Bildgebende Verfahren in der Anwendung am Skelett- und Bewegungsapparat des Hundes

Abstract

Seit der Beschreibung der Röntgenstrahlen vor mehr als 125 Jahren hat sich der Einsatz ionisierender und nicht ionisierender Verfahren in der medizinischen Diagnostik rasant weiterentwickelt. Nicht nur in der Human-, sondern auch in der Tiermedizin nehmen bildgebende Verfahren eine wichtige Stellung im Alltag und in der Forschung ein (Johnson, 2013). Die vorliegende Arbeit soll Beispiele für eine verbesserte Diagnostik und ein verbessertes Verständnis von degenerativen Erkrankungen des Bewegungsapparats aufzeigen. Ziel der Untersuchungen war es, häufige Erkrankungen am Bewegungsapparat von Kleintieren mithilfe bildgebender Diagnostik zu untersuchen und genauer zu charakterisieren. Die ersten beiden Abschnitte der Arbeit zeigen Besonderheiten der degenerativen lumbosakralen Stenose, der Muskulotendinopathie, der Hüftgelenkdysplasie, der Arthropathie am Kniegelenk und der Ellenbogengelenkdysplasie beim Hund auf. Dabei wird nicht nur auf rassespezifische, speziesspezifische und individuelle Parameter eingegangen, sondern die unterschiedlichen Verfahren und Techniken werden auch miteinander verglichen. Auf diesem Weg soll die vorliegende Arbeit dazu beitragen, standardisierte Zugänge zu Untersuchungen zu beschreiben und eventuell bestehende Schwächen eines diagnostischen Mittels besonders im Hinblick auf spezifische Fragestellungen am Bewegungsapparat aufzeigen bzw. die Wahl der zur klinischen Ausgangssituation passenden Untersuchungstechnik erleichtern. Gleichzeitig können Modelle entwickelt werden, die in der humanmedizinischen Forschung am Tier schonend, wenig invasiv und mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden können. Beispiele könnten die Stammzelltherapie bei Bandscheibendegenerationen oder (erblichen) Muskelerkrankungen sein. Bei der Untersuchung der lumbosakralen Bandscheibendegeneration konnten zum ersten Mal anhand einer größeren Studiengruppe (110 Hunde) rassespezifische Besonderheiten beim Deutschen Schäferhund festgestellt werden, die als prädisponierend für eine Bandscheibendegeneration angesehen werden. Bei Deutschen Schäferhunden zeigte die lumbosakrale Bandscheibe bei 4 möglichen Graden (Grad 1–4) einen mittleren Degenerationsgrad von 2,81 während die Hunde anderer Rassen mit einer hohen Signifikanz (p < 0,001) einen geringen Mittelwert von 2,48 aufwiesen. Zusätzlich konnte erstmals die Anwendung der Schnittbildverfahren bei der Graduierung der Bandscheibendegeneration im Hochfeld-MRT mit standardisierter Technik an einer größeren Hundepopulation beschrieben werden. Gleichzeitig wurden Methoden wie die Einteilung der Bandscheibendegenerationsgrade überprüft (Seiler et al., 2003). Damit wurde die Basis für weitere Forschung zur Bandscheibendegeneration gelegt. Eine besondere Herausforderung bei der Beschreibung von morphologischen Rassebesonderheiten stellten die hohe interindividuelle Varianz vieler Kriterien als auch die variablen Einflüsse von Rasse, Alter, Geschlecht sowie Umwelteinflüsse (z.B. Haltungs- und Nutzungsform) dar. Fest steht, dass frühdegenerative Veränderungen der Bandscheiben rassenabhängig auftreten können und mit einzelnen Punkten der Skelettkonformation korreliert sind. Morphologische Besonderheiten wurden in einer weiteren Studie der vorliegenden Arbeit an 733 Deutschen Schäferhunden im Vergleich zu 334 Hunden anderer Rassen