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Knocheninduktion durch Osteodistraktion - experimentelle und klinische Untersuchungen zur Distraktionsosteogenese
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Einleitung von PD Dr. Dr. Peter Kessler und Prof. Dr. Dr. Jörg Wiltfang, Erlangen Distraktionsbehandlungen haben sich als interdisziplinäre Aufgabe im Fachgebiet der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie in kurzer Zeit etablieren können. Die Osteodistraktion stellt eine Erweiterung der therapeutischen Möglichkeiten vor allem im Bereich der orthopädischen und präimplantologischen Chirurgie dar. Indikationen einer Distraktionsbehandlung sind daher z. B. die Therapie schwerer Formen syndromaler und nicht-syndromaler fazialer Mikrosomien wie auch die Verbesserung des knöchernen Lagers im Alveolarfortsatzbereich in vertikaler und transversaler Richtung im Rahmen präimplantologisch-augmentativer Verfahren. Im folgenden Beitrag werden die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten der Osteodistraktion und die entsprechenden physiologischen Grundlagen zur Gewebeneubildung in diesem Zusammenhang dargestellt. Die Korrektur skelettaler Wachstumsstörungen ist eine der größten Herausforderungen im Fachgebiet der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Der klassische Therapieansatz skelettaler Missbildungen beruht auf der Korrektur durch verschiedene Osteotomieformen, die auch in Kombination mit anderen chirurgischen Behandlungsverfahren, wie z. B. der Interposition autogener Knochentransplantate, angewendet werden können. Ein abgeschlossenes Wachstum ist für diese Korrekturmaßnahmen unabdingbare Voraussetzung für langfristig stabile Operationsresultate. Die rapide Entwicklung der kraniofazialen Chirurgie seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts zeigte auch Grenzen und Risiken auf, Wachstumsdefizite durch chirurgische Maßnahmen auszugleichen. Bei großen Verlagerungsstrecken müssen Muskel- und Weichgewebe stark gedehnt werden, was zu einem erhöhten Rezidivrisiko führen kann, gerade wenn die chirurgische Korrekturmaßnahme an die Grenzen des operationstechnisch Möglichen stöß (10). Das eigentliche Problem, fehlendes Wachstum durch Wachstumsstimulation auszugleichen, galt lange Zeit als ungelöst. Mit der Osteodistraktion steht allerdings ein Verfahren zur Verfügung, bei dem durch langsames Auseinanderbewegen von Knochensegmenten unter stetig zunehmender Zugspannung eine Knochen- und Weichgewebeneubildung induziert werden kann (3,4,5). Alessandro Codivilla gilt als Erstbeschreiber der Knochenverlängerung durch Osteodistraktion1. Zu Beginn der 50er Jahre verhalf Gavril A. Ilizarov der Osteodistraktion als Möglichkeit zur chirurgischen Extremitätenverlängerung zum Durchbruch. Es ist sein Verdienst, dass sich die Kallusdistraktion in der orthopädischen und traumatologischen Chirurgie zu einem anerkannten und standardisierten Verfahren zur Gliedmaßenverlängerung angeborener oder erworbener Hart- und Weichgewebedefizite entwickeln konnte (3,4,5,8). Die Korrektur syndromaler und nicht-syndromaler, angeborener kraniofazialer Missbildungen gilt heute als Hauptanwendungsgebiet der Osteodistraktion in der Kiefer- und Gesichtschirurgie. Im Vergleich zur klassischen kraniofazialen Korrekturchirurgie konnte der Behandlungszeitpunkt unter Ausnutzung des vorhandenen Wachstumspotentials in das Wachstumsalter vorverlegt werden (9). Physiologische Grundlagen zur Gewebeneubildung durch Distraktion Bei der Osteodistraktion fördert nach Osteotomie ein konstanter Dehnungsreiz die Entstehung eines dynamischen Mikroklimas auf zellulärer und subzellulärer Ebene. Der Einfluss dieser Zugspannung kann als wachstumsfördernd und formbildend charakterisiert werden und scheint ein wichtiger physikalischer Faktor zur weiteren Differenzierung mesenchymaler Stammzellen zu sein. Auch die Neoangiogenese wird intensiviert und resultiert in einer besseren Oxygenierung des Gewebes. Tatsächlich ist die neovaskuläre Erschließung des Distraktionskallus zehnfach höher als die eines Frakturkallus. In der zweiten Distraktionswoche beginnen sich Osteone an den Knochenstümpfen der Osteotomiezone zu bilden. Durch appositionelles