Als Mondsichel-förmiges Gleitkissen dämpft der Meniskus Erschütterungen und ermöglicht die reibungslose Bewegung zwischen Ober und Unterschenkel. Allerdings sind die beiden Menisken pro Knie anfällig für Verschleiß und Verletzungen. So weist etwa jedes dritte Knie in der Bevölkerung ab 40 Jahren einen deutlichen Meniskus-Verschleiß auf, und rund 15 % aller Unfälle des Kniegelenks betreffen den Meniskus.
Soll zur Behandlung ein operativer Eingriff am Knie erfolgen, ist der Meniskus grundsätzlich kein dankbarer Kandidat, denn sein Gewebe wird nur in bestimmten Abschnitten mit Blut versorgt. Für gute Heilungschancen ist eine genaue Kenntnis dieses wertvollen Gefäßgeflechts hilfreich. Bislang basieren die Informationen allerdings auf zweidimensionalen Bildern von Gewebeschnitten. Hierdurch gehen wertvolle Daten etwa zur Verformbarkeit des Knorpels oder zur Vernetzung der Gefäße verloren.
3D-Landkarte für Knie-Chirurgie rund um den Meniskus
„Wir wollen eine dreidimensionale ‚Landkarte‘ durch den Meniskus in hoher Präzision erstellen“, erklärt Federica Orellana vom Center for X-ray Analytics der Empa im schweizerischen Dübendorf. Dies könne die Behandlung optimieren und maßgeschneiderte Therapien im Sinne einer personalisierten Medizin ermöglichen, so die Biophysikerin.
Das Team um Federica Orellana und Projektleiterin Annapaola Parrilli strebt dabei eine Genauigkeit an, die mit Apparaturen in Spitälern nicht zu erreichen ist. Gegenüber einer Auflösung im Millimeterbereich bei einer klinischen Computertomographie (CT), können die Mikro- und Nano-Computertomographen der Empa-Labors sogar die Mikrometergrenze unterschreiten.
Aus diesen radiologischen Aufnahmen erstellen die Forscherinnen mathematische Modelle, mit denen sich die Dichte, die Struktur, die biomechanische Verformbarkeit und das Gefäßnetz des Knorpels im Raum erfassen und kartieren lassen.
Äderchen im Meniskus in hoher Präzision zeigen
Mit der Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und gemeinsam mit den klinischen Partnern des „Istituto Ortopedico Rizzoli“ in Bologna, des Kantonsspitals Winterthur und der Universität Zürich arbeiten die Forschenden derzeit mit einer Vielzahl von Laborproben, um eine möglichst aussagekräftige Datengrundlage aufzubauen. Erste Computersimulationen zeigen die verästelten Äderchen im Meniskus bereits in vielversprechender Präzision.
Die Mikro-CT-Bilder übermitteln die strukturelle Komplexität des Gewebes und erlauben in den mathematischen Modellierungen auch weitere Informationen wie die Porosität oder wie stark die Blutgefäße gewunden sind.
Derzeit arbeitet Federica Orellana an einem 3D-Atlas mit gesunden Meniskus-Gewebeproben. In einem nächsten Schritt integriert sie CT-Aufnahmen von Verletzungen und Abnutzungen aller Art in die Modelle. So könnten Betroffene direkt während einer Untersuchung essenzielle Informationen zum Selbstheilungspotenzial des Gewebes erhalten und die Strategien für eine individuelle Behandlung könnte optimiert werden. Dabei, so betont die Biophysikerin, solle die 3D-Landkarte sowohl für Unfallpatienten als auch bei Abnutzungsprozessen im Alter eingesetzt werden können.
Kontakt:
Empa
Federica Orellana
Center for X-ray Analytics
Telefon: +41 58 765 6532
E-Mail: federica.orellana@empa.ch
PD Dr. Annapaola Parrilli
Center for X-ray Analytics
Telefon: +41 58 765 6576
E-Mail: annapaola.parrilli@empa.ch
www.empa.ch/web/s604/meniskus-mikrotomographie
