Comparisons of Efficacy between Autograft and Allograft on Defect Repair In Vivo in Normal and Osteoporotic Rats

Abstract

Introduction. W dziedzinie chirurgii ortopedycznej niezbędne jest zastosowanie materiału osteogennego w większych ubytkach. Znane są metody autoprzeszczepu i alloprzeszczepu, przy czym uważa się, że autoprzeszczep jest najlepszym wyborem. Jednak autoprzeszczep wiąże się z dodatkowymi inwazyjnymi procedurami, które mogą okazać się trudne do wykonania u delikatnych pacjentów i mogą powodować miejscowe efekty uboczne po pobraniu kości. Ze względu na wykonalność, zastosowanie alloprzeszczepu jest coraz częstsze, a porównanie skuteczności i różnic między autoprzeszczepem a alloprzeszczepem ma zasadnicze znaczenie dla wyników klinicznych pacjentów. Metoda. Do badania włączono 24 samice norweskich szczurów brunatnych, 12 normalnych i 12 z indukowaną osteoporozą (OP). Indukcję OP weryfikowano in vivo na podstawie frakcji objętości kości (BV/TV) w 90 dniu po ovariektomii (OVX). Pierwotny zabieg chirurgiczny u każdego szczura polegał na wykonaniu otworu o średnicy mm w bliższej kości piszczelowej, obustronnie. Autoprzeszczep i alloprzeszczep były losowo przydzielane do prawej i lewej kości piszczelowej. Po 21 dniach obserwacji, szczury zostały uśmiercone. Próbki kości piszczelowej pobierano, poddawano analizie mikro-CT pod kątem indukcji kostnej i właściwości mikroarchitektonicznych, a następnie osadzano w materiale histologicznym. Wyniki. Indukcja OP została zweryfikowana trzy miesiące po OVX poprzez zmniejszenie BV/TV kości trabekularnej o 68,5% w porównaniu z kością prawidłową. Analiza mikroarchitektoniczna i badania histologiczne nie wykazały istotnych różnic w zdolnościach kościotwórczych pomiędzy autoprzeszczepem i alloprzeszczepem w kości normalnej i osteoporotycznej po 3 tygodniach. Wnioski. Badanie to nie wykazało żadnej różnicy pomiędzy autograftem i allograftem w normalnym lub osteoporotycznym modelu ubytku kości piszczelowej szczura po 21 dniach, sugerując, że allograft jest dobrą alternatywą dla autograftu.

1. Wprowadzenie

Ubytki i uszkodzenia kości mogą być spowodowane urazami, infekcjami lub następstwami artroplastyki. Są one zaliczane do jednych z największych wyzwań klinicznych w chirurgii ortopedycznej. Chirurgia implantologiczna jest terminem ogólnym i obejmuje dużą część operacji interwencyjnych, takich jak naprawa ubytków kostnych w chirurgii ortopedycznej, neurochirurgii, chirurgii jamy ustnej i szczękowej. Szacuje się, że operacje te są wykonywane ponad 2 miliony razy rocznie i mają duży wpływ na pacjentów i wynik ekonomiczny. Kość autoprzeszczepu jest uważana za „żywy” materiał posiadający właściwości osteogeniczne, osteoindukcyjne i osteokondukcyjne i powinna zapewniać najlepsze leczenie, podczas gdy alloprzeszczep składa się z nieaktywnej „martwej” kości o właściwościach głównie osteokondukcyjnych. Pobranie kości do autoprzeszczepu jest jednak dodatkową procedurą inwazyjną, a ilość dostępnej kości jest często niewystarczająca. Autoprzeszczep pobrany z kości grzebienia biodrowego nazywany jest autogennym przeszczepem kości grzebienia biodrowego (autogenous iliac crest bone graft – AICBG). Procedura ta może być związana z takimi problemami jak utrata krwi, ból w miejscu pobrania, ryzyko infekcji i uszkodzenia nerwów. Wykazano, że odsetek niepowodzeń w operacjach przeszczepu kości z autoprzeszczepu wynosi 50% i jest spowodowany różnymi sposobami pobierania, postępowania, metodami implantacji oraz różnicami między stanem pacjenta i żywotnością kości. Ze względu na te komplikacje i wysokie koszty, allogeniczny materiał kostny jest często stosowany jako alternatywny materiał do przeszczepów. Kość allogenna jest pobierana od innych pacjentów w sposób wygodny, bez efektów ubocznych. Jednak ten materiał przeszczepowy ma głównie działanie osteokondukcyjne i wiąże się z potencjalnym ryzykiem przeniesienia choroby, infekcji bakteryjnych, autoimmunologicznej odpowiedzi gospodarza i braku zrostów. Te efekty uboczne są bardziej dotkliwe, ale występują niezwykle rzadko. Teoretycznie, najłagodniejszym sposobem leczenia jest alloprzeszczep. Ze względu na rosnącą liczbę starszych i kruchych pacjentów, konieczne jest zdobycie wiedzy poprzez porównanie ich w odpowiednim modelu ubytku, zarówno w prawidłowych, jak i kruchych strukturach kostnych. Alternatywą zmniejszającą potrzebę pobierania żywych przeszczepów kostnych jest substytucja. Podejście do tego zagadnienia było szerokie, od wykorzystania komórek macierzystych z różnych tkanek do kombinacji z czynnikami wzrostu w modelach zwierzęcych i klinicznych. Jednak żaden substytut nie wykazał stabilnego efektu, który zastąpiłby wszystkie procedury wykorzystujące autoprzeszczep i alloprzeszczep w klinice.