Wachstum entstehen Knochensäulen, die in Vektorrichtung der Distraktion aufeinander zu wachsen und schließlich die gesamte Distraktionszone erschließen. Ursprungsorte der Knochenentstehung sind die begrenzenden Knochenstümpfe der Osteotomiezone. Am Ende der zweiten Distraktionswoche beginnt schließlich die Mineralisation der Knochengrundsubstanz. Etwa acht Wochen nach Abschluss der Distraktion ist der Distraktionsspalt mit Geflechtknochen aufgefüllt, der sich unter funktioneller Belastung in lamellären Knochen umzubauen beginnt (6). Distraktionsrate und -frequenz spielen eine große Rolle bei der Art der Gewebereaktion auf Distraktion. Eine Fraktionierung der Distraktionsstrecke kann dazu beitragen, größere Verlagerungsstrecken zu ermöglichen. Ein kontinuierlicher Distraktionsvorgang, womöglich druckgesteuert, sollte gegenüber einem diskontinuierlichen Distraktionsprozess mit Aktivierung in definierten Zeitintervallen optimale Voraussetzungen für alle Formen einer Gewebevermehrung und -regeneration bei Distraktionsbehandlungen bieten.
Die Distraktionshistioneogenese stellt im Rahmen der Knochenverlängerung einen umfassenden biologischen Adaptationsprozess dar. Dieser Prozess wird durch die Einleitung von Dehnungskräften initiiert und wirkt auch auf alle Arten von Weichgeweben in der direkten und näheren Umgebung der Osteodistraktionszone ein. Einsatzmöglichkeiten der Osteodistraktion Distraktionsbehandlungen sind als interdisziplinäre Aufgabe anzusehen. Die präoperative Planung zur Korrektur von Fehlbildungen, Gesichtsasymmetrien und Gewebedefiziten sollte zwischen der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie und beteiligten Fachdisziplinen - vor allem der Kieferorthopädie, aber bei Bedarf auch der Pädiatrie, Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Augenheilkunde und Neurochirurgie - abgesprochen werden. Im Falle der vertikalen Alveolarfortsatzdistraktion muss im Rahmen einer später durchzuführenden prothetisch-implantologischen Versorgung mit dem behandelnden Zahnarzt der Planungsvorgang abgestimmt sein. Computerassistierte Verfahren zur dreidimensionalen Visualisierung der Gesichtsoberfläche und zur Berechnung von Gesichtsasymmetrien können heute ergänzend eingesetzt werden.
Tab. 1: Vergleich der Knochenregeneration bei Fraktur- und Distraktionsbehandlungen Distraktionssysteme, Distraktionsrate und -frequenz Die Wahl des Distraktionssystems ist abhängig von der Indikation, dem Alter des Patienten, der Länge der Distraktionsstrecke sowie vor allem von der Frage, ob eine uni- oder multidirektionale Distraktion erforderlich ist. Extraorale Systeme werden von intraoralen unterschieden. Intraorale Distraktoren bieten den Vorteil einer "versteckten" submukösen, bzw. subkutanen Lage. Diese Apparaturen erfreuen sich bei den Patienten einer hohen Akzeptanz, machen aber bei Distraktorentfernung einen im Vergleich zu den extraoralen Systemen größeren chirurgischen Eingriff nötig, da die Distraktionsregion zur Distraktorentfernung erneut dargestellt werden muss. Nicht nur die Entfernung intraoraler Distraktoren ist aufwendig. Auch die Applikation dieser Systeme erfordert viel Erfahrung und eine großzügigere Denudierung der Distraktionsregion als bei Anbringen eines pingetragenen extraoralen Distraktors. Extraorale Distraktionssysteme sind aus ästhetischer Sicht im Nachteil, da ihre Anwendung augenfällig ist und für den Patienten gerade im Kopf- und Gesichtsbereich hinderlich sein kann. Der Vorteil extraoraler Systeme liegt in der wesentlich stabileren Auslegung des Distraktors, die auch große Verlagerungsstrecken von weit über 20 mm zulässt. Ferner kann je nach Hersteller die Distraktionsrichtung auch während der aktiven Distraktion variiert werden, so dass extraorale Distraktoren für uni-, bi- und multidirektionale Distraktionsvorgänge verwendet werden können. Bei Unterkieferdistraktionen wird in der Regel von einer täglichen Distraktionsstrecke von 1,0 mm ausgegangen, die Distraktionsfrequenz kann bei zwei bis vier Teilaktivierungen liegen. Im Mittelgesicht beträgt die tägliche Distraktionsstrecke 0,5 bis 1,0 mm. Bei vertikaler Distraktion variiert die Distraktionsstrecke zwischen 0,25 und 0,5 mm pro Tag.
