Biotecnologie in Ortopedia e Traumatologia : dalle attuali evidenze cliniche alle nuove frontiere

1. Biotecnologie in Ortopedia e Traumatologia : dalle attuali evidenze cliniche alle nuove frontiere Il trattamento della pseudoartrosi con cellule mesenchimali Dr Eugenio Boux Dr Alberto Siclari P.O. Di Biella ASLBI

2. “The designation of a delayed union or nonunion is currently made when the surgeon believes the fracture has little or no potential to heal.” si usano i termini ritardo di guarigione o pseudoartrosi nel caso in cui il chirurgo ritenga che la frattura abbia scarso o nessun potenziale di guarigione. Donald Wiss M.D. & William Stetson M.D. Journal American and Orthopedic Surgery 1996

3. Scopo del trattamento della pseudoartrosi : Ripristinare le potenzialità di guarigione di una lesione ! MSCs PRP

4. “ Il miglior trattamento della pseudoartrosi è la prevenzione ! “ Sir John Charnley(1911-1982)

5. Per far guarire una pseudoartrosi • dobbiamo ricordare • come guarisce una frattura !

6. Il processo di guarigione di una frattura La fase infiammatoria La fase riparativa Il rimodellamento Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

7. Il processo di guarigione di una frattura • 1) Faseinfiammatoria • Frattura e reazioneinfiammatoria • Formazione del tessutodigranulazione • 2) Faseriparativa • Formazione del callo • Deposizionediossolamellare • 3) Fasedirimodellamento • Rimodellamentonella forma originale

8. Faseinfiammatoria • I capi ossei sanguinano • Formazione di un ematoma • Infiammazione acuta • Le piastrine , e probabilmente altre cellule rilasciano fattori di crescita e mediatori vasoattivi stimolando la divisione cellulare delle cellule di riserva all’inizio prevalentemente nel periostio .

9. Osteoclastirimuovonol’ossonecrotico I macrofagiremuovonol’ematoma. Circa 8 ore dopoil trauma le cellule cominciano a dividersi e a differenziarsi La divisionecellulareiniziaseguendoilrilasciodimediatorivasoattivi , fattoridicrescita e altrecitochine Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

10. Osteoclastirimuovonol’ossonecrotico • I macrofagirimuovonol’ematoma.

11. Quali sono le sostanze che agiscono in questa fase ? • Interleuchine 1 , 6 • TGF-β • Platelet-derived growth factor ( PDGF )

12. Interleuchine 1, 6 • L' interleuchina 1 (IL-1) è una citochina secreta da vari tipi di cellule del sistema immunitariotra cui macrofagi, monociti e ma anche da fibroblasti e cellule endoteliali. Deve il suo nome al fatto di essere stata la prima citochina a venire scoperta. • La IL 1 ha molteplici effetti a livello sia locale che generale nell'organismo tra cui quello di favorire la vasodilatazione. Inoltre stimola la produzione di prostaglandine da parte di vari tipi di cellule (muscolari, epiteliali, ecc), la produzione di altre citochine quali IL-2 e l'attivazione e il reclutamento di altre cellule del sistema immunitario. • L'interleuchina 6 ha un ruolo primario nella febbre e nelle fase acuta della risposta infiammatoria. È secreta dai macrofagagi; ha proprietà pro-infiammatorie agendo sulle fasce muscolari dei vasi sanguigni

13. TGF Beta • TGFβ è una proteina ( che presenta i sottotipi TGFβ1, TGFβ2 e TGFβ3) che svolge un ruolo fondamentale nella regolazione del sistema immunitario, nella rigenerazione tissutale, nella differenziazione cellulare e nell'embriogenesi. • L'iperespressione del TGFβ è responsabile della sindrome di Marfan una malattia autosomica dominante che colpisce primariamente il tessuto connettivo.

