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Augmentation von Hartgewebe – ein Überblick über regenerative Verfahren in der Zahnheilkunde
Ein wissenschaftlicher Essay von Ralf Smeets, Deutschland
Durch die Korrektur einer qualitativen oder quantitativen Reduktion des Knochenbetts vor der Implantation kann sich das Implantationsergebnis deutlich verbessern. Neben dem Goldstandard der autologen Knochentransplantate können die derzeit für diesen Zweck zur Verfügung stehenden Knochenersatzmaterialien (KEM) in allogene, xenogene und alloplastische Materialien unterteilt werden. Die Entwicklungen auf dem Gebiet der synthetischen Knochenersatzmaterialien ändern sich ständig, und die Auswahl geeigneter Materialien hängt von der Indikation, der Verfügbarkeit und dem individuellen Behandlungsplan ab. Das gemeinsame Ziel dieser Knochenersatzmaterialien ist es, eine langfristig stabile Verankerung der Implantate im Knochen zu erreichen. Die Kenntnis der Vor- und Nachteile ihrer wichtigsten Eigenschaften in Bezug auf Osteokonduktion, Osteoinduktion und Osteogenese und die richtige Auswahl, die auf diesem Wissen beruht, kann eine qualitativ hochwertige, evidenzbasierte Behandlung sicherstellen.
Autor: Ralf Smeets
Prof. Ralf Smeets
Dr. med. Dr. med. dent.
Geschäftsführender Oberarzt und Leiter der Forschung, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Kopf- und Neurozentrum der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Hamburg, Deutschland. Studium der Chemie (Schwerpunktfach im Hauptstudium: Makromolekulare Chemie) und der Human- und Zahnmedizin an der RWTH Aachen. Facharzt für Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie. Facharzt für Oralchirurgie. Hans-von-Seemen-Preis der Deutschen Gesellschaft für Plastische und Wiederherstellungschirurgie e.V. Seit 2011 geschäftsführender Oberarzt und Leiter der Forschung in der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf. 2011 W2-Universitätsprofessur für MKG-Chirurgie und Oralchirurgie in der Medizinischen Fakultät der Universität Hamburg.
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Einleitung
Zusätzlich zur Notwendigkeit physikalischer und mechanischer Integrität und Stabilität im Hinblick auf eine angemessene Formbarkeit während der Anwendung, früher Belastung und idealer Porosität liegt der Schwerpunkt der aktuellen Forschungsbemühungen auf der Entwicklung optimaler biomolekularer Parameter im Bereich der Osteogenese (Knochenbildung im Transplantat durch Osteoblasten), Osteokonduktion (Schaffung eines Gerüsts zur Vaskularisation des angrenzenden Knochens) und Osteoinduktion (Differenzierung multipotenter Mesenchymzellen zu Osteoblasten durch im Transplantat gebundene Proteine). In einem idealen Szenario interagieren diese Parameter, um eine erfolgreiche Osseointegration des Knochenersatzmaterials während der Heilung zu erreichen. In diesem Fall kann der direkte Verbund des Knochenersatzmaterials mit dem angrenzenden gesunden Knochen ohne Bildung einer trennenden Bindegewebsschicht die bestmögliche Basis für eine langfristig erfolgreiche Implantatversorgung schaffen. Zu den vom Zahnarzt bestimmten implantatbezogenen Indikationen für die Verwendung von Knochenersatzmaterialien gehören vornehmlich horizontale und vertikale Knochendefekte des Alveolarkamms
Autogene Knochenersatzmaterialien