Tab. 2: Konventionelle Distraktionssysteme Osteodistraktion im Gesichtsskelett Neben syndromalen Erkrankungen wie z. B. dem Apert-, Crouzon-, Goldenhar-, Nager- oder Pierre-Robin-Syndrom kann die Osteodistraktion auch zur Korrektur nicht-syndromaler Gesichtsasymmetrien, z. B. bei Patienten mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten angewandt werden (12). Dabei kann der Einsatz der Osteodistraktion im Säuglingsalter bei komplexen, syndromalen Erkrankungen mit extremer Unterkieferrücklage und dadurch bedingter Verlegung der Atemwege durch Vorverlagerung des Unterkiefers die Atemwege freilegen und eine Tracheotomie vermeiden helfen. Eine weitere Indikation stellt die transversale Erweiterung des Unterkiefers im Bereich der Symphyse dar, die aus kieferorthopädischer Indikation bei massivem Zahnengstand im Unterkiefer oder bei seltenen syndromalen Erkrankungen, wie z. B. bei Mittelliniendefekten wie dem 18q-Syndrom, erforderlich sein kann. Die Nachentwicklung der Kiefer kann ausreichend Platz schaffen, so dass zur Ausformung des Zahnbogens eine Extraktion gesunder Zähne unter Umständen vermieden werden kann. Der Unterkiefer kann unter Schonung des Gefäß-Nervenbündels im Korpusbereich vertikal, bzw. im Bereich des aufsteigenden Unterkieferastes horizontal osteotomiert werden, um Verlängerungen in diesen Bereichen zu erzielen. Die Kombination beider genannter Osteotomieformen ist möglich und kann zu einer dreidimensionalen Ausformung des Unterkiefers mit Erhalt und Entwicklung des Kieferwinkels verwendet werden. Die Osteotomie im Korpusbereich kann retromolar, in bezahnten Kieferabschnitten oder median gelegen sein. Im Bereich des Canalis mandibularis wird der Unterkiefer von bukkal, kranial und kaudal mit der oszillierenden Säge oder einem Bohrer weitestgehend anosteotomiert, um dann mit einem Osteotom stumpf gespalten zu werden.
Im Unterschied zu den langen Röhrenknochen oder der Unterkieferspange bedürfen Distraktionsvorgänge des dreidimensionalen Gerüstes des Gesichtsschädels raumorientierte Distraktionsvektoren. Die sorgfältige Planung vor Distraktionsbeginn macht eine Festlegung eines Hauptvektors nötig, der sich aus mehreren Teilvektoren zusammensetzen kann. Zudem können es einseitige oder beidseits unterschiedlich ausgeprägte Wachstumsdefizite erforderlich machen, für die betroffenen Regionen voneinander abweichende Vektoren festzulegen. Wie auch im Unterkiefer kann das Osteodistraktionsverfahren mit klassischen Osteotomietechniken auf unterschiedlichen LeFort-Ebenen kombiniert werden. Die Wahl des Distraktionsystems wird von der Komplexität des zugrunde liegenden Krankheitsbildes beeinflusst. Große, dreidimensionale Verlagerungen lassen sich zuverlässig nur mit extraoralen Systemen durchführen, die eine Korrektur des Distraktionsvektors zulassen (12). Ein transoraler Zugangsweg sollte immer bevorzugt werden, auch wenn gerade bei Jugendlichen geringes Platzangebot und Zahnanlagen die technische Durchführung stark erschweren können. Eine Ausnahme stellt die Unterkieferdistraktion bei Säuglingen dar. Hier können nur extraorale Zugänge unter Verwendung extraoraler Distraktoren gewählt werden. Die Wahl des Distraktionssystems hängt von der Länge der Verlagerungsstrecke und der Wahl des Distraktionsvektors ab. Verlagerungsstrecken über 15 mm, multidirektionale Distraktionsprozesse und die Säuglingsdistraktion sind die Domäne der extraoralen Distraktoren. Die Alveolarfortsatzdistraktion hat sich als jüngstes Teilgebiet der Distraktionsosteoneogenese etabliert. Es handelt sich dabei um intraoral anzuwendende Distraktionsapparaturen, die zu einer vertikalen