Osteoporoza jest chorobą związaną z wiekiem i stanowi poważny problem zdrowia publicznego związany z coraz starszym wiekiem populacji, a jej częstość występowania i koszty leczenia wzrosną globalnie o 20-30% w 2030 roku. Osteoporoza jest chorobą kości z wyraźnym zmniejszeniem gęstości mineralnej kości. Jest ona spowodowana przez osteoklasty (OC), które resorbują więcej kości niż osteoblasty (OB) mogą wytworzyć, zaburzając stabilność jednostki przebudowy kości (BMU), co prowadzi do braku równowagi pomiędzy resorpcją i tworzeniem kości, a ostatecznie do utraty kości. Stanowi to o znaczeniu stosowania zweryfikowanych modeli i testowania zarówno normalnych, jak i kruchych struktur kostnych dla najlepszej korelacji klinicznej w celu zwiększenia korelacji z odpowiednią sytuacją.

Dotychczas wiedza na temat różnic między autoprzeszczepem a alloprzeszczepem w naprawie ubytków kostnych jest ograniczona.

Niniejsze badanie ma na celu zbadanie wpływu autoprzeszczepu i alloprzeszczepu na naprawę ubytku kości piszczelowej in vivo zarówno u szczurów normalnych, jak i osteoporotycznych. Szczególną uwagę zwrócono na podłużne zmiany mikroarchitektoniczne in vivo pooperacyjnie, po 7 dniach, 14 dniach i 21 dniach. Ocenę przeprowadzono za pomocą skanowania mikro-CT we wszystkich punktach czasowych oraz oceny histomorfometrycznej po eutanazji w 21 dniu. Pierwszorzędowym celem była ocena tworzenia się kości pomiędzy autoprzeszczepem a alloprzeszczepem. Celem drugorzędowym było sprawdzenie indukcji osteoporozy 90 dni po usunięciu jajników. Postawiono hipotezę, że nie było różnic w naprawie ubytków między autoprzeszczepem a alloprzeszczepem zarówno u szczurów normalnych, jak i osteoporotycznych, co może pomóc w ograniczeniu stosowania autoprzeszczepu klinicznie w modelach ubytków zarówno w normalnych, jak i kruchych strukturach kostnych oraz zmniejszyć potrzebę dodatkowych inwazyjnych procedur pobierania materiału.

2. Materiały i metody

2.1. Model zwierzęcy

Do badania włączono dwadzieścia cztery samice szczurów brązowych rasy norweskiej inbred (BN/SsNOlaHsd). Zarówno szczury normalne, jak i osteoporotyczne były w wieku 4 miesięcy, o średniej masie g. Zostały umieszczone i zaaklimatyzowane 2 miesiące przed zabiegiem w Laboratorium Biomedycznym, Uniwersytetu Południowej Danii. Środowisko kontrolowane miało temperaturę 21-28°C, wilgotność 40-60%, oświetlenie włączone od 6.00 do 18.00, dostęp do sterylnej wody i diety normalnej lub ubogiej w Ca ad libitum, odpowiednio. Klatki miały podłogę z trocin i ściółkę. Zwierzęta były codziennie obserwowane pod kątem zmian w zachowaniu lub oznak dyskomfortu przez techników zwierzęcych lub badacza.

