LE NUOVE FRONTIERE DELLA MEDICINA RIGENERATIVA Biella, 5 giugno 2009 AZIENDA SANITARIA di BIELLA ASL...

LE NUOVE FRONTIERE DELLALE NUOVE FRONTIERE DELLAMEDICINA RIGENERATIVA MEDICINA RIGENERATIVA

Biella, 5 giugno 2009 AZIENDA SANITARIA di BIELLA

ASL BIU.O. di Ortopedia e Traumatologia

Direttore Dr Eugenio Boux

Le pseudoartrosi con l’uso di cellule mesenchimali

Dr Alberto Siclari

““The designation of a delayed The designation of a delayed union or nonunion is currently union or nonunion is currently made when the surgeon believes made when the surgeon believes the fracture has the fracture has little or no little or no potential to healpotential to heal.”.”

Donald Wiss M.D. & William Stetson M.D.Donald Wiss M.D. & William Stetson M.D.

Journal American and Orthopedic Surgery 1996Journal American and Orthopedic Surgery 1996

Ripristinare il potenziale di guarigione di una

lesione è lo scopo del

trattamento

Con una doverosa premessa.......

Sir John Charnley Sir John Charnley (1911-1982)(1911-1982)

“ Il miglior trattamento della pseudoartrosi è la

prevenzione ! “

•Per far guarire una pseudoartrosi dobbiamo sapere

come guarisce una frattura !

Il processo di guarigione di una frattura

Formazione dell’ematomaFormazione dell’ematoma

La fase infiammatoria La fase infiammatoria

La fase riparativa La fase riparativa

Il rimodellamento Il rimodellamento

Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

La fase infiammatoriaLa fase infiammatoria La divisione cellulare inizia 8 ore dopo il La divisione cellulare inizia 8 ore dopo il

trauma seguendo il rilascio di mediatori trauma seguendo il rilascio di mediatori vasoattivi , fattori di crescita della famiglia delle vasoattivi , fattori di crescita della famiglia delle TGF-beta tra cui alcuni tipi di BMP, e da TGF-beta tra cui alcuni tipi di BMP, e da PDGF.PDGF.


I fattori di crescita I fattori di crescita

Il termine Il termine fattore di crescitafattore di crescita si riferisce a proteine capaci di si riferisce a proteine capaci di stimolare la proliferazione e il stimolare la proliferazione e il differenziamento cellulare..

La funzione principale dei fattori di crescita è il controllo esterno del La funzione principale dei fattori di crescita è il controllo esterno del ciclo cellulare, mediante l'abbandono della quiescenza cellulare , mediante l'abbandono della quiescenza cellulare (fase G0) e la entrata della cellula in fase G1 (di crescita). Ma (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 questa non è la loro unica funzione infatti regolano l'entrata in mitosii, la sopravvivenza cellulare, la migrazione e il mitosii, la sopravvivenza cellulare, la migrazione e il differenziamento cellulari.differenziamento cellulari.

Insieme alla proliferazione essi promuovono sempre Insieme alla proliferazione essi promuovono sempre contemporaneamente il differenziamento e la maturazione .contemporaneamente il differenziamento e la maturazione .

La fase infiammatoriaLa fase infiammatoria

BMP (Bone Morphogenetic Proteins ) BMP (Bone Morphogenetic Proteins )

Attivano la formazione degli SMAD : proteine Attivano la formazione degli SMAD : proteine “messaggere” per le attività cellulari ( trasduttori ) “messaggere” per le attività cellulari ( trasduttori )

BMP3 : induce formazione di osso BMP3 : induce formazione di osso

BMP7 : stimola la differenziazione in osteoblasti delle BMP7 : stimola la differenziazione in osteoblasti delle cellule mesenchimali cellule mesenchimali


La fase infiammatoriaLa fase infiammatoria

PDGF (Platelet-derived growth factor ) PDGF (Platelet-derived growth factor )

Proteina che regola la divisione e la crescita Proteina che regola la divisione e la crescita delle cellule : stimola la replicazione degli delle cellule : stimola la replicazione degli osteoblasti ,promuove l’angiogenesi e la osteoblasti ,promuove l’angiogenesi e la formazione di nuovo tessuto di granulazione , formazione di nuovo tessuto di granulazione , richiama le cellule mesenchimali e ne stimola la richiama le cellule mesenchimali e ne stimola la differenziazione differenziazione Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.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.Ronnstrand L, Heldin CH. Mechanisms of platelet-derived growth factor-induced chemotaxis. Int J Cancer. 2001;91:757-762.

