Chirurg*innen vs. Wissenschaftler*innen – Mind the Gap! DKOU Science-Slam 2023

Die Behandlung von Knochendefekten ist nach wie vor eine klinische Herausforderung, die mit hohen Reinterventionsraten, einer hohen Patientenmorbidität und erheblichen Kosten im Gesundheitswesen assoziiert ist [1]. Sowohl chirurgische Techniken als auch nichtstrukturelle und strukturelle Knochenersatzmaterialien werden ständig weiterentwickelt; so konnten etwa kürzlich erste klinische Erfahrungen mit biologisch abbaubaren 3D-gedruckten Knochengerüsten (sog. Knochen-Scaffolds) der Literatur entnommen werden [2‐4]. Seit dem oft als bahnbrechend bezeichneten Workshop für die Biomaterialienwissenschaft im Jahr 1987 in Washington, D.C., USA, der von der National Science Foundation gesponsert wurde und bei dem der Begriff Tissue Engineering zum ersten Mal offiziell geprägt wurde [5], wurden beispielsweise mehr als 50.000 Studien zum Thema Scaffolds veröffentlicht, von denen sich mehr als 40 % auf das Tissue Engineering von Knochen beziehen [6]. Das Konzept des Knochen-Tissue-Engineering wurde erstmals 1993 von Langer und Vacanti vorgestellt und in einem wegweisenden Manuskript in Science veröffentlicht [7]. So bietet das patientenspezifische gerüstträgerbasierte Knochen-Tissue-Engineering („scaffold-guided bone regeneration“ [SGBR]) die Möglichkeit der Regeneration knöcherner Defekte [8]. Biodegradierbare bzw. bioresorbierbare Knochen-Scaffolds gewährleisten so lange strukturelle und biomechanische Stabilität, bis der Degradations- bzw. Resorptionsprozess einsetzt und körpereigenes Gewebe deren Funktion schrittweise übernimmt. Knochen-Scaffolds werden durch Verfahren der additiven Fertigung 3D-gedruckt, was die patientenspezifische Konfiguration der Implantatarchitektur ermöglicht [9]. So können die notwendige Gewebe(neu)formation und -regeneration über einen Zeitraum bis zu einigen Jahren kontrolliert werden, während simultan die entsprechende Knochenregeneration abläuft (Abb. 1; [10]).

Jedoch werden trotz intensiver Forschung – im Jahr 2023 wurden immerhin mehr als 20.000 Studien zum Thema Knochen-Scaffolds und Knochen-Tissue-Engineering veröffentlicht – nur eine Handvoll Innovationen insofern in die klinische Praxis umgesetzt, dass diese tatsächlich „from bench to bedside“ gelangen [11, 12]. Somit ist eine persistierende und kostspielige Translationslücke („translational gap“) zu beobachten ([13, 14]; Abb. 2). Daher war es Ziel dieser dem Science-Slam-Beitrag zugrundeliegende Forschungsarbeit, diese Translationslücke näher zu untersuchen, um substanzielle Rahmenbedingungen für zielgerichtete und (kosten)effiziente zukünftige Forschungsanstrengungen im Bereich Knochenersatzmaterialien aufzuzeigen.

Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen verfügen, basierend auf ihrer akademischen und praktischen Ausbildung, über Expertise in höchst unterschiedlichen Gebieten. Der Arbeitsalltag beider Berufsgruppen gestaltet sich gleichermaßen spezifisch, sie interagieren regelmäßig mit Arbeitsgruppen mit unterschiedlicher Expertise und kommerziellen Interessen aus dem Gesundheitssektor und haben möglicherweise sogar unterschiedliche konzeptionelle und wissenschaftliche Sichtweisen [15]. Diese Herausforderungen sind insbesondere etwa in der Mitte des letzten Jahrhunderts entstanden, denn bis etwa zu den 1950er- und 1960er-Jahren waren Grundlagenforschung und klinische Forschung in Einrichtungen sehr eng miteinander verbunden [16]. So wurde etwa die medizinische Forschung weitgehend von ärztlichen Wissenschaftler*innen betrieben, die auch Patient*innen behandelten. Das änderte sich mit der rasanten Zunahme und Spezialisierung, insbesondere im Bereich der Molekularbiologie in den 1970er-Jahren. Die klinische Forschung und die Grundlagenforschung begannen sich zu trennen, und die biomedizinische Forschung entwickelte sich zu einer eigenständigen Disziplin mit einer eigenen Ausbildung. So wird der größte Teil der biomedizinischen Forschung heute von hochspezialisierten (promovierten) Wissenschaftler*innen durchgeführt, während Mediziner*innen in diesen Forschungsgruppen in der Minderheit sind [16]. Ein weiterer wichtiger Faktor wurde erstmals von C. P. Snow in seiner Rede-Vorlesung (Rede Lecture) an der Universität Cambridge im Jahr 1959 thematisiert: In seinem berühmten Aufsatz „The Two Cultures“ bezeichnet er die Kommunikationsbarriere und das gegenseitige Unverständnis zwischen verschiedenen akademischen Disziplinen als Haupthindernisse für kollektives intellektuelles Wachstum und die Anwendung von umfassendem Wissen auf komplexe Probleme der realen Welt [17, 18].

Diese Bewertungsdifferenzen zwischen Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen können eine mögliche Erklärung dafür sein, dass so wenige Innovationen tatsächlich „from bench to bedside“ gelangen. Dementsprechend wurde die Hypothese aufgestellt, dass diese Translationslücke auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen sehr unterschiedliche Präferenzen und Sichtweisen in Bezug auf den Stand der Technik und das Innovationspotenzial von Behandlungsmöglichkeiten, insbesondere von (3D-gedruckten) Biomaterialien für Knochendefekte, haben. Um unsere Hypothese zu prüfen, haben wir eine webseitenbasierte Umfragestudie durchgeführt.

Es erfolgte eine webseitenbasierte Querschnittserhebung mittels elektronischer Fragebögen. Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen wurden über Netzwerkkontakte und Konferenztreffen rekrutiert und eingeladen, eine Online-Umfrage zum Thema Entscheidungsfindung bei Knochendefektbehandlung („Decision making in bone defect treatment – What is your opinion?“) auszufüllen. Dabei wurde untersucht, inwieweit sich die Präferenzen und Perspektiven in Bezug auf die Möglichkeiten und die Entwicklung von autologen Knochentransplantaten und Knochenersatzprodukten, die regulatorischen und medikolegalen Herausforderungen von 3D-gedruckten Knochen-Scaffolds und die Hindernisse für die Einführung von 3D-gedruckten Medizinprodukten zur Behandlung von Knochendefekten zwischen diesen beiden Gruppen unterscheiden. Alle Daten wurden im Zeitraum vom 22.10.2022 bis 13.03.2023 gesammelt und unter anderem auf dem Deutschen Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU) 2023 im Rahmen des Science-Slam vorgestellt (Abb. 3).

Wie in unserem Science-Slam-Beitrag herausgearbeitet, konnten wir beobachten, dass obwohl die Wissenschaftler*innen im Vergleich zu den Chirurg*innen deutlich jünger waren, beide Gruppen über umfangreiche Erfahrungen mit der Behandlung von Knochendefekten und im Umgang mit Biomaterialien, inklusive solcher aus dem Bereich des Knochen-Tissue-Engineering, hatten. Die Ergebnisse der Umfragestudie haben aufgezeigt, dass insbesondere Wissenschaftler*innen seltener an interdisziplinären Treffen teilnehmen, in deren Rahmen Patientenkasuistiken mit komplexen Knochendefekten besprochen werden. Wissenschaftler*innen waren häufiger der Meinung, dass autologe Knochentransplantate in Zukunft durch Knochenersatzprodukte ersetzt werden können und die entsprechende Knochenersatzproduktentwicklung vielversprechend sei. Sowohl Chirurg*innen als auch Wissenschaftler*innen schätzen die Notwendigkeit von vermehrten präklinischen (Groß)Tierstudien, klinischen Studien als auch der medikolegalen Rechtssicherheit als sehr groß ein, bevor 3D-gedruckte Scaffolds zur Knochenregeneration regelhaft eingesetzt werden können.