2.2. Zatwierdzenie zwierząt

Wszystkie procedury doświadczalne przeprowadzono zgodnie z duńskimi wytycznymi dotyczącymi badań nad zwierzętami. Ten protokół eksperymentalny został zatwierdzony przez Danish Animal Experiments and Inspectorates (nr 2011/561-1959). Niniejszy artykuł jest zgodny z wytycznymi dotyczącymi badań na zwierzętach: Reporting of In Vivo Experiments (ARRIVE) guidelines.

2.3. Materiały do przeszczepów kostnych

2.3.1. Autoprzeszczep

Materiał kostny do autoprzeszczepu został pobrany z obustronnych piszczeli szczura podczas procesu wiercenia w trakcie operacji ubytku kości piszczelowej. Kość poddano sterylnej obróbce, a wióry miały wielkość około 0,5-1 mm. Podczas wypełniania ubytku kości piszczelowej, normalna kość miała wystarczającą objętość z procedury wiercenia, aby wypełnić lukę. Jednak w przypadku szczurów osteoporotycznych, ubytek wymagał dodatkowego wypełnienia materiałem kostnym z kręgów ogonowych. W przypadku szczurów osteoporotycznych, dodatkowy materiał kostny został pozyskany z kręgów ogonowych. Przez małe nacięcie 2 mm dystalnie od mocowania ogona do ciała, usunięto tkankę miękką za pomocą sprzętu chirurgicznego i pocięto na wióry. Zapotrzebowanie na dodatkową kość wynikało z wyraźnej utraty gęstości mineralnej kości po indukcji osteoporozy. Metoda ta jest dobrze znana w przypadku pobierania autologicznej kości do stosowania w modelu szczurzym .

2.3.2. Allograft

Wyprodukowano go z jednej zdrowej brązowej norweskiej samicy szczura. Został on poddany eutanazji pentobarbitalem zgodnie z wytycznymi, a kłykcie kości udowej, piszczelowej i ramiennej zostały pobrane w sterylnych warunkach. Dodatkowe tkanki miękkie zostały starannie usunięte. Kość przygotowano za pomocą młynka do kości (Ossano Scandinavia ApS, Sztokholm, Szwecja). Trabekularną strukturę kostną dzielono na wióry o średnicy 0,5-1 mm i przechowywano w temperaturze 80°C. Przed użyciem zamrożoną kość rozmrażano przez 30 minut i dodawano za pomocą standardów chirurgicznych do ubytku. Wszystkie te procedury przeprowadzono w warunkach aseptycznych w sali chirurgicznej dla małych zwierząt w Laboratorium Biomedycznym Uniwersytetu Południowej Danii.

2.4. Projekt badania

Zastosowano sparowany projekt badania podłużnego, z jedną grupą kontrolną i jedną grupą interwencyjną w każdej kości piszczelowej. W sumie 24 samice szczurów rasy norweskiej (BN/SsNOlaHsd) podzielono na dwie grupy po 12 osobników w normalnej i osteoporotycznej kości. Autoprzeszczep i alloprzeszczep były zaślepione i losowo przydzielone w prawym i lewym ubytku kości piszczelowej, a ponadto zaślepione na etapie oceny (Ryc. 1). Na 13 tygodni przed operacją kości piszczelowej, 12 szczurów otrzymało ovariektomię (OVX) w celu indukcji osteoporozy. Materiał alloprzeszczepu rozmrażano 30 minut przed użyciem, a autoprzeszczep przygotowywano i pobierano w znieczuleniu do pierwotnej operacji ubytku bliższego odcinka kości piszczelowej. W dniu 0, 7, 14 i 21 po operacji wykonywano mikro tomografię komputerową w celu bieżącej oceny. Przy poświęceniu, obustronne próbki proksymalnego ubytku piszczeli zostały pobrane do badań histologicznych i histomorfometrycznych.