La fase riparativaLa fase riparativa

Neovascolarizzazione e vasodilatazione localeNeovascolarizzazione e vasodilatazione localeMigrazione delle cellule mesenchimali e Migrazione delle cellule mesenchimali e formazione di osteoblasti formazione di osteoblasti Organizzazione dell’ematoma Organizzazione dell’ematoma

e formazione di tessutoe formazione di tessuto osteogenico e condrogenicoosteogenico e condrogenico

Riassorbimento dell’osso mortoRiassorbimento dell’osso morto e formazione di nuovo tessuto osseoe formazione di nuovo tessuto osseo

Il rimodellamentoIl rimodellamento

Ciclo di rimodellamento dell’osso

Einhorn TA. Enhancement of fracture-healing. J Bone Joint Surg [Am] 1999;77-A:940-56.

Riassumendo….Riassumendo….

Le condizioni per una guarigione sono :Le condizioni per una guarigione sono :

1) una adeguata vascolarizzazione1) una adeguata vascolarizzazione

2) condizioni meccaniche favorevoli2) condizioni meccaniche favorevoli

3) presenza di :3) presenza di :

sostanze osteoconduttive sostanze osteoconduttive (facilitano (facilitano l’attacco e la migrazione di cellule )l’attacco e la migrazione di cellule )

sostanze osteoinduttive sostanze osteoinduttive ( (forniscono un forniscono un segnale biologico per reclutare e influenzare le segnale biologico per reclutare e influenzare le

cellule coinvolte nell’osteogenesi )cellule coinvolte nell’osteogenesi )

cellule mesenchimali cellule mesenchimali

Vascolarizzazione

Condizioni meccaniche

Sost. osteoinduttiveSost. osteoconduttiveCellule mesenchimali

Il processo cellulare

Le cellule mesenchimaliLe cellule mesenchimali

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

Le Le cellule mesenchimali cellule mesenchimali sotto gli stimoli sotto gli stimoli delle sostanze delle sostanze osteoinduttiveosteoinduttive , ,

usando le sostanze usando le sostanze osteoconduttiveosteoconduttive , ,

in condizioni meccaniche favorevoli in condizioni meccaniche favorevoli

si trasformano in osteoblasti e si trasformano in osteoblasti e

producono nuovo osso.producono nuovo osso.

Sostanze osteoinduttive

Cellule mesenchimali

Osteoblasti

Sostanze osteoconduttive

Condizioni meccaniche

Osseo neoformato

Il processo di guarigione di una pseudoartrosi

Per ristabilire il potenziale di guarigionePer ristabilire il potenziale di guarigione di una pseudoartrosi dobbiamo : di una pseudoartrosi dobbiamo :

1) correggere quando possibile la ragione 1) correggere quando possibile la ragione del fallimentodel fallimento

2) fornire gli elementi necessari 2) fornire gli elementi necessari alla lesione per riavviare il processo di alla lesione per riavviare il processo di osteogenesi osteogenesi

La ragione del fallimentoLa ragione del fallimento

Quale o quali dei fattori di rischio hanno Quale o quali dei fattori di rischio hanno rallentato il processo di guarigione ? rallentato il processo di guarigione ?

Fattori di rischio Fattori di rischio

Generali:Generali:

Non modificabili : Non modificabili : età, malattie croniche, sede età, malattie croniche, sede della lesione della lesione

Modificabili : Modificabili : fumo, anemia, malnutrizionefumo, anemia, malnutrizione

Locali:Locali:

Non modificabili Non modificabili : lesione ad alta energia, : lesione ad alta energia, devascolarizzazione iatrogena devascolarizzazione iatrogena

ModificabiliModificabili : infezione : infezione , , insufficiente insufficiente immobilizzazione immobilizzazione

Trattamento della pseudoartrosiTrattamento della pseudoartrosi

1) fumo , anemia , malnutrizione1) fumo , anemia , malnutrizione

2) trattamento locale e generale 2) trattamento locale e generale dell’infezione dell’infezione

Trattamento della pseudoartrosiTrattamento della pseudoartrosi3) Miglioramento della stabilizzazione della 3) Miglioramento della stabilizzazione della

lesionelesione


4) Fornire gli elementi necessari per 4) Fornire gli elementi necessari per riattivare il processo di guarigione :riattivare il processo di guarigione :

sostanze osteoconduttivesostanze osteoconduttive

sostanze osteoinduttive sostanze osteoinduttive

cellule mesenchimalicellule mesenchimali

Innesto osseo :Innesto osseo :

due possibilitàdue possibilità

Osso autologoOsso eterologo, fattori

di crescita , cellule mesenchimali

Innesto osseo autologo : Innesto osseo autologo :

