Sparkling Science

Gemeinsam mit den SchülerInnen der HBLVA Rosensteingasse wollen wir uns einem brisanten Thema der modernen Sportmedizin widmen: Der Heilung und Behandlung von Sehnenverletzungen.

Sehnenverletzungen gehören zu den häufigsten Verletzungen des Bewegungsapparates von Menschen und Pferden. Besonders häufig sind Athleten betroffen. Die derzeit verfügbaren Therapieansätze führen leider nicht zu einer vollständigen Regeneration von verletztem Sehnengewebe sondern nur zu einer Reparatur durch biomechanisch minderwertiges Narbengewebe. Dieses Narbengewebe reduziert die Elastizität von Sehnen was eine hohe Wiederverletzungsrate zur Folge hat (Smith, 2008).

Die Behandlung von Sehnenverletzungen stellt daher ein erhebliches sportmedizinisches Problem sowohl für Pferde als auch menschliche Patienten dar. Viele Patienten ist daher gezwungen nach einer Sehnenverletzung ihre sportliche Karriere zu beenden (Jeffcott et al. 1982; Kasashima et al. 2004; Kvist et al. 1994; Lam et al. 2007; Malvankar et al. 2012).

Besonders häufig treten Sehnenverletzungen bei Rennpferde auf, aber auch eine große Anzahl an Dressur-, oder Springpferden erleiden Sehnenverletzungen (Spaas et al. 2012). Die oberflächliche Beugesehne ist beim Pferd besonders gefährdet (Thorpe et al. 2010). Die Verletzungsrate dieser Struktur liegt je nach sportlicher Beanspruchung zwischen 8 und 43% (Dowling et al., 2000). Durch die Bildung von Narbengewebe als Folge von Verletzungen liegt die Wiederverletzungsrate bei bis zu 80% (Dowling et al., 2000).

Bei Menschen sind 30-50% aller Sportverletzungen Sehnenverletzungen (Spaas et al. 2012). Die Achillessehen, die in ihrer Funkton der oberflächlichen Beugesehne des Pferdes ähnelt, ist besonders bei Eliteläufern gefährdet, wobei die lebenslange Verletzungswahrscheinlichkeit bei 52% und das jährliche Verletzungsrisiko bei 7–10,9% liegen (de Jonge et al. 2011, Lopes et al. 2012). Das Auftreten von Achillessehnenverletzungen hat sich in den letzen Jahren deutlich gehäuft (Goel et al. 2009; Thermann et al. 2000). Schuld daran sind anspruchsvollere Hobbies und zunehmend höhere Belastungen im Wettkampfsport (Thermann et al. 2000). Es scheint auch einen Zusammenhang mit modernen Zivilistationskrankheiten wie Übergewicht, Diabethes und Bluthochdruck, sowie der Einnahme von Östrogen und local verabreichten Steroiden zu bestehen (Holmes et al. 2006).

Dies alles führte dazu, dass Sehnenverletzungen ins Zentrum des Interesses der sogennanten “Regenerativen Medizin” gerückt sind. In diesem Rahmen konnte herausgefunden werden, dass fetale Sehnen ganz im Gegensatz zu adulten vollständig und ohne Bildung von Narbengewebe regenerieren (Beredjiklian 2003; Favata et al. 2006). Die regenerativen Fähigkeiten des fetalen Gewebes, die als Besonderheit von unreifen Geweben angesehen werden (Ansorge et al. 2012), sind daher ein vielversprechendes Model um narbenfreie Sehnen-Heilung zu studieren (Beredjiklian 2003). Eine potenzielle Lösung um die adulte Sehnenheilung zu fördern könnte in der Untersuchung der Heilungsunterschiede von erwachsenen und fetalen Sehnen liegen. 

In Zusammenarbeit mit den SchülerInnen soll nun dieser Diskrepanz auf den Grund gegangen werden. Gemeinsam mit wissenschaftlichen Experten werden sie die Vorgänge der adulten und fetalen Sehnenheilung vergleichen. Es sollen dabei Schlüsselfaktoren identifiziert werden, die die fetale von der adulten Sehnenheilung unterscheidet. Weiters wird untersucht ob sich die gewonnenen Erkenntnisse zukünftig therapeutisch umsetzen lassen. Als Modelltier für das Pferd und den menschen wird hierzu das Schaf eingesetzt.