Autogener Knochen gilt als Goldstandard für Hartgewebe-Augmentationstechniken. Abgesehen von der physiologischen Wechselwirkung zwischen den zuvor genannten physikalischen und mechanischen Parametern und der herausragenden Leistung in puncto Osteoinduktion, Osteokonduktion und Osteogenese lassen sich durch die Verwendung von autologem Knochen Komplikationen, wie konträre zelluläre und humorale Immunreaktionen und die Übertragung von Krankheiten, vermeiden. Der Einsatz dieser Transplantate ist jedoch mit gewissen Einschränkungen verbunden: Dazu gehört die Notwendigkeit eines zweiten Eingriffs mit zusätzlichen Risiken, wie Entzündung, Schmerzen oder Empfindungsstörungen an der Entnahmestelle. Je nach Entnahmestelle (retromolar, Unterkiefersymphyse, Beckenkamm) müssen spezielle Vor- und Nachteile in Bezug auf die unterschiedliche biologische Bedeutung und das mögliche Rekonstruktionsvolumen berücksichtigt werden.1,2 Obwohl autogener Knochen immer noch als Goldstandard für den langfristigen Implantationserfolg gewertet wird, haben Studien bei bestimmten Indikationen, wie der lateralen Augmentation oder dem Sinuslift, gezeigt, dass mit dem Einsatz von Knochenersatzmaterialien gleichwertige Ergebnisse erzielt werden können. Bei der Entnahme von autogenem Knochen können sich zudem die Operationszeit und die Hospitalisierungsrate im Falle einer Knochenentnahme aus dem Beckenkamm deutlich verlängern.3,4
Allogene Knochenersatzmaterialien
Um der Spendermorbidität im Zusammenhang mit dem Einsatz autogener Transplantate entgegenzutreten, kann die Verwendung allogener Transplantate in Betracht gezogen werden. Allogen beschreibt die Transplantation zwischen genetisch unterschiedlichen Individuen. Da Transplantate als Medizinprodukte gelten, die z. B. vom Paul-Ehrlich-Institut in Deutschland oder lokalen akkreditierten Gewebebanken zugelassen werden, ist ihr Einsatz sowohl für den Behandler als auch den Patienten garantiert sicher. Das Infektionsrisiko, das sich aus der Übertragung von biologischem Gewebe von Mensch zu Mensch ergibt, sowie die mit einem allogenen Transplantat verbundenen Fraktur- oder Pseudarthroserisiken können jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden.5 Trotz eines strengen Spenderscreenings und strenger Entnahmeprotokolle sowie einer stark kontrollierten Aufbereitungsumgebung sind die Risiken der Krankheitsübertragung bei jedem Schritt vorhanden. Bis heute gibt es keine bekannten Fälle einer Übertragung, die durch aufbereitete, gefriergetrocknete Knochenpräparationen in zahnmedizinischen Anwendungen ausgelöst wurde. Bei der Aufbereitung allogener Knochenersatzmaterialien können im Grunde zwei verschiedene Ansätze verfolgt werden: Das Material wird durch Dekalzifikation von einer bestimmten mineralisierten Knochensubstanz befreit, um das Osteoinduktionspotenzial der im Kollagen verbleibenden Wachstumsfaktoren zu optimieren. Dieser Ansatz der demineralisierten Knochenmatrix (DBM, auch bekannt als demineralisiertes gefriergetrocknetes Knochenallotransplantat, DFDBA) kann der Aufbereitung der mineralisierten Bestandteile des Spendergewebes (mineralisiertes gefriergetrocknetes Knochenallotransplantat, FDBA) gegenübergestellt werden. Bei diesem Ansatz wird das Gewebe von potenziell infektiösen oder immunologisch aktiven Bestandteilen befreit. Dabei bleibt die natürliche Knochenstruktur mit der trabekulären Matrix übrig, wobei sowohl die organische Phase (Kollagen) als auch die mineralische Phase erhalten bleiben.