Vantaggi :Vantaggi :

1) fornisce sostanze osteoconduttive1) fornisce sostanze osteoconduttive

2) fornisce in misura parziale sostanze 2) fornisce in misura parziale sostanze osteoinduttiveosteoinduttive

3) fornisce cellule mesenchimali ( la 3) fornisce cellule mesenchimali ( la concentrazione cambia a seconda della sede di concentrazione cambia a seconda della sede di prelievo) prelievo)

Innesto osseo : Innesto osseo :

Svantaggi : Svantaggi :

1) patologia della zona donatrice1) patologia della zona donatrice

2) aumento rischio operatorio2) aumento rischio operatorio

3) quantità limitata3) quantità limitata

4) numerosità cellulare modesta 4) numerosità cellulare modesta

5) fattori di crescita in quantità modesta 5) fattori di crescita in quantità modesta

1)Patologia zona donatrice 1)Patologia zona donatrice

Dolore nel sito del prelievo, seconda Dolore nel sito del prelievo, seconda cicatrice chirurgica, una maggiore perdita cicatrice chirurgica, una maggiore perdita di sangue associata ad una maggiore di sangue associata ad una maggiore durata dell’operazione e rischio di durata dell’operazione e rischio di infezione. infezione.

Dolore presente dal 2,8 % al 37 %Dolore presente dal 2,8 % al 37 % Heary RF, Sclenk MD, Sacchieri. TA, Barone D, Brotea CHeary RF, Sclenk MD, Sacchieri. TA, Barone D, Brotea C . Persistent crest donor site pain: . Persistent crest donor site pain:

indipendent outcome assessment. indipendent outcome assessment. NeosurgeryNeosurgery; 2002 march. ; 2002 march. 50(3); 510-517.50(3); 510-517.

2) aumento rischio operatorio2) aumento rischio operatorio

3) quantità limitata3) quantità limitata

4) numerosità cellulare modesta4) numerosità cellulare modesta

Numerosità cellulare : Numerosità cellulare :

Osso del bacino : 1/20.000 -1/100.000 Osso del bacino : 1/20.000 -1/100.000 cellule presenti sono mesenchimali cellule presenti sono mesenchimali

Beresford JN. Osteogenic stem cells and the stromal system of bone and marrow.Clin Orthop Relat Res. 1989;240:270-80Beresford JN. Osteogenic stem cells and the stromal system of bone and marrow.Clin Orthop Relat Res. 1989;240:270-80

5) Fattori di crescita5) Fattori di crescita

Sono stati trovati proteine TGF-beta in Sono stati trovati proteine TGF-beta in quantità limitataquantità limitata

Pountos I, Jones E, Tzioupis C, McGonagle D, Giannoudis PV. Editorial: Growing bone and cartilage. The role of mesenchymal stem 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.cells. J Bone Joint Surg [Br] 2006;88-B:421-26.

Seconda possibilitàSeconda possibilità

Sostituzione dell’osso autologo con un Sostituzione dell’osso autologo con un trapianto non autologo costituito da : trapianto non autologo costituito da :

Materiale osteoconduttivo ( sostituti Materiale osteoconduttivo ( sostituti d’osso) d’osso)

Cellule mesenchimali autologhe Cellule mesenchimali autologhe

Materiale ostoinduttivo (fattori di crescita) Materiale ostoinduttivo (fattori di crescita)

Sostituti d’osso :Sostituti d’osso :

A base di osso eterologo A base di osso eterologo

Forniscono uno scaffold osteoconduttivo in Forniscono uno scaffold osteoconduttivo in grado di ospitare gli grado di ospitare gli osteoblasti/osteoprogenitori ( cellule osteoblasti/osteoprogenitori ( cellule mesenchimali ) mesenchimali )

In pasta , in granuli , forme solide In pasta , in granuli , forme solide

Cellule mesenchimali :Cellule mesenchimali :

Concentrato di cellule mesenchimali Concentrato di cellule mesenchimali ottenute da aspirato midollare dal bacino .ottenute da aspirato midollare dal bacino .