Rycina 1

Ilustracja projektu badania. Do badania włączono 24 szczury, które podzielono na grupę normalną lub osteoporotyczną. Po 12 szczurów każda. Każdy szczur miał grupę autoprzeszczepu i alloprzeszczepu w lewej i prawej piszczeli dla łącznie 24 próbek z normalnej kości i 24 próbek dla kości osteoporotycznej. T1 (tydzień 0): dzień operacji; T2 (tygodnie 0, 1, 2, 3): skany mikro-CT; T3: sekcja histologiczna.

2.5. Zabiegi chirurgiczne

2.5.1. Ovariektomia (OVX)

Grzbiet szczura ogolono i zdezynfekowano jodyną i etanolem (70%). Ostre nacięcie o długości około 1 cm wykonano na ogonowej części grzbietu i tępo rozcięto aż do powięzi. Penetrując jamę ciała, pęsetą pobierano jajnik, a następnie podwiązywano go obok jajnika szwem 5,0 ethilon i usuwano. Ranę zamykano dwuwarstwowo. Wszystkie operacje wykonywano o tej samej porze dnia i w tym samym miejscu. Pooperacyjnie szczury były analgetyzowane buprenorfiną (Temgesic, RB Pharmaceuticals Limited, Berkshire, UK), 0,2 ml/100 g masy ciała s.c. w odstępach 8-godzinnych przez kolejne 3 dni. Po ovariektomii szczurom podawano specjalną dietę z niską zawartością wapnia oraz wodę ad libitum. Wywołanie osteoporotycznej struktury kości zostało zweryfikowane po 12 tygodniach i można było rozpocząć operację pierwotnego uszkodzenia kości piszczelowej.

2.5.2. Tibia Proximal Defect

Protokół znieczulenia podczas operacji był zgodny z metodologią operacji OVX.

Bustronne defekty proksymalnej kości piszczelowej wykonano u wszystkich szczurów przy użyciu standardowej procedury chirurgicznej. Obie kończyny zostały odizolowane, ogolone i zdezynfekowane jodyną vet (Kruuse Vet, Dania) i 70% etanolem. Ostre nacięcie i tępa eksploracja przedstawiały przyśrodkową stronę bliższej nasady kości piszczelowej, gdzie na podstawie wyników badania pilotażowego utworzono cylindryczny ubytek o długości 2,8 mm i głębokości 3 mm do przeciwległej skorupy korowej. Zabieg operacyjny w grupie alloprzeszczepów wykonano w pierwszej kolejności, ze względu na pobranie autoprzeszczepów z obu kończyn. W sumie utworzono 48 cylindrycznych ubytków, które wypełniono autoprzeszczepem lub alloprzeszczepem w sposób randomizowany. Ranę zamykano dwuwarstwowo szwem 4.0. Pooperacyjnie, szczury były analgetyzowane buprenorfiną (Temgesic, RB Pharmaceuticals Limited, Berkshire, UK), 0,2 ml/100 g masy ciała s.c. w odstępach 8 godzin przez 4 dni.

2.6. Micro-CT Scanning and Microarchitectural Analysis

Obustronne proksymalne regiony kości piszczelowej skanowano in vivo za pomocą systemu mikrotomograficznego o wysokiej rozdzielczości (vivaCT 40, Scanco Medical AG, Brüttisellen, Szwajcaria).

Skanowanie mikro-CT in vivo w celu oceny rozwoju wzrostu kości u szczurów normalnych i osteoporotycznych przeprowadzono w następujących 4 punktach czasowych: dzień przed operacją (dzień 0), a następnie w 7, 12 i 21 dniu pooperacyjnym.

Ponadto, w celu weryfikacji modelu indukcji osteoporozy, przeprowadzono ocenę podłużną w 3 punktach czasowych: (1) przed operacją OVX w celu ustalenia linii podstawowej gęstości mineralnej kości (dzień 90), (2) przed operacją kości piszczelowej (dzień 7) i (3) po operacji kości piszczelowej (dzień 0).