Da die physikalischen und mechanischen Eigenschaften denen eines autogenen Transplantats entsprechen, gilt allogenes Knochenersatzmaterial in Bezug auf sein Osteokonduktivitätspotenzial als mit autologem Knochen vergleichbar. Ein Knochenersatzmaterial humanen Ursprungs, das in vielen europäischen Ländern erhältlich ist, ist das Produkt maxgraft® der botiss biomaterials GmbH. Dieser aufbereitete allogene Knochenersatz ist in verschiedenen standardisierten Formen wie Granulat, Blöcken, Ringen usw. oder alternativ als individuell gefrästes und geformtes Blocktransplantat erhältlich und kann daher für verschiedene Indikationen verwendet werden. Im Fall grosser Defekte kann eine blockähnliche Matrix aus aufbereitetem humanem Spenderknochen präpariert werden, wodurch sich die invasive Knochenentnahme aus dem Beckenkamm oder Schädelbereich vermeiden lässt. Nach der Auswahl des Organspenders und der Untersuchung des Spenders auf Infektionserreger wie HIV, HBV und HCV wird das Knochenersatzmaterial chemisch gereinigt, präpariert und sterilisiert. Zu einer auf den jeweiligen Defekt zugeschnittenen Lösung gehört die Verwendung eines patientenspezifischen Knochenblocks, der auf der Basis der bildgebenden Untersuchung geplant und dann gefräst wird (maxgraft® bonebuilder, botiss biomaterials GmbH). Als individuelle allogene Transplantatlösung können mittels DVT in der CADCAM-Technik individuelle, an den Patienten angepasste Implantate geschaffen werden. Diese werden von botiss entworfen und dann von der „Cells + Tissuebank Austria“ (C+TBA) hergestellt. Als präfabrizierte Ringstruktur (maxgraft® bonering) ermöglicht das vom Unternehmen botiss gelieferte allogene Transplantat die gleichzeitige Knochenaugmentation und Implantation, wodurch die Notwendigkeit eines zweiten Eingriffs entfällt. Diese Transplantate können bei Sinusboden-Augmentationen oder horizontalen und vertikalen Knochendefekten mit gleichzeitiger Implantatversorgung verwendet werden. Die Ergebnisse aus der aktuellen Fachliteratur sind mit der Verwendung demineralisierter allogener Knochenersatzmaterialien in Sinusboden-Augmentationen vergleichbar. Die Ergebnisse evidenzbasierter Studien unterstützen auch den Einsatz dieser Art von Knochenersatzmaterial für Augmentationen des Alveolarkamms, intraossäre Defekte und Implantatversorgungen.6-9
Xenogene Knochenersatzmaterialien
Im Gegensatz zu allogenem Knochenersatzmaterial ist xenogenes Gewebe tierischen oder pflanzlichen Ursprungs. In diesem Zusammenhang sind Knochenersatzmaterialien bovinen Ursprungs bei Weitem die am häufigsten verwendeten Materialien. Wie bei allogenen Knochenersatzmaterialien wird die Matrixkomponente während der Aufbereitung xenogener Transplantate belassen, um die Osteokonduktion zu steuern. Das trabekuläre Gerüst verbleibt nach der thermischen Aufbereitung. Hier sind die Osteokonduktivität des Gewebes als Leitgerüst für die Gefässbildung und das darauffolgende Einwachsen von Osteoblasten in das Transplantat besonders vorteilhaft. Folglich werden die biomolekularen wirksamen Komponenten deaktiviert, sodass eine Matrix aus Hydroxylapatitkeramik zurückbleibt. Die aufgrund dieser Deaktivierung ausbleibende Übertragung von Krankheitserregern ist besonders nützlich. Ausserdem kann die immunologische Wirkung als gering betrachtet werden. Die meisten kommerziell erhältlichen Produkte sollen eine trabekuläre Matrix für die Knochenneubildung schaffen. Ein Beispiel ist cerabone® (botiss biomaterials GmbH), ein aus bovinem Knochen aufbereitetes Material. Knochenersatzmaterialien aus equinem Knochen oder Meeresalgen stehen ebenfalls zur Verfügung. Die mit Abstand meisten wissenschaftlichen Nachweise liegen für die Gruppe der bovinen xenogenen Knochenersatzmaterialien vor. Bovines Knochenmaterial besitzt physikalische und mechanische Eigenschaften, die denen von humanem Knochen ähneln. In Bezug auf die Osteokonduktion und Vaskularisation können also vergleichbare Ergebnisse erzielt werden.