Das Projekt findet in den Labors der Projektpartner statt, wodurch die SchülerInnen die Möglichkeit bekommen, eingebunden in ein interdisziplinäres Projektteam welches die Zusammenhänge gemeinsam erörtert und begleitet von den jeweiligen Spezialisten die Fragestellung mit modernsten Techniken der Sekretom-, Genexpressions-, zellbiologischen und histologischen Analyse zu bearbeiten. Wichtig ist, dass die „JungforscherInnen“ so nicht nur Wissen empfangen sondern aktiv und selbst wissenschaftliche Ergebnisse produzieren können. Sie sollen die Chance bekommen anhand aktueller wissenschaftlicher Fragestellungen in der Schule erlernte Techniken praktisch anzuwenden und neue kennen zu lernen. Einerseits werden neue regenerativ medizinische Hypothesen getestet, andererseits sollen Grundlagen für neue wissenschaftliche Fragestellungen geschaffen werden.

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Together with students of the HBLVA Rosensteingasse we want to look into a fundamental problem of current sports medicine: The treatment and healing of tendon injuries.

Tendon injuries are amongst the most frequently occurring musculoskeletal injuries in equine as well as human patients and especially in athletes of both species. Current therapies, however, do not lead to tendon regeneration but only to inferior scarring repair causing significantly reduced tendon elasticity and high reinjury rates (Smith, 2008).

This fact poses a fundamental problem in human as well as veterinary sports medicine. In both horses and humans, a considerable number of athletes are forced to end their career early due to tendon injuries (Jeffcott et al. 1982; Kasashima et al. 2004; Kvist et al. 1994; Lam et al. 2007; Malvankar et al. 2012). Especially racing thoroughbreds but also a considerable number of event, dressage and show jumping horses suffer from tendinopathies (Spaas et al. 2012). The equine superficial digital flexor tendon (SDFT) is the structure most at risk for suffering an injury (Thorpe et al. 2010). The incidence of SDFT tendinitis in horses is reported to be as high as 8-43% (Dowling et al., 2000). Injured tendons do not regenerate but form scar tissue with significantly inferior biomechanical properties. Therefore, in horses even after apparent initial recovery, reinjury rates of up to 80% are reported (Dowling et al., 2000).

In human professional as well as recreational athletes 30–50% of all sports related injuries affect tendons (Spaas et al. 2012). The Achilles tendon especially in elite runners is prone to injury with a lifetime risk of up to 52% and an annual incidence rate of 7–10,9% (de Jonge et al. 2011, Lopes et al. 2012). The incidence of Achilles tendon injuries has increased during recent decades (Goel et al. 2009; Thermann et al. 2000) probably owing to more strenuous hobbies and increased strain in competitive sports (Thermann et al. 2000). This is even more concerning as an association seems to exist between Achilles tendinopathies and diseases of our times such as obesity, diabetes mellitus and hypertension, or the supplemental use of estrogen and local or systemic steroids (Holmes et al. 2006).

In recent years the attention of regenerative medical research was drawn towards tendon treatments. It was shown that fetal tissues have the inherent capacity to regenerate without scar formation (Beredjiklian 2003; Favata et al. 2006). The regenerative potential of fetal tissue which is considered to be an inherent property of immature tissue (Ansorge et al. 2012) offers a model to understand scarless healing of tendon tissue (Beredjiklian 2003). Hence, a potential solution for improving adult tendon healing would be defining and utilizing the mechanisms involved in fetal healing (Ansorge et al. 2012; Beredjiklian 2003). It will further our understanding of the ideal environment for tendon regeneration and open new avenues for future approaches to tendon therapies.

Together with the students we will contribute to map these distinct differences. Supervised by scientific experts, the students will compare processes of adult and fetal tendon healing. Aim is to identify key factors in fetal tendon healing processes that are distinct from the adult counterparts. We also hope to further our understanding if and how the identified factors may be applicable for future therapeutic use. The sheep will serve as model for the horse and the human.