Podczas skanowania in vivo, szczury były znieczulane izofluranem w systemie zamkniętej skrzynki, 1 L/min tlenu i 4 ml/min izofluranu (IsoFlo vet, Abbott Laboratories Ltd, Berkshire, Anglia) przez 6 minut, z regulacją zgodnie z odruchami szczura. Po pełnej sedacji, szczury umieszczono w pomieszczeniu dla zwierząt przykrytym maską z bieżącą podażą tlenu i izofluranu zgodnie z protokołem. Obszar zainteresowania został utrwalony dla dokładnego skanowania. Obrazy były skanowane w wysokiej rozdzielczości, dając w wyniku rekonstrukcję 3D wielkości voxeli μm3 (piksele) dla 500 plasterków dla reprezentatywnej oceny każdego obszaru uszkodzenia. Czas skanowania dla każdej próbki wynosił 30 minut.

Parametry określone przez ten skan obejmowały właściwości mikroarchitektoniczne kości trabekularnej w celu potwierdzenia indukcji osteoporozy i efektu wzmocnienia kości przez przeszczepy. Obejmowały one objętość kości/objętość tkanki (BV/TV), wskaźnik modelu struktury, gęstość połączeń (CD), grubość trabekularną (TbTh), oddzielenie trabekularne (Tb.Sp), stopień anizotropii (DA), gęstość powierzchni kości, stosunek powierzchni kości do jej objętości (BS/TV), gęstość pozorną i gęstość materiału.

2.7. Histologia i histomorfometria

21 dni po operacji, szczury zostały zeskanowane i uśmiercone pentobarbitalem w przedawkowaniu, zgodnie z protokołem licencyjnym dla zwierząt. Obustronne proksymalne kości piszczelowe wraz z materiałem przeszczepowym i kością utrwalono w formaldehydzie (4%) i zmieniono na sól fizjologiczną buforowaną fosforanami (PBS). Po odwodnieniu i odwapnieniu, próbki utrwalono i zatopiono w parafinie. Próbki były wycinane w 3 kolejnych plasterkach o grubości 3-4 μm i separacji 500 μm. Wszystkie 3 przekroje barwiono hematoksyliną i eozyną (H&E).

Region zainteresowania (ROI) dla histomorfometrii został scharakteryzowany jako pierwotny obszar uszkodzenia kości piszczelowej porównywany pomiędzy autoprzeszczepem i alloprzeszczepem (Figura 2). W obrębie uprzednio zdefiniowanego ROI, frakcje objętości obliczono według zasady Cavalieri’ego przy użyciu sprawdzonego oprogramowania stereologicznego (newCast Visiopharm, Dania) do liczenia punktów, z 300-600 trafieniami na sekcję przy użyciu mikroskopu Olympus BX 51 (Ballerup, Dania) .

Tkanka w obrębie ROI sekcji barwionych HE została sklasyfikowana jako kość, tkanka włóknista, różne, mięśnie lub szpik. Objętość kości została obliczona jako ilość trafień w kość podzielona z całkowitą ilością trafień i podana w procentach.

2.8. Analiza statystyczna

Test dwóch próbek z dwoma ogonami oraz jednokierunkowa ANOVA zostały użyte do porównania ewentualnych różnic między grupami za pomocą GraphPad Prism v. 7 (GraphPad Software, Inc.). Wartość mniejsza niż 5% została uznana za znaczącą.

Wielkość próby obejmowała co najmniej 10 defektów dla każdego przeszczepu. Wybraliśmy włączenie 12 szczurów w każdej grupie ze względu na ryzyko dropoutów. Błąd obliczeniowy pierwszego rodzaju został ustalony na 1,96/95%, a błąd drugiego rodzaju na 0,84 ze względu na wybraną moc 80%. Minimalna istotna różnica i odchylenie standardowe zostały ustalone na 70%. Wyniki

3.1. Obserwacje zwierząt

W sumie cztery z 24 szczurów zmarły w ciągu 3 tygodni pooperacyjnych, w tym po 2 z każdej grupy. Trzy z nich zdechły jako odpowiedź na znieczulenie podczas skanowania mikro-CT in vivo, a jeden zdechł z powodu infekcji. Pozostałe szczury zostały włączone do badania. Podczas okresu obserwacyjnego eksperymentu zwierzęta były codziennie obserwowane przez technika zwierzęcego lub badacza pod kątem jakichkolwiek oznak dyskomfortu lub naruszenia licencji zwierzęcia. Nie zaobserwowano istotnych zmian masy ciała w żadnej z grup po operacji uszkodzenia kości piszczelowej. Szczury narażone na OVX przybrały na wadze w ciągu pierwszych 12 tygodni z g do g ().