Augmentation zahnloser, aber auch bezahnter oder mit Implantaten versorgter Alveolarfortsatzsegmente eingesetzt werden können. Die Hauptindikation stellt die Verbesserung des knöchernen Lagers in vertikaler und transversaler Richtung aus präimplantologischer Sicht dar. Im Gegensatz zu konventionellen Augmentationsverfahren kann auf eine autogene Knochenentnahme und -verpflanzung oder den Einsatz von Knochenersatzmaterialien verzichtet werden. Eine zusätzliche Morbidität an der Knochenentnahmestelle entfällt. Bei Zahnankylosierung oder ungünstiger Implantatposition kann die vertikale Distraktion angewandt werden, um Zähne oder Implantate auf Okklusionsniveau einzustellen oder einer prothetischen Versorgung zuzuführen. Die technische Durchführung verbindet konventionelle Segmentosteotomien mit extraossär, intraossär oder selten dental verankerten Distraktoren. Entscheidend für den Erfolg ist die ausreichende Dimensionierung des zu transportierenden Knochensegmentes, das eine Höhe von ca. 8 mm nicht unterschreiten sollte. Es ist auf eine ausreichende Blutversorgung durch eine suffiziente linguale oder palatinale Periost- und Mucosaanheftung zu achten.
Die Transportosteodistraktion ist in der Unfallchirurgie und orthopädischen Chirurgie ein weit verbreitetes Verfahren um Kontinuitätsdefekte vor allem an der Tibia zu überbrücken. Hierbei wird ein Knochensegment gebildet und an einem Fixateur extern entlanggeführt, bis der gegenüberliegende Knochenstumpf (docking site) erreicht ist. In der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie konnte C. Guerrero zeigen, dass auch nahezu vollständige Resektionen des Unterkieferkorpus mit Hilfe der Transportosteodistraktion überbrückt und wiederhergestellt werden können (2). Der neugewonnene Unterkieferknochen weist dabei eine erstaunliche Formkonstanz mit dem Transportsegment auf. Stucki-McCormick et al. setzten die Transportdistraktion erfolgreich zur Rekonstruktion von Kiefergelenksfortsätzen nach Kondylektomien ein (11). Ausblick Knochen ist als einziger Baustein unseres Organismus in der Lage, durch Regeneration seines eigenen Gewebes narbenfrei im Sinne einer restitutio ad integrum zu heilen. Die große Zahl erfolgreicher klinischer Distraktionsbehandlungen in verschiedenen chirurgischen Fachgebieten und die Vielzahl tierexperimenteller Untersuchungen haben bewiesen, dass unter wachsender Zugspannung bei Distraktionsbehandlungen eine hervorragende, belastungsstabile Regeneration des ortsständigen Knochengewebes im Distraktionsspalt möglich ist, ohne dass eine Knochentransplantation erfoderlich wäre. Zudem geht mit der Vermehrung der knöchernen Substanz auch eine Weichgewebevermehrung einher. In der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie gewann die Distraktionsosteoneogenese als ein neues therapeutisches Konzept zur Behandlung kraniofazialer Wachstumsdefizite vor allem dadurch an Bedeutung, dass schon im Wachstumsalter Korrekturen durchgeführt werden können, die mit traditionellen Verfahren bisher nicht möglich waren. Die Osteodistraktion bleibt trotz der Kombination mit chirurgisch erprobten und bewährten Osteotomietechniken anspruchsvoll, weil eine ganze Reihe von Fragen zu den Mechanismen der Knochenreifung im Distraktionsspalt oder zur Frage des weiteren Wachstums und dem Rezidivverhalten noch weitgehend unbeantwortet sind. Die Distraktionsfrequenz z. B. hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Qualität des knöchernen Regenerates im Distraktionsspalt. Eigene Forschungsergebnisse belegen, dass sich unter den Bedingungen einer kontinuierlichen Distraktion Knochen wesentlich schneller