochenödems zu finden und um dieses zu interpretieren und zu behandeln, wenn es postoperativ auftritt. Zu den wichtigen Überlegungen bei der Behandlung gehören auch andere potenzielle Überlastungsursachen, wie Meniskusdefizit, Fehlstellung, Bandinstabilität, die unbedingt mitbehandelt werden müssen, und nicht zuletzt ist von Bedeutung, wie weit die OA fortgeschritten ist. Die Bewertung dieser Faktoren sollte zur Wahl der am besten geeigneten Behandlung unter Berücksichtigung des Status des subchondralen Knochens führen.

Schlussfolgerungen

Der subchondrale Knochen spielt also eine zentrale Rolle beim Verständnis von Gelenkverletzungen, sowohl aus ätiologischer Sicht als auch als diagnostisches Mittel. Darüber hinaus gewinnt sein Status auch als prognostischer Faktor bei der Nachbehandlung von Knorpelbehandlungen an Bedeutung. Schließlich hat die Anerkennung seiner Bedeutung für den natürlichen Verlauf dieser Läsionen dazu geführt, dass er als Behandlungsziel in Betracht gezogen wird, spezifische Behandlungsverfahren für osteochondrale Läsionen entwickelt wurden und auch in Zukunft der Aspekt des subchondralen Knochens immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Literatur