3.2. Three-Dimensional Microarchitectural Properties

3.2.1. Indukcja osteoporozy u szczurów

Po 12 tygodniach szczury poddane OVX miały spadek frakcji objętości kości, gęstości połączeń, gęstości powierzchniowej kości i gęstości pozornej () w porównaniu z normalną kością. Wskaźnik modelu strukturalnego wzrósł z typowej płytki, -1,4, do typowego pręta, 3,3. Oddzielenie trabekularne, stopień anizotropii, gęstość materiału i stosunek powierzchni do objętości kości wzrosły (). Grubość trabekularna nie uległa istotnej zmianie () (tab. 1).

3.2.2. Microarchitectural Changes with Autograft and Allograft Treatments

(1) Changes in Microarchitecture in Normal Bone. BV/TV była zmniejszona w ubytkach po alloprzeszczepie w porównaniu z autoprzeszczepem w dniach 0, 7 i 14 (). Jednakże, w dniu 21, nie było statystycznej różnicy między tymi dwiema grupami (Figura 3). Reprezentatywne rekonstrukcje 3D obrazów mikro-CT zostały przedstawione na rycinie 4.

(a)

(b)

(a)
(b)

Ten sam trend dotyczył tkanki łącznotkankowej z obniżoną wartością w dniach 0, 7 i 14 (), ale bez różnicy w dniu 21. Grubość trabekularna była zwiększona we wszystkich punktach czasowych w grupach alloprzeszczepu () i bez różnicy w stopniu anizotropii (Rycina 3).

(2) Zmiany w mikroarchitekturze w kości osteoporotycznej. BV/TV kości osteoporotycznej wykazywała zmniejszenie kości w grupie alloprzeszczepu w dniach 0, 7 i 14 () i brak różnicy po 21 dniach (Ryciny 4 i 5).

Rycina 5

Właściwości mikroarchitektury ubytku leczonego autoprzeszczepem vs. alloprzeszczepem w kości osteoporotycznej. BV/TV: objętość kości/objętość tkanki; CD: gęstość połączeń; TbTh: grubość trabekularna; DA: anizotropia. jest uważana za znaczącą.

Grubość trabekularna była znacząco wyższa w grupie autoprzeszczepu w dniach 0, 14 i 21 (), ale bez różnicy w dniu 7. Gęstość połączeń i stopień anizotropii nie miały znaczącej różnicy w żadnym punkcie czasowym (Figura 5).

3.3. Histologia i histomorfometria

3.3.1. Histologia

Nowe tworzenie się kości zaobserwowano w obszarze ubytku we wszystkich próbkach. Nie było możliwe rozróżnienie pomiędzy pozostałościami przeszczepu a nową kością, natomiast całkowita objętość kości w obszarze ubytku została obliczona jako kość w obrębie ROI (Rycina 1, T3).

3.3.2. Histomorfometria

Objętość kości nie wykazała istotnej różnicy między grupami autoprzeszczepu i alloprzeszczepu w obrębie kości normalnej i osteoporotycznej. Porównując autoprzeszczep i alloprzeszczep z kości normalnej z autoprzeszczepem i alloprzeszczepem w kości osteoporotycznej, stwierdzono istotnie zmniejszoną ilość kości w 21 dniu oceny ().

Średnie tworzenie nowej kości łącznie z materiałem przeszczepu w ubytku w kości normalnej wynosiło 53% dla autoprzeszczepu, natomiast 51% dla alloprzeszczepu. W kości osteoporotycznej, alloprzeszczep miał największą objętość kości ze średnią 35%, podczas gdy autoprzeszczep 33% (Rycina 6). Nie było istotnej różnicy pomiędzy żadnymi innymi mierzonymi parametrami w obrębie ubytku ().