cerabone® wird in einem einzigartigen Hochtemperaturverfahren präpariert, bei dem zuverlässig potenzielle Infektionserreger entfernt werden und gleichzeitig die natürliche spongiöse Knochenstruktur erhalten bleibt. Dank der verbleibenden trabekulären Stützstruktur kann ein Erhalt des ursprünglichen Knochenersatzvolumens erreicht werden.10, 11 Zu den Vorteilen von cerabone® gehören seine hohe Reinheit und Volumenstabilität, die interkonnektierende Porenstruktur und das aufbereitungsbedingte minimierte Infektionsrisiko.12 Ein gemeinsames Merkmal aller Knochenersatzmaterialien bovinen Ursprungs ist das vergleichsweise geringe Remodellierungspotenzial während der Heilungsphase. Daher bleibt das Knochenersatzmaterial als langsam resorbierbares osteokonduktives Gerüst in situ.
Alloplastische Knochenersatzmaterialien
Alloplastische Knochenersatzmaterialien bestehen aus synthetisch hergestellten Materialien. Durch Nachahmung der trabekulären Knochenmatrix humanen Knochens besitzt das synthetische Material ähnliche osteokonduktive und osteointegrative Eigenschaften. Je nach Ausgangsmaterial können alloplastische Materialien wie folgt unterteilt werden: Keramiken (Tricalciumphosphat, Hydroxylapatit, Biogläser, Glasionomere), Polymere (Polymethylmethacrylat, Polylactide/Polyglykolide und andere Copolymere), Zemente (Calciumphosphatzemente) und Metalle (Titan). Langlebigkeit und Resorbierbarkeit sind bei der Auswahl dieser Materialien besonders wichtig.
Keramiken
Alloplastische Hydroxylapatitkeramiken [Ca10(PO4)6(OH)2] sind die häufigsten Vertreter dieser Gruppe. Beim Sintern von Calciumphosphaten (Hydroxylapatit (HA), α-Tricalciumphosphat (α-TCP) und β-Tricalciumphosphat (β-TCP)) entsteht eine biokompatible, nicht immunogene und langsam resorbierbare Matrix mit osteokonduktiven und osteointegrativen Eigenschaften.13-16 Da Hydroxylapatit in kristalliner Form die Basis für die Hartsubstanz von humanem Knochen bildet und damit etwa 40 % seines Gehalts ausmacht, sind Keramiken dieses Typs wahrscheinliche Kandidaten für die Verwendung als Knochenersatz. Innovative Sinterverfahren können die Bedingungen schaffen, die die Osseointegration und den biologischen Abbau begünstigen. Hier gelten Porendurchmesser von 150–600 μm für diese Zwecke als ideal.14
Ein Vertreter dieser Gruppe ist das kommerziell erhältliche voll synthetische maxresorb® (botiss biomaterials GmbH). maxresorb® besteht aus 60 % Hydroxylapatit (HA) und 40 % ß-Tricalciumphosphat (ß-TCP) und besitzt dank des standardisierten Herstellungsprozesses eine gleichmässige interkonnektierende Porenstruktur. Mit Porengrössen zwischen 200 und 800 μm und einer Gesamtporosität von ~80 % bietet es ein geeignetes Leitgerüst für die Vaskularisation und Zellmigration.18
Indikationen für den Zahnarzt in der Praxis
Um auf die anfangs erwähnten Indikationen für die Anwendung von Knochenersatzmaterialien in der Implantologie zurückzukommen: Die folgenden Empfehlungen können auf der Basis der letzten Leitlinie „Implantologische Indikationen für die Anwendung von Knochenersatzmaterialien“ gegeben werden:
Dehiszenzdefekt (intraossärer Defekt): In den meisten Fällen führte die Anwendung von KEM zu einer vollständigen Defektregeneration.