untersucht. Als ein deutliches Merkmal zeigte sich mit Heritabilitäten von 0,31–0,72 die abrupte Verengung des Wirbelkanals auf Höhe des lumbosakralen Übergangs. Ob ein beim jungen Hund gestellter Befund (z.B. eine Bandscheibendegeneration) im späteren Verlauf zu einer klinisch manifesten Erkrankung führen kann und ob ein Screening bei jungen Hunden sinnvoll ist, konnte in den vorliegenden Studien nicht abschließend geklärt werden. Rassespezifische Besonderheiten des Skelettapparats wurden auch in anderen Zusammenhängen untersucht: So haben die vorliegenden Studien gezeigt, dass Muskulotendinopathien des M. gastrocnemius bei unterschiedlichen Hunderassen auftreten können und nicht, wie zuvor angenommen, auf Hütehunde limitiert sind. Mit konservativer Therapie kehrten 84,6% der Hunde zur ursprünglichen Leistung zurück. Die Reduktion der aktiven Komponente der Erkrankung ließ sich in der Magnetresonanztomografie darstellen. Bei genauerer Betrachtung der Hüftgelenkkonformation zeigten sich deutliche rassespezifische Unterschiede, die bisher noch nicht bei der Beurteilung der Hüftgelenkdysplasie berücksichtigt wurden. Die Häufigkeit dysplastischer Gelenke betrug in der vorliegenden Studie 11,6% bei Deutsch Drahthaar, 35,8% bei Deutschen Schäferhunden und 44,3% bei Labrador Retrievern. Die Fläche des Femurkopfes und dessen Überdachung waren mit der Rasse, dem Geschlecht und dem FCI-Grad korreliert (p = 0,011). Keiner der Messwerte war dazu geeignet, eine Inkongruenz des Hüftgelenks und damit den Grad der Dysplasie zu quantifizieren. Eine Berücksichtigung der Hunderasse und eine Anpassung der Auswertung von Hüftröntgenbildern kann in Zukunft notwendig sein, besonders, wenn die Beurteilung durch künstliche Intelligenz unterstützt werden sollte. Bei der Beurteilung der Kniegelenke stand der Kreuzbandriss mit begleitenden degenerativen Veränderungen im Fokus der Untersuchungen. Unter besonderen Gegebenheiten war es möglich, auch postoperativ eine eingehende MRT-Beurteilung der Kniegelenke vorzunehmen. In dorsal orientierten Sequenzen zeigten sich signifikante Unterschiede für die Beurteilung des kranialen und kaudalen Horns des lateralen Meniskus (p = 0,015) und für den kranialen und kaudalen Anteil des medialen Meniskus (p < 0,0001). In T2-gewichteten Turbospinecho-Sequenzen war eine Beurteilung der medialen Kortikalis häufiger möglich (81%) als die der lateralen (73%). Im Vergleich zu anderen sagittal orientierten Sequenzen konnten in der T2-gewichteten, sagittal orientierten Sequenz große Teile des Gelenkknorpels identifiziert werden (medial 88% und lateral 85%). In Hinblick auf die unterschiedlichen Knorpelstrukturen ergab sich ein signifikanter Effekt der Sequenz in der sagittalen Orientierung (p < 0,0001). Die T2-gewichteten Turbospinechosequenzen zeigten zusammenfassend die Möglichkeit zur Beurteilung der meisten Strukturen. Die Ellenbogengelenkdysplasie des Hundes stellt eine besondere Herausforderung in Hinblick auf die Zuchtselektion und die Diagnostik dar. Die vorgestellten Arbeiten untersuchten Parameter, die einen Einfluss auf die Genauigkeit der Diagnostik einer Dysplasie haben. Bei der Betrachtung des Röntgens als Screeningverfahren in der züchterischen Selektion der Ellenbogengelenkdysplasie konnte festgestellt werden, dass erfahrene Untersucher eine hohe Sensitivität (96,7%) in der Auswertung der Röntgenbilder erreichen können. Bei der Diagnostik der Koronoiderkrankung