Rycina 6

Histomorfometryczna ocena tworzenia kości w kości normalnej i osteoporotycznej:

4. Dyskusja

W badaniu tym porównano efekty zastosowania autoprzeszczepu i alloprzeszczepu w szczurzym modelu ubytku kości piszczelowej dla najlepszej naprawy ubytku w kości normalnej i osteoporotycznej. Hipoteza zakładała, że nie będzie różnicy w tworzeniu kości przy użyciu autoprzeszczepu lub alloprzeszczepu, niezależnie od tego, czy jest on stosowany w normalnej czy osteoporotycznej kości. Wyniki badań mikro-CT i histomorfometrii nie wykazały istotnej różnicy w zastosowaniu autoprzeszczepu i alloprzeszczepu w ubytku kości piszczelowej po 21 dniach obserwacji, ani w normalnych, ani w osteoporotycznych strukturach kostnych. Skany mikro-CT wykazały jednak zmniejszoną ilość nowej kości w grupie alloprzeszczepów po 0, 7 i 14 dniach.

Gdy badania porównują swoje wynalazki, nie ma zgody co do tego, czy autoprzeszczep czy alloprzeszczep powinien służyć jako złoty standard. Różnica jest przede wszystkim między opiniami akademickimi i klinicznymi i jaki rodzaj wady jest używany w badaniu. Dokonując porównania w ramach tego samego modelu, można uzyskać cenne informacje dla celów akademickich i do zastosowań klinicznych, zwłaszcza ze względu na rosnący nacisk na materiały zastępcze w celu przezwyciężenia wyzwań związanych z wykorzystaniem materiałów do przeszczepów i ich ograniczeń .

Podczas oceny wyników tego badania należy zauważyć, że zarówno w normalnej, jak i osteoporotycznej kości, BV/TV na mikroskanie CT jest znacznie niższa w grupie alloprzeszczepów w dniu 0, co może być spowodowane procesem wypełniania ubytku. Alloprzeszczep uzyskano z kości prawidłowej, a autoprzeszczep od tego samego zwierzęcia z kością prawidłową lub osteoporotyczną. Grubość trabekularna jest mniejsza w grupie autoprzeszczepu w kości normalnej, ale większa w kości osteoporotycznej. Teoretycznie powinno to przynieść odwrotne wyniki niż w przypadku zmniejszonej gęstości w kości osteoporotycznej. Może to być jednak efektem działania frezu kostnego oraz wielkości i mobilności wiórów. Interesującym aspektem jest to, że rozwój od dnia 0 do 21 jest szybszy w grupie alloprzeszczepu z 65,8% wzrostem w porównaniu do tylko 16,4% wzrostu w grupie autoprzeszczepu. W 21. dniu nie ma różnicy między autoprzeszczepem a alloprzeszczepem określonej ilościowo przez histomorfometrię lub analizę mikroarchitektoniczną.

Histomorfometria ujawniła w 21. dniu zmniejszone ogólne tworzenie kości przy próbie zastosowania materiałów przeszczepowych w kości osteoporotycznej (Ryc. 6). Ponownie należy zauważyć, że alloprzeszczep pochodzi od zdrowego dawcy, a mimo to zapewnia znacznie mniejszą regenerację niż w normalnej kości. To doskonale podkreśla potrzebę testowania materiałów do przeszczepów lub wyrobów medycznych w kości osteoporotycznej, aby móc ocenić ich pełną skuteczność. Jednak to badanie materiału przeszczepowego zarówno w prawidłowej, jak i osteoporotycznej tkance kostnej wydaje się być pozbawione potencjału regeneracyjnego.

Indukcja osteoporozy w modelu szczurzym została wcześniej zweryfikowana, co ilustruje znaczenie obserwacji do momentu indukcji. Kinney i wsp. badali zmiany w kości trabekularnej spowodowane OVX i stwierdzili, że procedura OVX prowadzi do natychmiastowego i ciągłego zmniejszenia kości trabekularnej, a po 50 dniach szczury OVX straciły 50% objętości kości bez efektu odbicia. Campbell i wsp. ustalili szczegółowy podłużny przebieg czasowy utraty kości w modelu szczurzym OVX w ciągu dwunastu tygodni. Wyniki tego badania wskazują, że zmiany mikroarchitektoniczne zachodzą w ciągu pierwszych 12 tygodni po OVX w modelu szczurzym. W związku z tym, przy obserwacji 21 dni, nie oczekuje się efektu odbicia.

