Modellierung für verbesserte klinische Entscheidungsfindung bei Kindern mit einer Zerebralparese
Eine Zerebralparese wird durch eine Läsion im sich entwickelnden Kinderhirn verursacht und verändert die neuronalen Muster, welche für die Muskelaktivierung zuständig sind. Da dies zunehmend die Haltung und das muskuloskelettale System beeinträchtigt, werden Alltagsaktivitäten immer schwieriger. Spastik oder ein krankhafter Muskeltonus, verminderte motorische Steuerung und ein gestörter Gleichgewichtssinn beeinträchtigen den Gang und machen das Gehen schwierig. Mit dem Alter nehmen diese Fehlbildungen zu, da unausgeglichene Muskelkräfte und Muskelkontraktionen zu Ausgleichshaltungen führen, die zu fortschreitenden skelettalen Fehlbildungen führen. Das von der EU unterstützte Projekt NORMAL-LOAD hat untersucht, wie die Laufmuster von Kindern mit einer Zerebralparese die Belastung der Oberschenkelknochen beeinflussen. In der Forschung wurde Computermodellierung eingesetzt. Diese kombinierte dreidimensionale Ganganalysen, muskuloskelettale Simulationen und die Finite-Elemente-Methode, um mehr über die Knochenentwicklung dieser Kinder zu erfahren. „Dass mich eine Fachkraft aus der orthopädische Chirurgie am Universitätskrankenhaus Leuven fragte, welche Gangmerkmale die Oberschenkelgeometrie laut meiner Simulationsergebnisse am meisten beeinflussen könnten, führte dazu, dass ich den Wert unserer Arbeit zu schätzen lernte“, sagt Hans Kainz von der Katholischen Universität Löwen.
Mechanisch-Biologische Simulationen
Die Behandlung zur Korrektur muskuloskelettaler Fehlbildungen und zur Verbesserung des Gehens bei Kindern mit einer Zerebralparese beinhaltet oft höchst invasive orthopädische Operationen. Dennoch ist der Erfolg meist bescheiden; viele der behandelten Personen beobachten keine Verbesserung. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen hat sich NORMAL-LOAD der Beantwortung zweier klinischer Forschungsfragen angenommen. Erstens, wie entstehen Fehlbildungen des Oberschenkelknochens? Zweitens, können klinische Eingriffe zur Verringerung der Spastik die muskuloskelettale Belastung verändern und diese Fehlbildungen verhindern? Zuerst wurde ein Modell eines Oberschenkelknochens mithilfe der Magnetresonanztomografie erstellt. Dann wurden Gelenkwinkel und verschiedene Belastungen des Oberschenkelknochens auf Grundlage der Laufmuster von 10 Kindern mit gesunder Entwicklung und solcher mit einer Zerebralparese vor und nach klinischen Eingriffen zur Verringerung der Spastik bestimmt. Aus der zweiten Gruppe erhielten 14 Kinder die Standardbehandlung mit Injektionen von Botulinumtoxin A und 25 eine Operation zur Verringerung der Spastik, bekannt als selektive dorsale Rhizotomie. Eine als Finite-Elemente-Methode bekannte Computermodellierung wurde zur Simulation des Wachstums des Oberschenkelknochens bei unterschiedlicher Belastung verwendet. Der Hauptunterschied wurde bei der Becken- und Hüftbewegung in der mittleren Standphase des Gangzyklus beobachtet. Der Bewegungsablauf von Kindern mit Fehlentwicklung des Oberschenkelknochens führt zu einer weniger nach hinten ausgerichteten Belastung zwischen Hüftgelenk und Oberschenkel, sodass die Streckung von Hüfte und Knie verhindert und ein flüssiger Gang erschwert wird. Zusätzlich konnte das Team aufzeigen, dass die Injektionen geringe Auswirkungen auf das Wachstum des Oberschenkelknochens haben. Die Simulation deutete jedoch darauf hin, dass eine selektive dorsale Rhizotomie ein normaleres Wachstum des Oberschenkelknochens begünstigt.
Leiden und Kosten vermindern
Eine Zerebralparese ist die häufigste neuronale Erkrankung bei Kindern und tritt bei 2-3 aus 1 000 Geburten auf. Die sozio-ökonomischen Kosten sowie die Kosten für lebenslange Pflege werden pro betroffener Person auf etwa 800 000 bis 860 000 EUR geschätzt. „Frühzeitige klinische Eingriffe zur Veränderung der Belastung und somit der Verbesserung des Gangmusters, beispielsweise eine selektive dorsale Rhizotomie, können die Notwendigkeit chirurgischer Korrekturen und somit das Leiden von Kindern mit einer Zerebralparese verringern“, erklärt die Projektleiterin Ilse Jonkers. Einige der Projektergebnisse, wie die Modelle und Abläufe, sind bereits frei erhältlich. Die übrigen Daten (Code, Modelle und Ergebnisse) werden auf der Projektwebsite von NORMAL-LOAD nach Veröffentlichung der wissenschaftlichen Arbeiten hochgeladen. Dies ist derzeit die Priorität des Teams. Bevor der Ablauf von NORMAL-LOAD jedoch in klinischen Studien verwendet werden kann, muss dieser zunächst über medizinische Bildgebung der gleichen Person in unterschiedlichen Zeiträumen weiter validiert werden, um das tatsächlichen Knochenwachstum nachzuvollziehen. Der derzeitige Assistenzprofessor an der Universität Wien, Kainz, betreut eine Doktorarbeit, die sich genau dieser Sache annimmt.
Schlüsselbegriffe
NORMAL-LOAD, Zerebralparese, Gang, Schritt, selektive dorsale Rhizotomie, Operation, Becken, Hüfte, Oberschenkelknochen, muskuloskelettal, Spastik, Finite-Elemente-Methode
