A patella reszekciós arthroplasticájának állatkísérletes modelljei*

Átírás

1 A Pécsi Tudományegyetem ÁOK Ortopédiai Klinika 1 és a Patológiai Intézet 2 közleménye A patella reszekciós arthroplasticájának állatkísérletes modelljei* DR. FONAY VALÉR 1, DR. DÖMÖS PÉTER 1, DR. BELLYEI ÁRPÁD 1, DR. KERESKAI LÁSZLÓ 2 DR. THAN PÉTER 1 Érkezett: július 2. ÖSSZEFOGLALÁS A térdízületi arthrosis részeként kialakult patellofemoralis porcdegeneráció kezelése az ízület protetizálása során a mai napig vitatott kérdés. A komplex probléma egyik lehetséges megoldása a reszekciós artroplasztika (spongializáció), mely a hazai gyakorlatban több intézményben is elterjedt. A szerzők intézetében ez a módszer rutin eljárás térdprotetika során. Jelen tanulmány célja két különböző állatkísérletes modellen vizsgálni a patella spongializációt követő szövettani remodellációt. A kísérleteket két állatmodellen végezték a szerzők. Az első sorozatban 20 Új-Zéland nyúl egyik térdkalácsát spongializálták, a másikat kontrollnak hagyták. Háromhavonta szövettani vizsgálatot végeztek a patella és femur ízfelszínén. A patellán három és hat hónap után jól vascularizált granulációs szövetet találtak, kilenc és tizenkettő hónap után a granulációs szövet dezorganizált fibrosus szövetté alakult, a mélyrétegben chondrocytákkal. Tizenöt hónap után rostporcos szövet jelent meg. A femur trochlea felszínén jelentős makroszkópos és mikroszkópos degenerációt észleltek. A talált elváltozásokat a második kísérletsorozat is alátámasztotta, melyet nagyobb testű állatok, birkák térdein végeztek identikus módon. Ebben a sorozatban a szövettani vizsgálatok mellett kiterjedt képalkotás is történt modern diagnosztikus módszerekkel. A kísérletek további adatokat szolgáltattak a spongializácó után kialakuló humán patella felszíni elváltozások és a klinikai eredmények megértéséhez. Kulcsszavak: Állatkísérlet; Arthroplastica, Térd Módszerek; Térdízület Műtéti kezelés; Patella Pathology; V. Fonay, P. Dömös, Á. Bellyei, L. Kereskai, P. Than: Animal experimental models of patella resection arthroplasty The management of patellofemoral hyalin degeneration, being a component of the knee osteoarthrosis, is a much debated issue even nowadays. One of the solutions of this complex problem is the resection arthroplasty (spongialization), which is popular in the domestic practice in a number of institutions. In the institute of the authors this is the routine in the knee replacements. The aim of the present publication is to examine the histological remodellation following patella spongialization in two different animal experimental models. The experiments were done in two animal models. In the first series patella spongialization was performed in one knee of 20 New Zealand rabbits, the other knee served as control. Histological review was performed in three months periods of the joint surfaces of the patella and the femur. After 3 and 6 months well vascularized granulation tissue was detected on the patella, this granulation tissue changed to disorganized fibrous tissue after 9 and 12 months, with chondrocytes in the deep layer. After 15 months, fibro-cartilaginous tissue appeared. In the surface of the femur trochlea significant macroscopic and microscopic degeneration was found. These changes were supported by the second series of experiments, which were done by identical method on the knees of larger animals, sheep. In this series extensive diagnostic image documentation was also performed beside the histological exams. These experiments provided further data to understand the patella surface changes and clinical results following spongialization in human population. Key words: Animals; Arthroplasty, replacement, knee Methods; Knee joint Surgery; Patella Pathology; * ETT (276/2006) által támogatott tanulmány Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet

2 BEVEZETÉS A degenerált patellofemoralis hialinporc ellátása a térdízület protetizálása során, valamint az izolált patellofemoralis kórképekben az ortopédia jelentős kihívásai közé tartozik. A patella ellátása a térdprotetikában napjainkban is sokat vitatott kérdés, mely problémakör mellett további nehézséget jelentenek azok az esetek, ahol a protetizálás eltérő okok miatt nem indikált, de a térdkalács felszíne károsodott. Izolált károsodások esetén az ízületi porc effektív ellátása nem egyszerű, az elmúlt évtizedekben több porcfelszín módosító metodika is ismertté vált, ezek célja a normál hialinporc helyreállítása vagy a regeneráció elősegítése (9). A spongializáció módszerét, mely a patella reszekciós arthroplasticáját jelenti, az irodalomban először Ficat említette 1979-ben, elsősorban izolált patellofemoralis kórképek megoldását célzó eljárásként (6). A patellaris felszínen történő különböző manipulációk klinikai és humán szövettani eredményei az irodalomban széles körben tárgyaltak, az állatkísérletes vizsgálatok száma azonban korlátozott. Néhány korábbi ilyen jellegű munkában leírták az úgynevezett csontvelő stimuláló beavatkozások után kialakuló különböző reparatív szövetek jellemzőit a patellofemoralis ízületben. Mitchell és Shephard nyulakon subchondralis felfúrásos technika alkalmazása mellett fibrosus szövet kialakulását figyelte meg a térdkalács felszínének több mint 90%-án (10). Hjertquist és Lemperg nyulakon, Calandruccio és Gilmer kutyákon észlelte rostporcos szövet megjelenését a subchondralis csontig terjedő defektusok után (5, 7). A szövettani eredmények különbözősége ellenére a publikációk végső következtetései hasonlók: a reparatív szövet mennyisége a sérült subchondralis csont kiterjedésétől függ, mivel a regeneráció a spongiosából indul ki (3, 7, 15). A térdkalács ellátására totál condylaris térdprotézis beültetés során napjainkban az egyik leggyakrabban használt eljárás a patellofemoralis ízület egyidejű protetizálása, mely gyakran vezet aszeptikus komplikációkhoz vagy elülső térdfájdalomhoz. A másik széles körben alkalmazott eljárás, a változatlan állapotban hagyott patella elsősorban az elmaradó dekompresszió és a visszamaradt arthrotikus felszín miatt okozhat reziduális fájdalmakat (1, 8). A spongializáció térdprotetika során történő alkalmazása a nemzetközi irodalomban gyakorlatilag nem ismert. Bár a hazai gyakorlatban több intézetben is alkalmazott a módszer, tudomásunk szerint az itthoni klinikai eredményeket is csak két, korábban intézetünkből közzétett publikáció tárgyalja (2, 16). Az utóbbi években néhány nemzetközi közlemény foglalkozott a patella reszekciójával revíziós beavatkozások során, azt megfelelő klinikai eredményeket biztosító módszernek tartva (1, 12, 13). A reszekciós patella artroplasztika kiterjedt vizsgálata kísérletes körülmények között az általunk ismert irodalomban nem található, ezért munkánk célja a spongializációt követő különböző szövettani változások megismerése volt, speciálisan kialakított állatkísérletes modellek segítségével. ANYAG ÉS MÓDSZER 1. kísérletsorozat Első tanulmányunkhoz 20 új-zélandi nyulat használtunk, mindegyik 5 hónapos és 3 kilogramm súlyú volt az első műtéti beavatkozás idején. A műtéteket a Pécsi Tudományegyetem ÁOK központi állatműtőjében végeztük a regionális állatkísérletes bizottság engedélyét követően. Ketamin-Diazepam intramuscularis adása után a műtéti területet Lidocainnal érzéstelenítettük, majd anteromedialis parapatellaris behatolásból kilenc esetben a jobb, kilencben a bal térdben végeztünk beavatkozást. Két állatot kontrollnak használtunk. A térdízület feltárása, 46 Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet

3 a patella kifordítása után mini oszcillációs fűrésszel a porcfelszínt a subchondralis csonttal együtt eltávolítottuk (1. ábra). A spongializált patellát szembe fordítottuk a sértetlen femoralis felszínnel, majd a rétegeket rekonstruáltuk. A műtét után az állat szabadon mozoghatott a ketrecében. Sebgyógyulási zavar vagy egyéb komplikáció nem lépett fel. A primer beavatkozást követően háromhavonta, összesen öt alkalommal három nyúlnál túlaltatást követően történt ismételt műtét, mely során a korábban operált ízületből a teljes patellát és a femur trochlearis felszínét távolítottuk el. Hasonló mintákat vettünk ki az ellenoldali, nem műtött térdből az esetleges spontán kialakult degeneratív folyamatok ellenőrzése