The study will be carried out in the laboratories of the project partners, embedding the students into an interdisciplinary team of scientists. Accompanied by specialists in each respective field of the project the students will have the opportunity to approach the scientific questions of interest using the most advanced techniques of secretome-, gene expression-, cell biological and histological analysis.  It is our aim that the students not only gain knowledge but also obtain scientific results through their own work. They will get the chance to hands on use techniques they got to know at school and above that will get to know a variety of new ones.  The envisaged project not only aims at testing new regenerative hypotheses but will also pave the way to raise new exciting research questions.

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Literature

1. Ansorge H.L., Hsu J.E., Edelstein L., Adams S., Birk D.E., Soslowsky L.J. (2012 b);  Recapitulation of the Achilles Tendon Mechanical Properties during Neonatal Development: A Study of Differential Healing during Two Stages of Development in a Mouse Model; Journal of Orthopaedic Research, March,  448-456

2. Beredjiklian P.K., Favata M., Cartmell J.S., Flanagan C.L., Crombleholme T.M., Soslowsky L.J. (2003); Regenerative Versus Reparative Healing in Tendon: A Study ofBiomechanical and Histological Properties in Fetal Sheep; Annals of Biomedical Engineering, Vol. 31, pp. 1143–1152

3. de Jonge S.,van den Berg C., de Vos R. J., van der Heide H. J. L., Weir A., Verhaar J. A. N., Bierma-Zeinstra S. M. A., Tol J. L. (2011); Incidence of midportion Achilles tendinopathy in the general population; Br J Sports Med;45:1026–1028.

4. Dowling,B.A., Dart,A.J., Hodgson,D.R., And Smith,R.K. (2000); Superficial Digital Flexor Tendonitis In The Horse; Equine Vet. J. 32, 369-378.

5. Favata M., Beredjiklian P.K., Zgonis M.H., Beason D.P., Crombleholme T.M., Jawad A.F., Soslowsky L.J. (2006); Regenerative properties of fetal sheep tendon are not adversely affected by transplantation into an adult environment; Journal of Orthopaedic Research, November; 2124-2132

6. Goel, D.P., Chan D., Watson K., Mohtadi N. (2009); Safety and hospital costs of Achilles tendon surgery: the serendipitous impact of a  andomized clinical trial Can J Surg, Vol. 52, No. 6

7. Holmes G.B., Lin J. (2006); Etiologic factors associated with symptomatic achilles tendinopathy; Foot Ankle Int. Nov; 27(11):952-9.

8. Jeffcott L.B., Rossdale P.D., FreestoneJ., Frank C.J., Towers-Clark P.F. (1982); An assessment of wastage in Thoroughbred racing from conception to 4 years of age; Equine Veterinary Journal 14 (3), 185-198

9. Kasashima Y., Takahashi T., Smith R.K.W., Goodship A.E., Kuwano A., Ueno T., Hirano S. (2004); Prevalence of superficial digital flexor tendonitis and suspensory desmitis in Japanese Thoroughbred flat racehorses in 1999; Equine Veterinary Journal, 36 (4), 346-350

10. Kvist M., (1994); Achilles tendon injuries in athletes; Sports Med. Sep;18 (3):173-201

11. Lam, K.H., Parkin, T.D., Riggs, C.M. and Morgan, K.L. (2007) Descriptive analysis of retirement of Thoroughbred racehorses due to tendon injuries at the Hong Kong Jockey Club (1992-2004). Equine vet. J. 39, 143-148.

12. Lopes A.D., Hespanhol Junior L.C., Yeung S.S., Costa L.O.P. (2012); What are the Main Running-Related Musculoskeletal Injuries? Sports Med 2012; 42 (10) 891-905

13. Malvankar S., Kahn W.S. (2012); Evolution of the Achilles Tendon: The athlete`s Achilles heel?; Foot, Dec, 21 (4), 193-197

14. Smith,R.K. (2008); Mesenchymal Stem Cell Therapy For Equine Tendinopathy; Disabil. Rehabil. 30, 1752-1758.

15. Spaas J.H., Guest D.J., van de Walle G.R. (2012); Tendon Regeneration in Human and Equine Athletes; Sports Med 2012; 42, 871-890

16. Thermann H.,·Hüfner T., Tscherne H. (2000); Achillessehnenruptur; Der Orthopäde 29, 3,  235-250

17. Thorpe C.T., Clegg P.D., Birch H.L. (2010); A review of tendon injury: Why is the equine superficial digital flexor tendon most at risk? Equine Veterinary Journal 42 (2) 174-180