Osteonecrosis of the femoral head treatment with advanced cell therapy and biomaterials in an experimental sheep animal model

Abstract

Introducción: La osteonecrosis de la cabeza femoral (ONCF) afecta principalmente a pacientes jóvenes y activos, sin tratamiento, la entidad progresa en pocos años hacia la deformidad e incongruencia articular, presentando en su etapa avanzada cambios degenerativos articulares, dolor y discapacidad funcional, generando un importante impacto socioeconómico. Aunque existen factores que han estado directamente relacionados con el ONCF (fracturas, corticosteroides, alcohol, irradiación, enfermedad de Caisson), la etiología y la patogénesis persisten inciertas. El tratamiento de la ONCF representa un gran desafío para el cirujano ortopédico debido a la gran variabilidad clínica y radiológica de esta entidad. El desarrollo de estudios experimentales representa una herramienta muy útil, ya que nos ayuda a terminar de definir la patogenia de la enfermedad y, al mismo tiempo, a estudiar nuevas opciones para los tratamientos preclínicos.

Materiales y métodos: El modelo experimental consistió en inducir experimentalmente osteonecrosis en la cabeza femoral derecha en ovejas adultas mediante la introducción de una sonda de crioterapia percutánea con un sistema de helio y argón. A las 6 semanas después de la inducción de ONCF, los animales se dividieron en tres grupos terapéuticos, la descompresión central se asoció con uno de los siguientes tratamientos, excepto para el grupo de control al que no se aplicará ningún tratamiento adicional: Grupo A: tratamiento con concentrado de médula ósea y gránulos de βTCP, Grupo B: tratamiento con rhBMP-2 y gránulos de βTCP, Grupo C: tratamiento de descompresión central aislado. Después de un seguimiento total de 12 semanas, las cabezas femorales obtenidas se fueron estudiadas mediante microtomografía computarizada (microCT), pruebas biomecánicas e histológicas para evaluar el potencial óseo regenerativo de cada tratamiento.

Resultados: La inducción de ONCF se realizó en 20 ovinos. Observamos una tasa de complicaciones del 40% que obligó a los animales a sacrificarse. Finalmente, se incluyeron 12 ovejas (4 por grupo) en el presente estudio. La lesión necrótica fue confirmada mediante el estudio histológico de todos los cilindros obtenidos en la cirugía de descompresión central. Se observó regeneración ósea en todos los grupos estudiados. No se observaron diferencias estadísticamente significativas entre los grupos de tratamiento por análisis histológico, biomecánico o MicroCT.

Conclusión: Un nuevo modelo preclínico modificado de ONCF mediante la administración mínimamente invasiva de crioterapia con gases de helio-argón induce a ONCF en las fases previas al colapso de manera segura, cuantitativa y reproducible. Los resultados de nuestro estudio no apoyan el uso rutinario de BMP-2 o concentrado de médula ósea asociado con los gránulos de β-TCP en el tratamiento de ONCF en fase pre-colapso.

Introduction: Femoral head osteonecrosis (ONCF) mainly affects young and active patients, without treatment, the entity progresses in a few years towards deformity and joint incongruity, presenting at its advanced stage joint degenerative changes, pain and functional disability, generating an important socioeconomic impact. Although there are factors that have been directly related to the ONCF (fractures, corticosteroids, alcohol, irradiation, Caisson's disease), etiology and pathogenesis persist uncertain. The treatment of the ONCF represents a great challenge for the orthopedic surgeon due to the great clinical and radiological variability of this entity. The development of experimental studies represents a very useful tool since it helps us to finish defining the pathogenesis of the disease and at the same time study new options for preclinical treatments.

Materials and Methods: The experimental model consisted of experimentally inducing osteonecrosis in the right femoral head in adult sheep by introducing a percutaneous cryotherapy probe with a helium and argon system. At 6 weeks after the induction of the ONCF, the animals were divided into three therapeutic groups, core decompression was associated with one of the following treatments, except for the control group to which no additional treatment was applied: Group A: Treatment with bone marrow concentrate and βTCP granules, Group B: Treatment with rhBMP-2 and βTCP granules, Group C: Isolated core decompression treatment. After a total 12-week follow-up the femoral heads obtained were studied by computerized microtomography (microCT), biomechanical tests, histological in order to evaluate the regenerative bone potential of each treatment.

Results: Induction of ONCF was performed in 20 sheep. We observed a complication rate of 40% that forced the animals to sacrifice. Finally, 12 sheep (4 per group) were included in the present study. The necrotic lesion was confirmed by the histological study of all the cylinders obtained in the Core Decompression surgery. Bone regeneration was observed in all the studied groups. No statistically significant differences were observed between the treatment groups by histological, biomechanical or MicroCT analysis.

Conclusion: A new modified preclinical model of ONFH using minimally invasive administration of cryotherapy with helium-argon gases induces ONFH in pre-collapse phases in a safe, quantitative and reproducible way. The results of our study do not support the routine use of BMP-2 or bone marrow concentrate associated with β-TCP granules in the treatment of pre-collapse ONFH.