céljából. Valamennyi kivett anyagon részletes szövettani vizsgálatok történtek. A mintákat formaldehides fixálást követően EDTA-ban dekalcifikáltuk, majd rutin Haematoxylin-eozin és Giemsa-festés történt. Minden szövettani mintát az OsScore beosztás alapján értékeltük, mely a következő paramétereket veszi figyelembe: a porc típusa, az ízületi felszín integritása, kontúrja, a Giemsa metakromázia mértéke, a chondrocyták cluster formációja, a remodellációs szövet vascularizációja és csonttal való integrációja (14) (I. táblázat). I. táblázat A szövettani OsScore értékek változása a reoperációk különböző időpontjaiban: háromhavonta végzett szövettani vizsgálat három három nyúl patelláján. Spongializáció után eltelt idő OsScore minta 1 minta 2 minta 3 OsScoreátlag 3 hónap hónap ,66 9 hónap 2 2 1,5 1,83 12 hónap 5 4 4,5 4,5 15 hónap 5,5 6,5 6,5 6,16 2. kísérletsorozat Tekintettel arra, hogy a nyúl kis testtömegű és speciális hátsó végtagi mozgással bír, valamint arra, hogy az első kísérletben az állatok viszonylag korlátozott területen mozoghattak, szükségesnek láttuk a tanulmány kiterjesztését. Nagyobb testtömegű, a térdeket jobban terhelő és korlátlan mozgást lehetővé tévő állatmodell felállításának lehetőségét kerestük. E kísérletsorozatunkat a Kaposvári Egyetem Diagnosztikai és Onkoradiológiai Intézetével kooperálva, az ottani állatműtők és diagnosztikai lehetőségek kihasználásával, állatorvos kollégák segítségével végeztük. Nevezett intézet rendelkezik az állatkísérletekre vonatkozó összes szakmai és etikai engedéllyel. Négy darab 10 hónapos fiatal birkán végeztük a műtéteket, az állatok testtömege kilogramm volt. Az első beavatkozás előtt minden állat mindkét térdéről kétirányú röntgenfelvételt készítettünk. A műtetek általános anesztéziában zajlottak, időtartamuk perc volt. Valamennyi állat jobb térdén megfelelő előkészítést követően, mediális parapatellaris feltárást végeztünk és a térdkalácsot spongializáltuk majd az intakt femoralis felszínnel szembe fordítottuk (1. ábra). A visszamaradt patella vastagság mm volt, a műtétek során eltávolított porcfelszínt szövettani vizsgálatra küldtük (HE), mely valamenynyi esetben ép hialinporcot írt le. A műtét után közvetlenül kontroll-röntgent végeztünk. Az ellenoldali térdet kontroll céljából érintetlenül hagytuk. Sebgyógyulási zavart, illetve egyéb szövődményt nem észleltünk, az állatok két hét után a szabadban korlátozás nélkül mozog- Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet

4 1. ábra Intraoperatív kép a spongializált patella felszínről nyúl (baloldali kép) és birka térdben (felső kép) 3. ábra A nyúl patella teljes keresztmetszete 15 hónap után. A korábban spongializált felszín remodellációja a subchondralis csontból és a synoviumból. (Giemsa; 20x). 2. ábra Makroszkóposan jól látható arthrotikus elváltozások a femur trochleán, a patellát remodellációs szövet fedi be a nyúl térdben 6 hónappal a műtét után. 4. ábra A femuron kialakult jelentős arthrosis szövettani képe nyúltérdben. (Haematoxylin eozin; 40 ). tak. Hat hónap után újabb röntgen-, egy évvel a műtétet követően röntgen- és CT-felvételek készültek mindkét térdről, majd az állatok túlaltatása után mindkét térdet eltávolítottuk, makroszkópos és szövettani vizsgálatoknak vetettük alá. EREDMÉNYEK 1. kísérletsorozat Mak roszkópos vizsgálattal a patella körül jelentős mennyiségű granulációs szövet jelent meg már 3 hónappal a reszekció ut án, ez valamen nyi mint án később is észlelhető volt. A patellaris felszínt az idő előrehaladtával egyre vastagabb fehér remodellációs szövet fedte (2. ábra). Három és hat hónappal a spongializációt követően a szövettani vizsgálat jól vascularizált, celluláris granulációs szövetet írt le a patella felszínén, az OsScore értéke 1,0 1,66 volt. Kilenc és tizenkét hónap után organizálatlan fibrosus szövet ábra Rostporcos differenciálódást mutató granulációs szövet a birka patella felszínén egy évvel a műtét után. (Haematoxylin eozin; 40 ). Magyar Traumatológia y Ortopédia y Kézsebészet y Plasztikai Sebészet y

