The morselized and impacted bone graft. Animal experiments on proteins, impaction and load.

Abstract

This thesis focuses on the healing and remodeling of the morselized and impacted bone allograft, commonly used in revision of loosened hip prostheses with osteolysis. The influence on remodeling by the impaction procedure per se was analyzed, as well as the effects of endogenous bone graft proteins, and an exogenously applied growth factor (OP-1). A bone chamber model in rats was used, with the ingrowth distance of new bone into the graft as the outcome measurement. Proteins were found to increase ingrowth, whereas impaction per se caused a decrease or delay. A rabbit knee prosthesis was developed to evaluate the influence of mechanical load on the remodeling. Morselized bone grafts were packed into the proximal tibia and either loaded or unloaded by the prosthesis. Increased remodeling was found, i.e. both graft resorption and new bone formation were increased. Four patients underwent surgery for lumbar fractures. The fractures were fixated with plates and the vertebral body was packed with morselized autografts. Biopsies were taken 1.5 years after surgery, when the plates were removed. The fractures were at that time clinically and radiographically healed, but large parts of the grafts were histologically unremodeled and not even revascularized. It was concluded that full osseous remodeling does not always occur even after a long period of time, despite the use of viable autograft instead of frozen allograft. Finally, impacted grafts were placed in the rat bone chamber model to allow fibrous ingrowth. These grafts were compared to freshly impacted grafts in a mechanical test. After fibrous ingrowth the resistance to compressive loads was doubled.



In conclusion, endogenous bone graft proteins and exogenously applied OP-1 increase the new bone ingrowth distance into the graft, while impaction has a reducing effect. Load increases remodeling. In clinical cases full osseous remodeling can not always be expected, but fibrous tissue ingrowth strengthens the graft.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den moderna tekniken att operera förslitna höftleder infördes av John Charnley i England på 1960-talet. Lårbenshuvudet ersattes med en metallkula på ett skaft och ledhålan på bäckenbenet med en skålformad plastkomponent. Bägge komponenterna sattes fast med en härdande plast, s.k. bencement. I början uppstod komplikationer med infektioner eller brott i själva protesen. De problemen är nu lösta, men fortfarande debatteras vad man ska göra om protesdelarna lossnar från sitt benfäste. I sådana fall har det ofta uppstått en uppluckring av benvävnaden runt protesen, dvs benet har resorberats. Kvar finns till slut bara ett tunt benskal, med den lösa protesen i ett hålrum fyllt av mjukvävnad. Att operera in en ny protes och endast fylla dessa håligheter med bencement, har ofta inte visat sig fungera. Istället har man försökt transplantera eller ympa benvävnad, antingen patientens egen från annat ställe på kroppen, eller sparat fryst ben från andra individer. 1978 började Tom Slooff i Holland att använda benspån (bitar,flisor) från malda lårbenshuvuden som sparats frysta. Dessa togs och tages fortfarande från patienter som genomgår en primär höftprotesoperation, då ju lårbenshuvudet sågas av. Benspånen packades in i den uppkommna håligheten och en ny protes cementerades fast. 1985 började Graham Gie och Robin Ling i England använda samma metod på proteser som lossnat från lårbenet. Patienterna i dessa tidiga serier är följda fram till idag och deras proteser har visat sig sällan lossna igen jämfört med andra använda operationsmetoder.



Denna avhandling undersöker de biologiska och fysikaliska förutsättningar som möjliggör inläkning av ett malt, packat och dött bentransplantat. Teoretiskt borde det inte fungera så bra som det uppenbarligen gör. Varför resorberas det inte av osteoklasterna, de celler som hjälper kroppen att undanskaffa dött ben? Hur kan det transplanterade benet hålla för de höga belastningar som uppstår då patienten går och belastar, inte bara i början, utan framför allt senare under omvandlingen från dött till levande ben?



