LE NUOVE FRONTIERE DELLA MEDICINA RIGENERATIVA

1. LE NUOVE FRONTIERE DELLAMEDICINA RIGENERATIVA Le pseudoartrosi con l’uso di cellule mesenchimali Dr Alberto Siclari Biella, 5 giugno 2009 AZIENDA SANITARIA di BIELLA ASL BI U.O. di Ortopedia e Traumatologia Direttore Dr Eugenio Boux

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.” Donald Wiss M.D. & William Stetson M.D. Journal American and Orthopedic Surgery 1996

3. Ripristinare il potenziale di guarigione di una lesione è lo scopo del trattamento Con una doverosa premessa.......

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

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

6. Il processo di guarigione di una frattura

7. Formazione dell’ematoma La fase infiammatoria La fase riparativa Il rimodellamento Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

8. La fase infiammatoria La divisionecellulareinizia 8 ore dopoil trauma seguendoilrilasciodimediatorivasoattivi , fattoridicrescitadellafamigliadelle TGF-beta tra cui alcuni tipi di BMP, e da PDGF. Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

9. I fattori di crescita Il termine fattore di crescita si riferisce a proteine capaci di stimolare la proliferazione e il differenziamento cellulare. La funzione principale dei fattori di crescita è il controllo esterno del ciclo cellulare, mediante l'abbandono della quiescenza cellulare (fase G0) e la entrata della cellula in fase G1 (di crescita). Ma questa non è la loro unica funzione infatti regolano l'entrata in mitosii, la sopravvivenza cellulare, la migrazione e il differenziamento cellulari. Insieme alla proliferazione essi promuovono sempre contemporaneamente il differenziamento e la maturazione .

10. La fase infiammatoria BMP (Bone Morphogenetic Proteins ) Attivano la formazione degli SMAD : proteine “messaggere” per le attività cellulari ( trasduttori ) BMP3 : induce formazione di osso BMP7 : stimola la differenziazione in osteoblasti delle cellule mesenchimali Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

11. La fase infiammatoria PDGF (Platelet-derived growth factor ) Proteina che regola la divisione e la crescita delle cellule : 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 Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56. Ronnstrand L, Heldin CH. Mechanisms of platelet-derived growth factor-induced chemotaxis. Int J Cancer. 2001;91:757-762.

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

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

14. Riassumendo…. Le condizioni per una guarigione sono : 1) una adeguata vascolarizzazione 2) condizioni meccaniche favorevoli 3) presenza di : sostanze osteoconduttive (facilitano l’attacco e la migrazione di cellule ) sostanze osteoinduttive (forniscono un segnale biologico per reclutare e influenzare le cellule coinvolte nell’osteogenesi ) cellule mesenchimali

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

16. Il processo cellulare

17. Le cellule mesenchimali • Le cellule staminali mesenchimali ( MSC) sono le cellule di riserva, multipotenti , che attivate si trasformano in varie cellule : osteoblasti, condroblasti,miociti ...

19. 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.

21. Cellule mesenchimali Sostanze osteoinduttive Osteoblasti Condizioni meccaniche Sostanze osteoconduttive Osseo neoformato

22. Il processo di guarigione di una pseudoartrosi

23. Per ristabilire il potenziale di guarigione di una pseudoartrosi dobbiamo : 1) correggere quando possibile la ragione del fallimento 2) fornire gli elementi necessari alla lesione per riavviare il processo di osteogenesi

24. La ragione del fallimento • Quale o quali dei fattori di rischio hanno rallentato il processo di guarigione ?

25. Fattori di rischio • Generali: • Non modificabili : età, malattie croniche, sede della lesione • Modificabili : fumo, anemia, malnutrizione • Locali: • Non modificabili : lesione ad alta energia, devascolarizzazione iatrogena • Modificabili : infezione , insufficiente immobilizzazione

26. Trattamento della pseudoartrosi • 1) fumo , anemia , malnutrizione • 2) trattamento locale e generale dell’infezione

27. Trattamento della pseudoartrosi 3) Miglioramento della stabilizzazione della lesione

28. Trattamento della pseudoartrosi 4) Fornire gli elementi necessari per riattivare il processo di guarigione : sostanze osteoconduttive sostanze osteoinduttive cellule mesenchimali

29. Innesto osseo : due possibilità Osso autologo Osso eterologo, fattori di crescita , cellule mesenchimali

30. Innesto osseo autologo : • Vantaggi : • 1) fornisce sostanze osteoconduttive • 2) fornisce in misura parziale sostanze osteoinduttive • 3) fornisce cellule mesenchimali ( la concentrazione cambia a seconda della sede di prelievo)

31. Innesto osseo : • Svantaggi : • 1) patologia della zona donatrice • 2) aumento rischio operatorio • 3) quantità limitata • 4) numerosità cellulare modesta • 5) fattori di crescita in quantità modesta

32. 1)Patologia zona donatrice • Dolore nel sito del prelievo, seconda cicatrice chirurgica, una maggiore perdita di sangue associata ad una maggiore durata dell’operazione e rischio di infezione. • Dolore presente dal 2,8 % al 37 % • Heary RF, Sclenk MD, Sacchieri. TA, Barone D, Brotea C. Persistent crest donor site pain: indipendent outcome assessment. Neosurgery; 2002 march. 50(3); 510-517.

33. 2) aumento rischio operatorio

34. 3) quantità limitata

35. 4) numerosità cellulare modesta Numerosità cellulare : Osso del bacino : 1/20.000 -1/100.000 cellule presenti sono mesenchimali • Beresford JN. Osteogenic stem cells and the stromal system of bone and marrow.ClinOrthopRelat Res. 1989;240:270-80

36. 5) Fattori di crescita • Sono stati trovati proteine TGF-beta in quantità limitata • Pountos I, Jones E, Tzioupis C, McGonagle D, Giannoudis PV. Editorial: Growing bone and cartilage. The role of mesenchymal stem cells. J Bone Joint Surg [Br] 2006;88-B:421-26.

37. Seconda possibilità • Sostituzione dell’osso autologo con un trapianto non autologo costituito da : • Materiale osteoconduttivo ( sostituti d’osso) • Cellule mesenchimali autologhe • Materiale ostoinduttivo (fattori di crescita)

38. Sostituti d’osso : • A base di osso eterologo • Forniscono uno scaffold osteoconduttivo in grado di ospitare gli osteoblasti/osteoprogenitori ( cellule mesenchimali ) • In pasta , in granuli , forme solide

39. Cellule mesenchimali : • Concentrato di cellule mesenchimali ottenute da aspirato midollare dal bacino . • Elevata componente cellulare : 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

40. 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.

41. L’esperienza

42. 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. • Connolly JF. Clinical use of marrow osteoprogenitor cells to stimulate osteogenesis. Clin Orthop 1998;355(Suppl):257-66. 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.

43. 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 guarigione 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

44. Primo caso clinico • 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

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

47. Trattamento della pseudoartrosi

48. Trattamento della pseudoartrosi

49. Trattamento della pseudoartrosi

50. Secondo caso clinico • Donna di 48 anni , trauma ad alta energia