Horizontale/vertikale Defekte: Die Anwendung von KEM führte nach 6 Monaten zu einem Gewinn an horizontaler (3,6–5,6 mm) und vertikaler Dimension (2,0–5,6 mm) mit Werten von weniger als 5 % Augmentat- und Implantatverlust. Xenogene KEM waren allogenen Transplantaten im Hinblick auf die Knochenneubildung überlegen.
Sinuslift: Xenogene KEM (95,6 %) und allogene KEM (93,3 %) waren alloplastischen Materialien (81 %) überlegen.
Externer Sinuslift: Die Anwendung von KEM führte zu einer kumulativen Implantatüberlebensrate von fast 97 %. Autologer Knochen ist partikulären Transplantaten unterlegen.
Interner Sinuslift: Die Anwendung von KEM führte zu Implantatüberlebensraten von 94,8 bis 100 %. Für den Einsatz von KEM in diesem Zusammenhang wurde keine allgemeine Empfehlung abgegeben.
Es kann daher angenommen werden, dass mit der Anwendung von alloplastischen Knochenersatzmaterialien vor allem bei der Behandlung von alveolären Dehiszenzdefekten (bis zu einer Höhe von 8 mm) und auch bei Sinusliften sehr gute Ergebnisse erzielt werden können. Augmentationen mit rein allogenen Transplantaten in der ganzen vertikal-horizontalen Situation und für recht grosse Defekte sollten kritischer gehandhabt werden. Aktuelle Empfehlungen verweisen auf die Vorteile einer additiven Ergänzung durch allogene KEM in Verfahren mit autologen Knochenersatzmaterialien. Ausgedehnte Defekte sollten im Allgemeinen mit grossporigen KEM rekonstruiert werden, idealerweise mit Porendurchmessern im Bereich von 150 bis 600 μm, um eine bessere Neovaskularisation, Zellpermeation und Osteokonduktion zu erleichtern.
Zusammenfassung
Je nach der individuellen Indikation kann der Zahnarzt derzeit aus vielen verschiedenen evidenzbasierten Knochenersatzmaterialien wählen. Im Grunde können für die Rekonstruktion von Kieferdefekten sowohl natürliche als auch allogene KEM verwendet werden, entweder alleine oder zusätzlich zu endogenem Knochen. Dazu müssen die Vor- und Nachteile und die möglichen Kontraindikationen der jeweiligen Materialgruppen von Fall zu Fall bewertet werden. Bevor der Zahnarzt die Behandlung plant, muss er eine individuelle, patientenorientierte Bewertung der osteogenen Effizienz und der relativen Risiken für den Patienten durchführen, die sich aus der Anwendung allogener oder xenogener Knochenersatzmaterialien ergeben. Aufgrund der Komplexität und Vielschichtigkeit des Themas „Knochenersatzmaterialien“ ist es unabhängig vom letztendlich eingesetzten Material extrem wichtig, vor einer augmentativen Massnahme ein sorgfältiges und umfassendes Aufklärungsgespräch mit dem Patienten zu führen. Relative und ggf. absolute Kontraindikationen für die Anwendung alloplastischer Materialien sind Patienten mit geschwächter Immunabwehr (Immundefizienz, Interleukin-1-Polymorphismus), allgemein schlechte Mundhygiene (nicht erhaltungswürdiger Zahnstatus, schwere chronische Parodontitis), eine Behandlung mit Arzneimitteln, die die Knochenresorption inhibieren (Bisphosphonate) und eine vorangegangene Strahlentherapie im Mund-, Kiefer- und Gesichtsbereich.
Schliesslich sollte betont werden, dass die für die Anwendung eines bestimmten Knochenersatzmaterials richtige Technik von wesentlicher Bedeutung ist. Neben der Wahl des geeigneten Knochenersatzmaterials sind die Anwendung der Membran, die richtigen Inzisionen und das Weichgewebemanagement Schlüsselfaktoren für den langfristigen Erfolg.