Elevata componente cellulare : 8 volte Elevata componente cellulare : 8 volte maggiore rispetto all’aspirato maggiore rispetto all’aspirato

Muschler GF, Boem C, Easley K. 1997. Muschler GF, Boem C, Easley K. 1997. Aspiration to obtain osteoblast progenitor cells from human bone marrow: the influence Aspiration to obtain osteoblast progenitor cells from human bone marrow: the influence of aspiration volumeof aspiration volume. . J. Bone Joint Surg. Am. J. Bone Joint Surg. Am. 79:1699-170979:1699-1709


Materiale osteoinduttivo Materiale osteoinduttivo

Fattori di crescita derivati dalle piastrine : Fattori di crescita derivati dalle piastrine :

PDGF PDGF

Ronnstrand L, Heldin CH. Mechanisms of platelet-derived growth factor-induced chemotaxis. Int J Cancer. 2001;91:757-762.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 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; 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.Suzuki, Koji 2; Makino, Hatsune 3; Umezawa, Akihiro 3; Sekiya, Ichiro 1 Arthritis & Rheumatism. 58(2):501-510, February 2008.

L’esperienza

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Caplan AI. Mesenchymal stem cells. J Orthop Res 1991;9:641-50.Caplan AI. Mesenchymal stem cells. J Orthop Res 1991;9:641-50.

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Hernigou P, Poingard A, Beaujean F, Rouard H. Percutaneous autologous bone-marrow grafting for nonunions: influence of the number and 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.concentration of progenitor cells. J Bone Joint Surg [Am] 2005;87-A:1430-7.

PERCUTANEOUS AUTOLOGOUS BONE-MARROW GRAFTING FOR NONUNIONS: INFLUENCE OF THE PERCUTANEOUS AUTOLOGOUS BONE-MARROW GRAFTING FOR NONUNIONS: INFLUENCE OF THE NUMBER AND CONCENTRATION OF PROGENITOR CELLS. NUMBER AND CONCENTRATION OF PROGENITOR CELLS.

HERNIGOU, PH. MD; POIGNARD, A. MD; BEAUJEAN, F. MD; ROUARD, H. MD 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.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 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 Early Experience and Results of Bone Graft Enriched With Autologous Platelet Gel for Recalcitrant Nonunions of Lower Extremity. Lower Extremity.

Chiang, Chao-Ching MD; Su, Chen-Yao DDS, PhD; Huang, Ching-Kuei MD; Chen, Wei-Ming MD; Chen, Tain-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 Hsiung MD; Tzeng, Yun-Hsuan MD Journal of Trauma-Injury Infection & Critical Care. 63(3):655-661, September 2007.Journal of Trauma-Injury Infection & Critical Care. 63(3):655-661, September 2007.

12/12 a guarigione da 6 a 21settimane12/12 a guarigione da 6 a 21settimane

Nonunions Treated With Autologous Preparation Rich in Growth Factors. Nonunions Treated With Autologous Preparation Rich in Growth Factors.

Sanchez, Mikel MD *; Anitua, Eduardo DDS, MD +; Cugat, Ramon MD ++; Azofra, Juan MD *; Guadilla, Jorge Sanchez, Mikel MD *; Anitua, Eduardo DDS, MD +; Cugat, Ramon MD ++; Azofra, Juan MD *; Guadilla, Jorge MD *; Seijas, Roberto MD ++; Andia, Isabel PhD + MD *; Seijas, Roberto MD ++; Andia, Isabel PhD + Journal of Orthopaedic Trauma. 23(1):52-59, January 2009.Journal of Orthopaedic Trauma. 23(1):52-59, January 2009.

15/16 a guarigione in 8-24 settimane 15/16 a guarigione in 8-24 settimane

Primo caso clinico Primo caso clinico

Donna 65 anni , frattura sovracondiloidea Donna 65 anni , frattura sovracondiloidea d’omero trattata incruentemente con d’omero trattata incruentemente con apparecchio gessato per 45 gg apparecchio gessato per 45 gg

Dolore per circa due mesi durente la FKT Dolore per circa due mesi durente la FKT

Programmata una scintigrafia ossea Programmata una scintigrafia ossea


Dolore improvviso insorto a seguito di uno Dolore improvviso insorto a seguito di uno sforzo sforzo

Secondo caso clinico Secondo caso clinico

Donna di 48 anni , trauma ad alta energia Donna di 48 anni , trauma ad alta energia

LE NUOVE FRONTIERE DELLA MEDICINA RIGENERATIVA Biella, 5 giugno 2009 AZIENDA SANITARIA di BIELLA ASL...

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