Obecna wiedza w zakresie stosowania alloprzeszczepów i autoprzeszczepów jest taka, że badania weryfikują różne wyniki w zależności od lokalizacji. W kranioplastyce, alloprzeszczep okazał się lepszy; w więzadle przednim zasadniczym (ACL), autoprzeszczep wykazał lepszy efekt w tworzeniu kości, podczas gdy w więzadle tylnym zasadniczym (PCL), wyniki są równe pomiędzy tymi dwoma przeszczepami. W związku z tym, podczas porównywania wyników w celu wdrożenia klinicznego, użycie właściwego przeszczepu jest niezbędne dla prawidłowych porównań. Optymalne wyniki zostaną uzyskane poprzez użycie obu przeszczepów zarówno dla kontroli pozytywnej jak i negatywnej. To sprawi, że wpływ kliniczny będzie wyższy i zapewni ogólnie przekonujące wyniki.

W obliczu wdrożenia klinicznego, wymagane jest ponadto skupienie się na wyniku ekonomicznym i związanym z pacjentem. Koszt użycia autoprzeszczepu jest niższy w, na przykład, operacjach ACL, ale możliwy efekt uboczny przy pobieraniu autoprzeszczepu jest związany z raczej poważnymi skutkami ubocznymi. Stawia to przed nami dylemat wyboru metodologii pobierania autoprzeszczepu, ale jeszcze bardziej wymusza potrzebę znalezienia innego substytutu, który zastąpiłby oba materiały przeszczepowe. Obecna inżynieria tkankowa i biomateriały z komórkami macierzystymi mogą dać nową nadzieję na regenerację kości.

Mocną stroną tego badania jest standaryzowany model uszkodzenia kości piszczelowej u szczurów i dobrze zweryfikowana indukcja osteoporozy. Jednak nic w tej pracy nie opiera się na wcześniejszych wynikach, a indukcja osteoporozy jest weryfikowana przez ten sam skaner, który ocenia wyniki w grupach interwencyjnych. Oznacza to, że wiarygodność wyników tego badania wzrasta. Co więcej, wyniki i te same metody są testowane w różnych typach struktury kostnej, co pozwala na najlepsze porównanie materiału przeszczepowego, zwłaszcza że alloprzeszczep w normalnej i osteoporotycznej kości pochodzi od tego samego dawcy.

Ograniczenia to brak pustego ubytku, który mógłby wykazać podstawową skuteczność potencjału regeneracyjnego kości bez przeszczepów kostnych zarówno w normalnej, jak i osteoporotycznej kości. Jednakże, celem tego badania jest porównanie potencjalnej skuteczności pomiędzy materiałami przeszczepowymi, a nie według określonej linii bazowej dla modelu projektowego. Kolejnym ograniczeniem jest znacząca różnica w dniu 0 pomiędzy grupami. Ale kiedy ocena jest ograniczona do 21 dni i alloprzeszczepowi udaje się zapewnić takie same wyniki w tak krótkim czasie, a zatem wyniki są potwierdzone w tym modelu.

5. Wnioski

W badaniu tym stwierdzono, że autograft i allograft mają podobne zdolności kościotwórcze przy obserwacji 21 dni w ubytku kości piszczelowej w modelu szczurzym, co sugeruje, że allograft może być dobrą alternatywą dla alloprzeszczepu. Ponadto, operacja OVX dla trwałej indukcji osteoporozy w modelu szczurzym jest metodą wykonalną.

Dostępność danych

Dane do tego badania zostały przeanalizowane przez histomorfometrię i wszystkie dane są przechowywane w Ortopedycznym Laboratorium Badawczym, Departamencie Ortopedii & Traumatologii, Szpitalu Uniwersyteckim w Odense, Instytucie Badań Klinicznych, Uniwersytecie Południowej Danii w plikach danych z VisioPharm, Dania weryfikując każde zliczenie i statystyki wykonane dla analiz włączonych do tego badania. Skany mikro-CT są dużymi plikami przechowywanymi na taśmach TB. Wszystkie dane użyte do poparcia wyników tego badania są dostępne na żądanie u autora odpowiadającego.

Konflikt interesów

Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów.

Podziękowania

Chcielibyśmy podziękować personelowi Laboratorium Biomedycznego, Uniwersytetu Południowej Danii, zwłaszcza Anne Mette Durand, za podzielenie się wiedzą fachową. Ponadto dziękujemy Gitte Højlund Reinberg za wsparcie podczas całego badania. Badanie to zostało wsparte przez Danish Health Research Council (SSVF22-04-0705, MD).