zeigte sich die beste Übereinstimmung bei den beiden erfahrenen Auswertenden (κ = 0,74). Die Wiederholbarkeit der Ergebnisse war ebenfalls bei Erfahrenen sehr gut (κ = 0,73 und 0,88) und bei den weniger Erfahrenen niedrig (κ = 0,31–0,42). Die Zahl falsch positiver und falsch negativer Befunde nahm bei herausfordernden Obergutachtenfällen auch bei erfahrenen Untersuchern zu. Ursächlich waren vor allem das Vorliegen von Fissuren am inneren Kronfortsatz und das Ausbleiben von reaktiven Veränderungen. Es konnte kein rassespezifischer oder morphologischer Befund erhoben werden, der Hinweise auf die Notwendigkeit einer CT-Untersuchung gibt. Bei der genaueren Untersuchung von CT-Auswertungen konnte festgestellt werden, dass eine CT-Schichtdicke von 1 mm (und weniger) nötig ist, um eine genauere Aussage treffen zu können. Bei einer Schichtdicke von 1 mm war die Detektionsrate von Fragmenten am inneren Kronfortsatz signifikant höher (Untersucher 1 mit 55,4% und Untersucher 2 mit 60,4%). Bei größeren Schichtdicken kam es zu einer signifikanten Unschärfe der Knochenkonturen (p = 0,0001). CT und MRT haben sich in einigen Aspekten als gleichwertig bei der Diagnostik am Ellenbogengelenk erwiesen, dennoch ist die CT der MRT in Hinblick auf den technischen, zeitlichen und finanziellen Aufwand überlegen. Zusätzlich konnten keine eindeutigen morphologischen Kriterien erarbeitet werden, die die Häufigkeit der Ellenbogengelenkdysplasie beim Hund hinreichend erklären. Im Vergleich zum Rotfuchs bestanden beim Hund häufiger Veränderungen im Sinne einer Dysplasie. Eine Korrelation mit der Morphologie der Gelenke war nicht nachweisbar. Alle genannten Erkrankungen wie z.B. die lumbosakrale Bandscheibendegeneration, die Muskulotendinopathie, Hüft- und Kniegelenkerkrankungen sowie die Ellenbogengelenkdysplasie haben eine grundlegende Gemeinsamkeit: Sie können in der Tiermedizin bisher vor allem symptomatisch therapiert werden. Sobald degenerative Prozesse beginnen, kann mithilfe von konventionellen Methoden keine kurative Therapie erreicht werden. Aus diesem Grund sollte der dritte Abschnitt der Arbeit eine Verbindung zu möglichen zukünftigen Therapien herstellen. Bildgebende Diagnostik ist nicht nur dazu geeignet, Erkrankungen zu erkennen, sondern kann auch Abläufe während der Heilung und Regeneration nachvollziehbar und damit erforschbar machen. Die vorliegenden Untersuchungen fokussieren die Markierung unterschiedlicher Zellen mit unterschiedlichen Markern und unterschiedlichen Modellen. In Hinblick auf regenerative Prozesse wurde besonders der Einsatz von mesenchymalen Stammzellen untersucht. Unter Einsatz von Nanopartikeln konnten mögliche Darstellungen mithilfe von Tracking-Verfahren aufgezeigt werden, die breitflächig auch im klinischen Kontext zur Verfügung stehen. Ein Ziel der Untersuchungen war es, die Methoden in Hinblick auf ihre klinische Anwendbarkeit zu überprüfen. Ein Transfer der Ergebnisse auf klinische Patienten ist damit möglich. Es konnte festgestellt werden, dass humane Stammzellen die größte Zelloberfläche und das größte Volumen aufweisen, gefolgt von Stammzellen von Hund und Pferd. Makrophagen wiesen die kleinsten Dimensionen auf. Im Rahmen der Studien konnte herausgestellt werden, dass zusätzlich die Art der eingesetzten Partikel einen signifikanten Einfluss auf die markierten Zellen nimmt. Es wurde darüber hinaus gezeigt, dass die Toxizität des Materials und die Exozytose