14. PDGF • È il principale mitogeno sierico per le cellule di origine mesenchimale nell'uomo. La proteina biologicamente attiva è un dimero composto da due polipeptidi collegati designati A e B . • E’ contenuto nei granuli alfa delle piastrine. • Stimola la replicazione degli osteoblasti ,promuove l’angiogenesi e la formazione di nuovo tessuto di granulazione , richiama le cellule mesenchimali e ne stimola la differenziazione

15. La fase riparativa Neovascolarizzazione e vasodilatazione locale Migrazionedelle cellule mesenchimali e formazionediosteoblasti Organizzazionedell’ematoma e formazioneditessuto osteogenico e condrogenico Riassorbimentodell’ossomorto e formazionedinuovotessutoosseo

16. Consolidazione – L’osso neoformato è lentamente rimpiazzato da osso maturo , lamellare . La frattura è solida

17. Il rimodellamento Ciclo di rimodellamento dell’osso Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

18. Riassumendo…. Le condizioni per una guarigione sono : 1) una adeguata vascolarizzazione 2) condizioni meccaniche favorevoli 3) presenza di : sostanze osteoconduttive Caratteristica di alcune sostanze che facilitano l’attacco e la migrazione di cellule nel loro interno sostanze osteoinduttive Caratteristica di alcune sostanze che forniscono un segnale biologico per reclutare e influenzare le cellule coinvolte nell’osteo-condrogenesi cellule mesenchimali

19. Vascolarizzazione Condizioni meccaniche Sost. osteoinduttive Sost. osteoconduttive Cellule mesenchimali

20. Vascolarizzazione • Il metabolismo cellulare dipende strettamente dalla tensione di ossigeno presente e dal volume ematico circolante • Condizioni meccaniche • Corretta stabilizzazione della frattura • Sostanze osteo-conduttive • Facilitano l’attacco e la migrazione di cellule • Sostanze osteoinduttive • Forniscono un segnale biologico per reclutare e influenzare le cellule coinvolte nell’osteogenesi

21. Il processo cellulare • Le cellule mesenchimali sotto gli stimoli delle sostanze osteoinduttive usando le sostanze osteoconduttive in condizioni meccaniche favorevoli si trasformano in osteoblasti e producono nuovo osso.

22. Per ristabilire il potenziale di guarigione di una pseudoartrosi dobbiamo fornire gli elementi necessari alla lesione per riavviare il processo di osteogenesi e correggere quando possibile la ragione del fallimento

23. Fattori di rischio • Generali: • Non modificabili : Età, Malattie croniche, sede della lesione • Modificabili : Fumo, Anemia, Malnutrizione • Locali: • Lesione ad alta energia, insufficiente immobilizzazione, devascolarizzazione iatrogena, infezione

24. Trattamento della pseudoartrosi • Trattamento locale e generale dell’infezione • Diminuzione dei fattori di rischio generale

25. Trattamento della pseudoartrosi • Miglioramento della stabilizzazione della lesione

26. Trattamento della pseudoartrosi • Materiale osteoconduttivo ( sostituti d’osso) • Cellule mesenchimali autologhe • Materiale ostoinduttivo (fattori di crescita)

27. Trattamento della pseudoartrosi • Sostituti d’osso : • A base di idrossiapatite e fosfato tricalcico,ceramiche ecc. • Forniscono uno scaffold osteoconduttivo in grado di ospitare gli osteoblasti/osteoprogenitori ( cellule mesenchimali ) • In pasta o in granuli

28. Trattamento della pseudoartrosi • Cellule mesenchimali : • Concentrato di cellule mesenchimali ottenute da aspirato midollare dal bacino . • Elevata componente cellulare : 6-8 volte maggiore rispetto all’aspirato • Muschler GF, Boem C, Easley K. 1997. Aspiration to obtain osteoblast progenitor cells from human bone marrow: the influence of aspiration volume. J. Bone Joint Surg. Am. 79:1699-1709

29. Trattamento della pseudoartrosi • Materiale osteoinduttivo • Fattori di crescita derivati dalle piastrine : • PDGF • Ronnstrand L, Heldin CH. Mechanisms of platelet-derived growth factor-induced chemotaxis. Int J Cancer. 2001;91:757-762. Increased proliferation of human synovial mesenchymal stem cells with autologous human serum: Comparisons with bone marrow mesenchymal stem cells and with fetal bovine serum. Nimura, Akimoto 1; Muneta, Takeshi 1; Koga, Hideyuki 1; Mochizuki, Tomoyuki 1; Suzuki, Koji 2; Makino, Hatsune 3; Umezawa, Akihiro 3; Sekiya, Ichiro 1 Arthritis & Rheumatism. 58(2):501-510, February 2008.

30. Trattamento della pseudoartrosi • I tre componenti si miscelano e si ottiene una pasta di densità variabile a seconda della necessità, applicabile nella sede voluta anche per via percutanea .