Utifrån de modeller som finns för benläkning generellt, satte vi upp tre hypoteser som förklaring till de goda kliniska resultaten: 1.Tillväxtbefrämjande proteiner finns gömda i såväl levande som död benvävnad. Om man maler sönder benet kanske dessa proteiner kommer fram och kan stimulera inväxande ben. 2. Själva packningen i sig är gynnsam. Inväxande ben har en kortare sträcka att överbrygga om avståndet mellan de transplanterade benbalkarna är minskat. 3. Belastning, dvs att man går på sitt ben, gör att vävnaden trycks ihop och sviktar lite för varje steg. Detta vet man är ett viktig stimulus för bildning av ben. För lite stimulans ger minskad benmassa men för mycket kan också leda till problem. Kanske sviktar det packade benet lagom för att stimulering ska äga rum. I första delarbetet kunde vi visa att nytt ben växte en kortare distans in i ett malt bentransplantat där proteinerna tagits bort, jämfört med ett som hade proteinerna kvar. I det andra delarbetet visade det sig att nytt ben växte in sämre i ett packat bentransplantat jämfört med ett opackat, i alla fall vid 6 veckor efter operationen. Detta var tvärt emot vår ursprungliga hypotes. I tredje delarbetet fann vi att inväxten kom ifatt vid 12 veckor samt att den även gjorde det vid 6 veckor med tillsats av ett konstgjort tillväxtbefrämjande protein. I fjärde delarbetet jämförde vi ett malt packat bentransplantat som antingen utsattes för belastning eller inte. Vi fann att belastning ökade benomsättningen, dvs både nedbrytningen av det transplanterade benet och bildningen av nytt ben. I det femte delarbetet analyseradevi den mikroskopiska bilden av packat bentransplantat hos människa. Fyra patienter opererades för en fraktur i ländryggen där kotkroppen fylldes med packat bentransplantat för att hindra kotkroppen från att falla ihop igen. Efter 1,5 år, då patienterna ej längre hade ont och frakturen röntgenologiskt såg läkt ut, togs metallplattan som stagar upp frakturen bort. Vi passade då på att ta ett prov från den bentransplanterade kotan. Vi fann att läkningen var ofullständig, trots att det gått så lång tid och trots att det bästa bentranplantatet använts, nämligen patientens egen benvävnad. Till största delen bestod preparaten av dött bentransplantat. Kanske är det inte så viktigt att transplantatet omvandlas till nytt ben, utan att det inte resorberas för fort? Vi såg i kotproverna att det fanns partier med dött ben som var omgivet av levande bindväv. Dessa partier består av bindvävsfibrer som vindlar mellan de krossade benbalkarna och teoretiskt armerar dessa, i princip som armering av betong. I sista delarbetet undersökte vi med ett enkelt hållfasthetsprov om ett bentransplantat som suttit inne i kroppen under 4 veckor och således blivit penetrerat med bindväv var starkare än ett nypressat färskt transplantat som ej blivit inopererat. Vi fann att det var så. Styrkan var nästan fördubblad.



Sammanfattningsvis fann vi att proteinerna i ett transplantat har betydelse för inväxten av nytt ben i ett malt bentransplantat och att belastning är gynnsamt för omvandlingen av transplantatet till nytt ben. Däremot fann vi att själva packningen i sig minskade inväxten. I kliniska fall fann vi att full omvandling av transplantat till nytt ben inte alltid var nödvändig för ett bra kliniskt resultat. Kanske är det så att just den fördröjda omvandlingen gör att det malda och packade transplantatet fungerar, samtidigt som transplantatet under omvandlingen förstärks av inväxande bindvävsfibrer.

• author: Tägil, Magnus
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Nordsletten, Lars, Oslo, Norway
• organization: Orthopaedics (Lund)
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Orthopedics
• keywords: traumatology, orthopaedics, Surgery, load, growth factors, graft healing, remodeling, allograft, Impaction grafting, morselized graft, Kirurgi, ortopedi, traumatologi, Immunology, serology, transplantation, Immunologi, serologi
• in: Acta Orthopaedica Scandinavica. Supplementum
• pages: 40 pages
• defense location: Hall F1, Centralblocket, Lund university Hospital
• defense date: 1999-12-09 10:15:00
• external identifiers: other:LUMEDW/MEOL 1056 (1-40) 1999
• ISSN: 0300-8827
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3e67a5db-af6d-4eed-9560-009b1107f130 (old id 40038)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:57:28
• date last changed: 2019-05-21 09:55:50