der Markierung bei einfacher Markierung durch vorangegangene Endozytose die größten Probleme darstellen. So sind größere Goldnanopartikel als besonders zellschonend zu betrachten. Sie waren gut verträglich und zeigten mit 100 nm und 50 nm Durchmesser einen hohen Grad an Sedimentation, der wiederum zu einer erhöhten Aufnahme durch die Zellen geführt hat. Die Untersuchungen leisten einen Beitrag in der Gegenüberstellung unterschiedlicher Zellen und zeigen auf, welche Tiermodelle ggf. für (u.a. humanmedizinische) Fragestellungen geeignet sein können. Da die Herstellung komplexer Nanopartikel im Moment noch aufwendig und anspruchsvoll ist, kann der Einsatz kommerziell erhältlicher Marker sinnvoll sein. Den Einfluss eines kommerziell erhältlichen Eisenoxidpartikels zeigten die vorletzte und letzte Studie der Arbeit: Demnach wiesen kommerziell erhältliche Eisenoxidpartikel eine gute Markierungseffizienz auf, während der Einfluss auf die Viabilität, Zellteilung und Differenzierung gering war. Limitiert wurde der Partikeleinsatz durch die in den Studien festgestellten Beeinträchtigungen der chondrogenen Differenzierung der Zellen und den Verlust der Markierung durch Exozytose und Zellteilung. Es konnte gezeigt werden, dass die Herkunft der Zellen in Hinblick auf unterschiedliche Spender einen deutlichen und signifikanten Einfluss auf Experimente zur Zellmarkierung hat (p = 0,278). Die Besonderheit bestand vor allem im Zusammenhang von Zellspender und Proliferation (r = 0,87). T2-gewichtete Gradientenecho- und Turbospinechosequenzen waren zur Quantifizierung der Markierung einsetzbar. Die Signalintensität war dabei negativ korreliert mit dem intrazellulären Partikelgehalt. Eine Endorem-Konzentration von 319,2 μg/ml Eisenpartikeln (448 μg/ml SPIO) hatte in einem Zeitraum von 3 Wochen keinen nachteiligen Effekt auf die markierten Zellen. Die Arbeiten konnten deutlich machen, dass Agarose-Gel-Phantome und Kadavermodelle auch bei niedrigeren Feldstärken von 1 Tesla einsetzbar sind. Dabei zeigte sich beim Einsatz von USPIO sowohl in vitro als auch im Defektmodell am Kniegelenk eine deutliche negative Korrelation der Stammzellkonzentration mit der Signalintensität im MRT (p = 0.016). Zum ersten Mal wurden „Kalibrierungskurven“ für erwartete Signalintensitäten bereitgestellt. Die Einzelwerte stimmten gut mit vorangegangenen Studien überein. Gold- und Eisenpartikel haben sich als valide erwiesen. In den vorliegenden Studien konnte zum ersten Mal der Einsatz unterschiedlicher Marker an unterschiedlichen Spezies mit unterschiedlichen bildgebenden Verfahren getestet werden. Als wichtigste Faktoren bei der Markierungseffizienz und Verträglichkeit wurden die Art der Partikel (große sphärische Partikel sind schonend und effizient), Zellart, Zelloberfläche und Zellform, Proliferation, Exozytose und individuelle Einflüsse identifiziert. Mit dem Wissen aus den Ergebnissen der hier dargestellten Studien ist eine Etablierung der Zellmarkierung für klinische Patienten denkbar. Zukünftig könnte die Markierung von Zellen mittels Nanopartikeln auf Basis der vorliegenden Studien weiter untersucht werden. Um die Exozytose und Zellteilung als Minderung der Markierung zu umgehen, könnte eine Markierung der Oberflächenantigene und eine Intra-vitam-Markierung bei der Behandlung von degenerativen Bandscheibenveränderungen oder degenerativen Gelenkerkrankungen aufgrund von Dysplasien Erfolg versprechend sein.