Die wertvollen Eigenschaften wie Automatisierung, Geschwindigkeit, Reproduzierbarkeit, Flexibilität bei kleinen Chargen und (potenziell) niedrige Herstellungskosten machen prinzipiell die jüngsten Entwicklungen im Bereich Knochenersatzprodukte und im 3D Druck für orthopädisch-unfallchirurgische Anwendungen sehr attraktiv und schaffen damit die Grundlage für die erfolgreiche Umsetzung vom Labor in die klinische Praxis. Bemerkenswerterweise konnten relevante unternehmerische Herausforderungen für die erfolgreiche Translation in die klinische Anwendung von Knochenersatzprodukten und 3D-gedruckten Knochen-Scaffolds, die noch vor etwa 15 Jahren im „translationalen Tal des Todes“ („Translational Valley of Death“) ([11]; Abb. 2 und 4) beschrieben wurden, inzwischen erfolgreich adressiert werden: (1) die behördliche Zulassung in vielen Ländern konnte verhandelt und patientenorientierte Lösungen gefunden werden und (2) sinnvoll eingesetzte Drittmittelallokationen mit der Finanzierung von (konfirmatorischen) Großtierstudien [19, 20] sowie klinischen Studien [21] können zunehmend beobachtet werden. Nichtsdestotrotz klafft weiterhin zwischen den unzähligen präklinischen Studien und der Anzahl an klinisch tatsächlich verwendeten Knochenersatzprodukten und 3D-gedruckten Knochen-Scaffolds für die Behandlung von Knochendefekten noch eine große Lücke [22]. Diese Translationslücke ist insbesondere relevant vor dem Hintergrund, wie langwierig und kostspielig der Produktentwicklungsprozess ist (Tab. 1). Selbst wenn der steinige Instanzenweg von Forschung, Entwicklung und Zulassung erfolgreich durchlaufen wird, ist das noch keine Garantie dafür, dass ein Produkt klinisch erfolgreich ist oder es überhaupt in die routinemäßige klinische Anwendung schafft, denn Einflussfaktoren wie die Entscheidungsprozesse von Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen müssen erst im Detail verstanden werden, um auch die „kritische Produktimplementierungsphase“ („Implementation Valley of Death“) erfolgreich zu gestalten (Abb. 4; [22]).

Unsere prospektive Umfrage zur Einschätzung der Entwicklung künftiger Biomaterialien und (3D-gedruckter) Implantate für Knochendefekte war daher ein passendes Instrument, um relevante Informationen hinsichtlich des Status quo, für die strategische Vorausschau und die politische Entscheidungsfindung zu sammeln und mehr über künftige Entwicklungen, Meinungen und Verhaltensweisen von Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen zu erfahren. Künftige Strategien und Produkte zur Knochenregeneration sollten nachweislich folgendes bieten (1) eine überlegene Knochenregeneration mit ausgezeichneten klinischen Langzeitergebnissen und (2) vergleichbare Kosten zu bestehenden Methoden [23]. Daher ist das Verständnis der Entscheidungsprozesse von Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen in Bezug auf aktuelle Optionen und künftige Möglichkeiten zur Behandlung von Knochendefekten von entscheidender Bedeutung für eine (kosten-)effektive Produktentwicklung.

Um zukünftige Fehlallokationen von Arbeitsleistungen und Finanzmitteln zu vermeiden, sollten die aufgezeigten Diskrepanzen zwischen Chirurg*innen und Wissenschaftler*innen in Bezug auf die klinische Umsetzung von Biomaterialien und Implantate für Knochendefekte wie folgt angegangen und potenzielle Möglichkeiten zwischen den verschiedenen Fachbereichen genutzt werden: