Tendon autografts for bridging nerve defects

Abstract

A new method, where a tendon segment – a tendon autograft – was used as graft material for peripheral nerve reconstruction, was developed. Defects, 10-15 mm long, in rat sciatic nerves were bridged by various modifications of tendons. A piece of an intact tendon and a tendon, that had been teased into a membrane and then rolled to form a loose “collagen roll”, supported axonal regeneration over a nerve defect. After modification by forming a tube of the teased tendon, axonal regeneration started after an initial delay period of 6.8 days, and axons then grew at a rate of 1.0 mm per day. Schwann cells migrated into the grafts from the proximal and distal nerve segments, proximally ahead of the regenerating axons. Macrophages were initially present at the periphery of the grafts but gradually increased in numbers inside the grafts. The tendon autograft was vascularized and the blood vessels entered the grafts from both the proximal and distal nerve segments.



The tendon autograft supported recovery of muscle function measured as tetanic force of the gastrocnemius muscle, to the same extent as nerves reconstructed by a freeze-thawed muscle graft. Morphometrical analysis of the tibial nerve distal to the graft showed a correlation between the number of regenerating nerve fibers and recovery of muscle force.



Initial experiments indicated that a teased and rolled tendon, which had been pretreated by attachment of nerve segments to allow migration of Schwann cells into the tendon, improved regeneration. To refine the tendon autograft and to enhance regeneration, cultured Schwann cells were added to grafts that were used to bridge a 10 mm long nerve defect. Addition of cultured Schwann cells resulted in a higher rate of axonal regeneration compared to untreated control rats. Analogous observations were made in the pretreated freeze-thawed muscle grafts.



To address clinical demands of a faster procedure for production of Schwann cells, acutely dissociated Schwann cells from a previously injured nerve were added to tendon autografts bridging nerve defects. Addition of dissociated Schwann cells resulted in a longer axonal outgrowth seven days after nerve reconstruction compared to untreated control grafts. The use of tendon autografts with added acutely dissociated Schwann cells may be an alternative in bridging nerve defects in a clinical setting.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bakgrund



En skada i en extremitet, som innebär att en perifer nervstam blir avskuren, medför ofta ett betydande handikapp med förlust av muskelkraft och känsel för patienten och därtill stora samhällskostnader, eftersom sådana skador i stor omfattning drabbar den arbetsföra delen av befolkningen. Det bästa behandlingsalternativet vid en sådan skada är att direkt sy ihop de avskurna nervändarna. Det finns emellertid ett antal situationer när detta inte är möjligt. Om nervskadan inte uppmärksammas vid skadetillfället kan de avskurna nervändarna ha hunnit dra ihop sig och förkortats när skadan väl upptäcks. Det är då inte möjligt att sy ihop nervändarna utan alltför stor spänning, vilket bör undvikas för bästa möjliga slutresultat. I andra situationer kan en bit av nerven söndertrasas vid skadan och en defekt uppstår mellan nervändarna. En tredje situation, i vilken nervsegmenten inte kan sys ihop direkt, är slitskador på armens stora nervfläta, som kan uppstå vid t ex motorcykelolyckor. I dessa situationer uppstår ett stort mellanrum mellan de avslitna nervändarna - en nervdefekt. I dagsläget används ett nervtransplantat för att överbrygga defekten mellan de skadade nervsegmenten, varvid en frisk känselnerv, vars funktion inte är lika viktig som den skadade nervens, skärs ut från t ex underbenet eller underarmen och används som nervgraft. Det finns emellertid nackdelar med denna behandling. Hudområdet som försörjs av den transplanterade nerven blir känsellöst, och det kan uppstå en smärtande ärrbildning där man skurit ut känselnerven. Slutresultatet av en nervtransplantation är ofta dessutom otillfredsställande med kvarstående nedsatt muskelkraft och känsel i extremiteten.



Nervskador och nervläkning



I eller i anslutning till ryggmärgen finns nervcellkroppar som skickar ut långa utskott, nervtrådar (axoner), vilka är samlade i buntar med omgivande bindväv – en perifer nervstam. De perifera nerverna utgör hjärnans länk till omvärlden och förmedlar information ut till muskler och in från olika känselorgan. Informationen förmedlas bl a som elektriska impulser i nervtrådarna. För att detta ska kunna ske tillräckligt snabbt omges många nervtrådar av en högspecialiserad celltyp, Schwanncellen , vars uppgift delvis är att elektriskt isolera nervtrådarna. På senare tid har bilden av Schwanncellens roll nyanserats, och man vet nu bl a att nervcellernas överlevnad är beroende av Schwanncellerna genom att dessa tillverkar skilda molekylära signaler som nervcellerna är beroende av.



När en nerv skärs av dör en del, men långt ifrån alla, nervceller. Den del av nervtrådarna som finns nedom skadan i extremiteten skiljs då från sina nervcellkroppar och försvinner helt och hållet medan bindväven (stödjevävnaden) och Schwanncellerna i nervstammen finns kvar. Efter skadan ställer nervcellkropparna om sin ämnesomsättning, som då inriktas på att tillverka ämnen som krävs för att deras nervtrådar ska kunna växa ut igen. Schwanncellerna reagerar också på nervskadan. De Schwannceller som tidigare har omgivit en avskuren nervtråd börjar dela sig och tillverka neurotrofa faktorer, ämnen som syftar till att vägleda och stimulera återväxande nervtrådar. Eftersom nervtrådar som förlorar kontakten med sina nervcellkroppar försvinner finns det efter en tid inga nervtrådar kvar i de känselnerver - nervtransplantaten - som används för att överbrygga nervdefekter, utan transplantatet består i huvudsak av Schwannceller och stödjevävnad.



Sentransplantatet



För att slippa offra en frisk känselnerv testade jag om ett annat kroppseget material - en sena - skulle kunna användas för att överbrygga nervdefekter. Senor innehåller nämligen vissa ämnen, som t.ex. kollagen, laminin och hyaluronsyra, som i tidigare försök har visat sig ha gynnsamma effekter på nervtrådars utväxt efter skada. En sena kan dessutom kavlas ut till ett membran som består av längsgående kollagenfibrer. Utväxande nervtrådar föredrar att växa längs med sådana strukturer. Denna avhandling är inriktad på utvecklandet av ett sådant sentransplantat som kan användas som ett alternativ till nervtransplantatet.



Om en sena användes för att överbrygga en nervdefekt kunde man se att nervtrådar växte över defekten inne i sentransplantaten, men i ganska blygsam omfattning. Efter att sentransplantatet modifierats i sin utformning karakteriserades händelseförloppet i sentransplantaten på cellnivå. Nervtrådar började växa in i sentransplantaten efter ca 7 dagar och växte sedan med en hastighet av 1 mm/dygn. Schwannceller invaderade sentransplantaten från de båda avskurna nervändarna och från dessa nervändar växte också blodkärl in. En speciell typ av “renhållningsceller” (makrofager) invaderade också sentransplantaten. Makrofagerna är också kända för att ha en stimulerande effekt på växande nervtrådar.



För att se huruvida en avskuren nerv som reparerats med ett sentransplantat kunde återfå sin funktion mättes muskelkraften i en vadmuskel tre månader efter att nerven som försörjer denna muskel reparerats med ett sentransplantat. Som jämförelse användes ett annat experimentellt transplantat, en bit fryst muskel, som har används i tidigare studier och även av andra provats på patienter med nervskador. Muskelkraften återkom till ca 25% när ett sentransplantat användes, vilket var jämförbart med då en bit fryst muskel användes.



Schwanncellsförsedda sentransplantat



Det har i tidigare försök visat sig att det finns en gräns för hur långt nervtrådar kan växa i en miljö där Schwannceller saknas. För att sentransplantaten ska kunna bli användbara över längre nervdefekter krävs alltså sannolikt att de kan förses med Schwannceller. I inledande försök tilläts Schwannceller att växa in i sentransplantaten innan de användes för att överbrygga nervdefekten och då sågs en snabbare och mer omfattande överväxt av nervtrådar. Detta beror sannolikt på de neurotrofa faktorer som tillverkas av Schwanncellerna. Dessa celler odlades fram i skålar varefter de fästes därefter på sentransplantaten. Nervtrådarna växte snabbare i sådana Schwanncellsförsedda sentransplantat, troligen beroende på stimulering av nytillverkade neurotrofa faktorer från Schwanncellerna.



Schwanncellodling är en tidskrävande procedur som tar flera veckor i anspråk. Man bör dessutom använda patienternas egna Schwannceller eftersom kroppsfrämmande (t ex från annan människa) Schwannceller stöts bort och dör i kroppen. Om man avser att använda patientens egna Schwannceller i sentransplantat, måste nervreparationen alltså anstå i åtskilliga veckor eftersom odlingen av cellerna kräver denna tid. Denna långa väntan på att få tillräckligt många odlade Schwannceller medför ofördelaktiga effekter på läkningsprognosen för nervskadan. För att komma till rätta med detta problem användes en ny metod - snabbdissociation - genom vilken Schwannceller kunde fås fram på mycket kort tid, ca 2.5 timmar. För att få fram Schwanncellerna används nervbitar från de skadade nervändarna vilka ändå måste ”friseras” för att få rena snittytor att sy i. Cellerna snabbdissocierades varefter de fästes på sentransplantaten som sedan kunde användas för att reparera en nervdefekt. Hela proceduren kunde göras under ett enda kirurgiskt ingrepp. Nervtrådarna i sådana Schwanncellsförsedda sentransplantat växte längre än i icke-Schwanncellsförsedda sentransplantat sju dagar efter nervreparationen.



Sammanfattningsvis tycks sentransplantat vara ett lämpligt material att förse med Schwannceller, som i sin tur krävs för att längre nervdefekter i skadade nervstammar ska kunna överbryggas av nervtrådar. I framtida försök måste utredas huruvida snabbdissocierade Schwannceller kan användas för reparation av mycket långa nervdefekter. Man bör också försöka hitta det kortast tänkbara tidsintervallet mellan uppkomsten av en nervskada och tidpunkten för snabbdissociation av Schwanncellerna för att denna modell ska kunna bli fullt kliniskt användbar.

• author: Brandt, Jerker
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Carlstedt, Thomas, Stanmore, UK
• organization: Hand Surgery, Malmö (research group)
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery
• keywords: traumatology, Surgery, orthopaedics, cell culture, graft, rat, collagen, tendon, Schwann cells, axons, Peripheral nerve regeneration, axonal outgrowth, Kirurgi, ortopedi, traumatologi
• pages: 123 pages
• defense location: MFC, Malmö University Hospital
• defense date: 2002-12-12 13:00:00
• ISBN: 91-89625-15-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f9c3b4be-fd02-4e9c-9bd1-b851c7e792a7 (old id 465198)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:29:27
• date last changed: 2018-11-21 20:59:03