bildet als bei diskontinuierlicher Distraktion. Dieses Regenerat weist einen höheren Reifegrad auf als vergleichbarer, unter diskontinuierlicher Distraktion gebildeter Knochen. Die Knochenregeneration im Distraktionsbereich verläuft schneller, da die bei diskontinuierlicher Distraktion beobachtete Umwegdifferenzierung über knorpelige Vorstufen entfällt. Bereits vier Wochen nach Abschluss der aktiven Distraktion kann mit einer vollständigen knöchernen Überbrückung des Distraktionsspaltes gerechnet werden. Druckmessungen zeigten zudem, dass bei kontinuierlicher Distraktion nur ein Drittel der Distraktionskräfte aufgewendet werden mussten, die bei gleicher Distraktionsstrecke zur diskontinuierlichen Distraktion erforderlich waren. Daraus resultiert die Frage, ob nicht eine druckgsteuerte kontinuierliche Distraktion eher physiologischen Bedingungen zur Knochenregeneration entspricht als die bisher angewendete Praxis einer rein längengetriggerten diskontinuierlichen Distraktion. Der Benefit für den Patienten wäre eine Verkürzung der Behandlungszeit um etwa die Hälfte (7). Gerade die Anwendung bei noch im Wachstum befindlichen Jugendlichen wirft die Frage auf, ob bei Vorliegen einer durch Wachstumsdefizite bedingten Fehlbildung durch eine Distraktionsbehandlung überhaupt ausreichend Wachstum induziert werden kann, um Wachstumsdefizite auch langfristig auszugleichen. Nach dem heutigen Erkenntnisstand muss man davon ausgehen, dass nach Distraktionsabschluss weiteres Wachstum in der Distraktionsregion nicht erwartet werden kann. Eine nur schwer abzuschätzende Überkorrektur im Rahmen der Distraktion scheint erforderlich zu sein. Die Osteodistraktion wird ihren Stellenwert als erweiterte Therapieoption zur Korrektur bei angeborenen oder erworbenen Fehlbildungen im Kiefer-Gesichtsbereich behalten. Die Therapiemöglichkeit bei noch im Wachstum befindlichen Jugendlichen ist dabei der größte Vorteil dieser Methode. Auch als Alternativoption zur Verbesserung des knöchernen Lagers im Rahmen präimplantologisch-augmentativer Verfahren wird die vertikale Osteodistraktion ihre Position behaupten.
Tab. 3: Zusammenfassende Darstellung der Anwendungsmöglichkeiten der Osteodistraktion in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie Zusammenfassung Distraktionsbehandlungen haben sich als interdisziplinäre Aufgabe im Fachgebiet der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie in kurzer Zeit etablieren können. Die Osteodistraktion stellt eine Erweiterung der therapeutischen Möglichkeiten vor allem im Bereich der orthopädischen und präimplantologischen Chirurgie dar. Ihr Hauptvorteil gegenüber konventionellen Behandlungsformen liegt in der Frühbehandlung noch im Wachstumsalter der Patienten. Schwere Formen syndromaler und nicht-syndromaler Fehlbildungen können mit Hilfe der Distraktionshistioneogenese durch lokale Wachstumsstimulation geheilt werden, wobei auch große Distanzen ohne Probleme überbrückt und regeneriert werden können. Als präimplantologische Maßnahme eignet sich die Osteodistraktion hervorragend, da sie eine Knochenneubildung im ortsständigen Knochen der zahntragenden Alveolarfortsätze induzieren kann, ohne dass autogene Knochentransplantate oder Knochenersatzmaterialien verwendet werden müssen. Aus experimenteller Sicht gilt das Hauptaugenmerk automatisierten, kontinuierlich arbeitenden Distraktionssystemen, die dazu beitragen könnten, die Gesamtbehandlungszeit für den Patienten um etwa die Hälfte zu reduzieren. Die Autoren: PD Dr. Dr. Peter Kessler, Prof. Dr. Dr. Jörg Wiltfang Korrespondenzadresse:
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