31. Trattamento della pseudoartrosi • Goujon E. Recherches expérimentales sur les propriétés physiologiques de lamoelle des os. J AnatPhysiol. 1869;6:399-412. • Friedenstein AJ, Piatetsky-Shapiro II, Petrakova KV. Osteogenesis in transplants of bone marrow cells. J Embryol Exp Morphol 1966;16:381-90.Caplan AI. Mesenchymal stem cells. J Orthop Res 1991;9:641-50. Bruder SP, Kraus KH, Goldberg VM, Kadiyala S. The effect of implants loaded with autologous mesenchymal stem cells on the healing of canine segmental bone defects. J Bone Joint Surg [Am] 1998;80-A:985-96. den Boer FC, Wippermann BW, Blockhuis TJ, et al. Healing of segmental bone defects with granular porous hydroxyapatite augmented with recombinant human osteogenic protein-1 or autologous bone marrow. J Orthop Res 2003;21:521-8. Kon E, Murgalia A, Corsi A, et al. Autologous bone marrow stromal cells loaded onto porous hydroxyapatite ceramic accelerate bone repair in critical-size defects of sheep long bones. J Biomed Mater Res 2000;49:328-37.Goel A, Sangwan SS, Siwach RG, Ali AM. Percutaneous bone marrow grafting in treatment of tibial non-union. Injury 2005;36:203-6.Healey JH, Zimmerman PA, McDonnell JM, Lane JM. Percutaneous bone marrow grafting of delayed union and nonunion in cancer patients. Clin Orthop 1990;256:280-5.Hernigou P, Poignard A, Manicom O. The use of percutaneous autologous bone marrow transplantation in nonunion and concentration of progenitor cells. J Bone Joint Surg [Br] 2005;87-B:896-902. Hernigou P, Poingard A, Beaujean F, Rouard H. Percutaneous autologous bone-marrow grafting for nonunions: influence of the number and concentration of progenitor cells. J Bone Joint Surg [Am] 2005;87-A:1430-7.Connolly JF. Clinical use of marrow osteoprogenitor cells to stimulate osteogenesis. Clin Orthop 1998;355(Suppl):257-66.

32. Trattamento della pseudoartrosi • PERCUTANEOUS AUTOLOGOUS BONE-MARROW GRAFTING FOR NONUNIONS: INFLUENCE OF THE NUMBER AND CONCENTRATION OF PROGENITOR CELLS. • HERNIGOU, PH. MD; POIGNARD, A. MD; BEAUJEAN, F. MD; ROUARD, H. MD Journal of Bone & Joint Surgery - American Volume. 87-A(7):1430-1437, July 2005. • Non union tibiali 53/60 a giuarigione in 4-60 settimane • Early Experience and Results of Bone Graft Enriched With Autologous Platelet Gel for Recalcitrant Nonunions of Lower Extremity. • Chiang, Chao-Ching MD; Su, Chen-Yao DDS, PhD; Huang, Ching-Kuei MD; Chen, Wei-Ming MD; Chen, Tain-Hsiung MD; Tzeng, Yun-Hsuan MD Journal of Trauma-Injury Infection & Critical Care. 63(3):655-661, September 2007. • 12/12 a guarigione da 6 a 21settimane • Nonunions Treated With Autologous Preparation Rich in Growth Factors. • Sanchez, Mikel MD *; Anitua, Eduardo DDS, MD +; Cugat, Ramon MD ++; Azofra, Juan MD *; Guadilla, Jorge MD *; Seijas, Roberto MD ++; Andia, Isabel PhD + Journal of Orthopaedic Trauma. 23(1):52-59, January 2009. • 15/16 a guarigione in 8-24 settimane

33. Caso 1 • Donna 65 anni , frattura sovracondiloidea d’omero trattata incruentemente con apparecchio gessato per 45 gg • Dolore per circa due mesi durente la FKT • Programmata una scintigrafia ossea

34. Trattamento della pseudoartrosi

35. Trattamento della pseudoartrosi • Dolore improvviso insorto a seguito di uno sforzo

36. Trattamento della pseudoartrosi

37. Trattamento della pseudoartrosi

38. Trattamento della pseudoartrosi

39. Caso 2 • DONNA , 53 ANNI • Frattura quarto inferiore gamba da incidente stradale trattat con fissatore esterno

40. Dopo 90 gg rimozione del fissatore esterno , sintesi percutanea con vite e apparecchio gessato

41. Dopo 5 mesi alla rimozione del gesso

42. Trattamento con fissazione interna con metodica M.I.P.O. Ed augmentation biologica . • Guarigione clinica e radiologica dopo 65 gg

43. Grazie a tutti !!