5 alakult ki a granulációs szövetből, mely I. típusú kollagén rostokat tartalmazott. Helyenként chondrocyták jelenléte is megfigyelhető volt főleg a mélyebb rétegekben, ezek azonban nem mutattak ép ízületi porcra jellemző karakterisztikát sem a felszínes, sem a mélyebb rétegben. A kilencedik hónapban az OsScore értéke 1,86, a tizenkettedik hónapban 4,5 volt. A 15. hónapban a szövettani vizsgálat differenciált rostporcos szövetet mutatott, a chondrocyták a mélyebb rétegben porcmátrixot termeltek, mely Giemsa-festéssel sporadikusan kimutatható volt (3. ábra). Az OsScore értéke 6,16 volt. A femur trochlearis felszínén már három hónappal a reszekciós arthroplastica után is egyértelmű, makroszkóposan jól látható arthrotikus elváltozások alakultak ki (2. ábra). A szövettani vizsgálat degenerált, elvékonyodott hialin porcot írt le (4. ábra). Kezdődő spontán arthrosisra utaló mikroszkópos elváltozásokat csak két kontroll térdben észleltünk 12 illetve 15 hónappal a beavatkozást követően. A többi állat nem operált ízületei normál porcstruktúrát mutattak. 2. kísérletsorozat A birkákon végzett műtéteket követően a nem operált ízületekben sem makroszkóposan, sem szövettani vizsgálattal érdemi degeneratív jeleket nem találtunk. A makroszkópos észlelés a spongializált térdekben egy évvel a műtét után valamennyi esetben a femur trochlea 5. ábra Birka térdkalácsspongializációja után egy évvel előrehaladott patellofemoralis arthrosis a CT- (A) és röntgen- (B) felvételeken. előrehaladott arthrosisa volt, gyakorlatilag porcvesztett felszínnel. Az arthrosist a röntgenés CT-felvételek is alátámasztották (5. ábra). A patellák spongializált felszínét fehéres színű sarjszövet vonta be valamennyi esetben. A térdkalácsok vastagsága a közvetlen posztoperatív vastagsággal megegyező volt, csontos remodellációt makroszkóposan és CT-vel is egyértelműen igazolni tudtunk a négy esetből háromnál. A spongializált felszínekről készült szövettani metszetek Haematoxylin eozin és Giemsa festése a patellaris felszínen granulációs szövetet írt le, mely helyenként rendezett, de többségében rendezetlen rostporcos átalakulást mutatott (6. ábra). MEGBESZÉLÉS A degenerált, avascularis ízületi porc nem képes regenerálódni, mivel kevés, alacsony mitotikus aktivitású chondrocyta található benne. A csontvelő stimuláló eljárás segít a reparációban, klinikai hatásossága függ a remodellációs szövet típusától, minőségétől, kiterjedésétől. A reparatív szövet mennyiségét meghatározza a sérült subchondralis csont kiterjedése, Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet

6 mivel a spongiosus állomány szolgál a folyamat alapjául. Ezt a tényt az arthrosisban létrejövő különböző regenerációs jelek (subchondralis cysták, sclerosis, osteophyták) jól reprezentálják (4). A beavatkozás sikeréhez szükséges, hogy a subchondralis csont vagy a synovium erei sérüljenek, s ezek stimulációjával fibrines csomók formálódjanak a reszekált csontos felszínen. Differenciálatlan mesenchymalis sejtek migrálnak, proliferálnak ezekben a csomókba, majd megfelelő mobilizáció, terhelés mellett néhány milliméter vastag felszíni fibrosus réteg keletkezik (4, 9, 11). Saját munkánk során állatkísérletes modell segítségével vizsgáltuk a spongializáció teóriájának szövettani kérdéseit. A reszekált patella felszínt bevonó fibrines csomók átalakulnak vascularizált granulációs szövetté. Az először fibrosus, majd rostporcos szövet kialakulásában a spongiosa szerepe egyértelmű, de a perifériáról benövő synovia, és a synovialis folyadékból megtapadó sejtek is szerepet játszanak a remodellációs szövet kialakulásában. A spongializáció állatkísérletes vizsgálata természetesen korlátokkal bír, az emberi térd teljesen identikus módon állatokban nem modellezhető. A humán eredményekhez hasonló hosszú távú után követés állatoknál nehezen megvalósítható. Egyértelmű az is, hogy a spongializált patella az emberi térdben a protézis felszínével érintkezik, mely állapotot modellezni állatban jelenleg gyakorlatilag nem lehetséges. Az ilyen vizsgálatok véleményünk szerint ennek ellenére fontosak a humán patellán spongializácót követően fellépő folyamatok megismerésére. A megfelelő állat kiválasztása, a módszer jó kivitelezése azonban igen fontos. E mellett figyelembe kell venni a vizsgált ízület biomechanikáját, az ízületi porc vastagságát, a reszekált felszín kiterjedését. Az említett korlátok ellenére úgy gondoljuk, hogy a kísérletek makroszkópos észlelései és a szövettani eredmények igazoltak számos olyan empirikus megfigyelést, melyeket korábban humán mintákon tettünk. A térdprotézis beültetést évekkel követő revíziók során talált patella felszíni remodellációs szövet eredetét és hisztológiai jellemzőit a kísérletek során talált eredmények tovább pontosították. A vizsgálatainkkal nyúl- és birka térdekben egyaránt megfigyelt súlyos porcdegeneráció a spongializált felszínnel szemben lévő femoralis trochleán alátámasztotta azt a klinikai tapasztalatunkat, hogy a reszekciós artroplasztika szánkóprotézis beültetés, valamint izolált patellofemoralis problémák esetén kerülendő módszer, mert a gyorsan kialakuló femoralis hialinporc károsodás újabb panaszokat idézhet elő. A totál condylaris térdprotetikában alkalmazott reszekciós arthroplastica ellen emelt érvek egyike a spongializált térdkalács potenciális vastagság-csökkenése, ami esetleg töréshez vezethet. Korábbi klinikai vizsgálatunkkal érdemi vékonyodást a humán patellán hosszú távon sem tudtunk igazolni (16). A birkákon végzett spongializáció után rövid távon szignifikáns vastagság csökkenés nem alakult ki, ami megerősíti a humán eredményeket. Az elvégzett kísérletek megerősítik azt a kedvező klinikai tapasztalatunkat, hogy a patella spongializáció után kialakuló remodellációs ízfelszín jó alternatívát képvisel az egyéb módszerekkel szemben a totál condylaris térdprotetikában. IRODALOM 1. Barrack L.R., Matzkin E., Ingraham R., Engh G., Rorabeck C.: Revision knee arthroplasty with patella replacement versus bony shell. Clin. Orthop : Bellyei Á., Than P., Halmai V.: A térdizületi teljes felszínpótló protézis eredményei klinikánkon. Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet, : Breinan H. A., Hsu H. P., Spector M.: Chondral defects in animal models. Clin. Orthop : Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet

7 4. Buckwalter J. A., Mankin H. J.: Articular cartilage. Part II: Degeneration and osteoarthritis, repair, regeneration and transplantation. J. Bone Joint Surg A: Calandruccio R. A., Gilmer W. S. Jr.: Proliferation, regeneration and repair of articular cartilage in immature animals. J. Bone Joint Surg A: Ficat P. R., Ficat C., Gedeon P., Toussaint B. J.: Spongialization: A new treatment for diseased patellae. Clin. Orthop : Hjertquist S. O., Lemperg L.: Histological radiographic and microchemical studies of spontaneus healing osteochondral articular defects in adult rabbit. Calcif. Tissue Res : Keblish P. A., Varma A. K., Greenwald A. S.: Patellar resurfacing or retention in total knee arthroplasty. J. Bone Joint Surg B: Minas T., Nehrer S.: Current concepts in the treatment of articular cartilage defects. Orthopedics, : Mitchell N., Shepard N.: The resurfacing of adult rabbit articular cartilage by multiple perforations through the subchondral bone. J. Bone Joint Surg A: Nehrer S., Spector M., Minas T.: Histologic analysis of tissue after failed cartilage repair procedures. Clin. Orthop : Pagnano W. M., Scuderi G. R., Insall J.: Patellar component resection in revision and reimplantation total knee arthroplasty. Clin. Orthop : Parvizi J., Seel M. J., Hanssen A. D., Berry D. J., Morrey B. F.: Patellar component resection arthroplasty for the severely compromised patella. Clin. Orthop : Roberts S., McCall I. W., Darby A. J., Menage J., Evans H., Harrison P. E., Richardson J. B.: Autologous chondrocyte implantation for cartilage repair: monitoring its success by magnetic resonance imaging and histology. Arthritis Res. Ther : Solchaga L. A., Goldberg V. M., Caplan A. I.: Cartilage regeneration using principles of tissue engineering. Clin. Orthop : Than P., Dömös P., Bellyei Á.: A patella spongializáció hosszú távú klinikai eredményei primer térdprotetikában. Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet, : Dr. Fonay Valér PTE ÁOK Ortopédiai Klinika 7624 Pécs, Ifjúság út 13. Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet