Εφαρμογή συστήματος διοστικών υπέρηχων στη διεπιφάνεια οστού-τένοντα και στα κατάγματα μακρών οστών. Πειραματική και κλινική μελέτη

Abstract

The process of ligamentization includes histological and structural remodelling of the tendon graft during healing at the tendon-bone interface and thereafter. A number of essential genes are involved in this process and their expression can be regulated through complex biochemical pathways. However, there is little information documenting the mechanism of healing at the tendon graft-bone interface at molecular and cellular level. Fracture healing is also a complex biological process that involves the spatial and temporal action of many different cell types, proteins and the expression of hundreds of genes all working towards restoring the bone’s functional and mechanical properties. About 10 % of fractures require further surgical procedures due to impaired healing, such as delayed union or pseudarthrosis. The purpose of this study is: a) to investigate the effect of transosseous application of low intensity ultrasound (LiUS) during ligamentization process on the healing at tendon graft-bone interface: experimental and clinical study and b) to investigate the clinical application of transosseous LiUS on the enhancement and monitoring of fracture healing process in patients with fracture of long bones. We investigated the healing at tendon graft-bone interface in rabbits after transosseous application of LiUS by analyzing the expression levels of TGFb1, biglycan, collagen I and tRNAGly using semiquantitative RT-PCR, and through subsequent histological analysis. We also investigated the clinical application of LiUS during the ligamentization process in patients who underwent arthroscopically assisted anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction by analyzing the serum levels of TGFb1, IGF, OPG, sRANKL, NTx and procollagen I using ELISA, and through subsequent Multiple Direction Computer Tomography. We observed statistically significant alterations in gene expression and protein level of all factors after application of LiUS in both experimental and clinical study, respectively. Histological and imaging examination supported our molecular findings, indicating a faster healing rate and a more efficient ligamentization process after ultrasound treatment. These results suggest that application of LiUS enhances the healing rate of the tendon graft-bone interface in ACL reconstruction, possibly by affecting the expression levels of genes significant for the tendon to bone healing through important biochemical pathways. The clinical efficacy of the transosseous application of LiUS for both enhancement and monitoring of the bone healing process was investigated in patients with fracture of long bones. The effect of LiUS on fracture healing was evaluated using radiograph and computer tomography. Both the LiUS application and the ultrasonic measurements are supported by an integrated telemedicine system which also incorporates an ultrasound wearable device and a patient management system. Transosseous application of LiUS was well tolerated by all patients. No complications or adverse effects were observed and we showed that the propagation velocity of ultrasound increased post-operatively which has been found to be a most sensitive parameter to reflect structural changes into the newly formed callus. Taken together our findings suggest that transosseous application of LiUS, with the ultrasound transducers placed directly on the periosteum at the fracture site, can enhance the mechanical properties of the fracture callus and reduce the time to fracture healing. Therefore, transosseous application of LiUS can be used for both enhancement and monitoring of the bone healing process in patients with fracture of long bones.

Η επουλωτική εξεργασία στη διεπιφάνεια οστού-τενοντίου μοσχεύματος αποτελεί μία πολύπλοκη διαδικασία η οποία φαίνεται ότι επηρεάζεται από διάφορους βιολογικούς παράγοντες αλλά και παρά! γοντες μηχανικού στρες. ?στόσο, ο ακριβής μηχανισμός της δεν έχει αποσαφηνιστεί πλήρως. Η πώρωση των καταγμάτων αποτελεί ένα εξίσου πολύπλοκο βιολογικό και μηχανικό φαινόμενο κατά το οποίο στα u948 ιακά αποκα_! 2 ίστανται οι δομικές, λειτουργικές και μηχανικές ιδιότητες του οστού. Δεν είναι σπάνιες οι περιπτώσεις εμφάνισης επιπλοκών (καθυστερημένη πώρωση, ψευδάρθρωση) αυξάνοντας το κόστος θεραπείας κα ! 52 ώς απαιτούνται περαιτέρω χειρουργικές επεμβάσεις. Σκοπός της συγκεκριμένης διατριβής είναι: α) η διερεύνηση και αξιολόγηση της επίδρασης των διοστικών υπερήχων χαμηλής έντασης (LiUS) στην ευόδωση και επιτάχυνση της επουλωτικής εξεργασίας στη δι u949 πιφάνεια οστού- τενοντίου μοσχεύματος μετά από πλαστική αποκατάσταση προσθίου χιαστού συνδέσμου (ΠΧΣ): πειραματική και κλινική μελέτη, και β) η διερεύνηση και αξιολόγηση της κλινικής εφαρμογή! ς των διοστι! κ u974 ν LiUS στην επιτάχυνση της πώρωσης καταγμάτων μακρών οστών καθώς και αξιολόγηση δυνατότητας παρακολούθησης της εξέλιξης της πώρωσης. Κατά την πειραματική μελέτη διερευνήθηκε η διαδικασία συνδεσμοποίησης κατά την ανακατασκευή του ΠΧΣ σε κουνέλια με έλεγχο και αξιολόγηση της έκφρασης των γονιδίων TGF-β1, biglycan, κολλαγόνου τύπο! υ Ι, και tRNAGly με ημιποσοτική RT-PCR και ιστολογική ανάλυση. Η κλινική εφαρμογή LiUS στην ευόδωση και επιτάχυνση της επουλωτικής εξεργασίας στη διεπιφάνεια οστού- τενοντίου μοσχεύματος διερευνήθηκε σ! ε ασθενείς μ! εά από αρθροσκοπική αποκατάσταση ΠΧΣ με έλεγχο των επιπέδων αυξητικών παραγόντων (TGF-β1, IGF) και πρωτεϊνών (OPG, sRANKL, τελοπεπτίδιο κολλαγόνου τύπου Ι - NTx, προκολλαγόνο τύπου Ι) με μέθοδο ELISA καθώς και με απεικονι! στικό έλεγχο. Παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές μεταβολές των επιπέδων έκφρασης των γονιδίων και των πρωτεϊνών μετά την εφαρμογή LiUS τόσο στην πειραματική όσο και την κλινική μελέτη αντίστοιχα. Οι μεταβλές αυτές σχετίζονται με ταχύτερη ωρίμανση και ενσωμάτωση του τενοντίου μοσχεύματος στο οστικό τούνελ κατά την ανακατασκευή του ΠΧΣ με τενόντιο μόσχευμα όπως αποδείχθηκε από την ιστολογι_! 4 ή και την απε! ι u954 ονιστική ανάλυση. Φαίνεται λοιπόν ότι η εφαρμογή των LiUS ευοδώνει και επιταχύνει την επουλωτική εξεργασία στη διεπιφάνεια οστού-τενοντίου μοσχεύματος μέσω μοριακών μονοπατιών και μηχανισμών! που επηρεάζουν την έκφραση σημαντικών γονιδίων και πρωτεϊνικών προϊόντων τους. Η κλινική εφαρμογή διοστικών LiUS για την ευόδωση και επιτάχυνση της πώρωσης καθώς και για την παρακολούθηση της εξέλιξης της πώρωσης των καταγμάτων πραγματοποιήθηκε σε ασθενείς με κάταγμα μακρ! ών οστών. Η αξιολόγηση της επίδρασης των υπερήχων πραγματοποιήθηκε με ακτινολογικό έλεγχο και υπολογιστική τομογραφία. Η εφαρμογή διοστικών υπερήχων τόσο για τη θεραπεία όσο και για την παρακλούθηση τη ! 62 πώρωσης, υποστηρίζεται από ένα ολόκληρο σύστημα τηλεϊατρικής, το οποίο ενσωματώνει μια φορητή συσκευή και μια κεντρική μονάδα διαχείρισης ασθενών. Η εφαρμογή απέδειξε άριστη ανοχή από τους ασ_! 2 ενείς χωρίς επιπλοκές και ανεπιθύμητες ενέργειες και παρατηρήθηκε ότι η ταχύτητα διάδοσης των υπερήχων αυξάνονταν μετεγχειρητικά γεγονός που υποδηλώνει τον σχηματισμό και ωρίμανση πώρου. Η διοστική εφαρμογή LiUS, με την εμφύτευση υπερηχητικών μετατροπέων απευθείας πάνω στο οστό στην περιοχή του κατάγματος, συμβάλλει στην ευόδωση των μηχανικών ιδιοτήτων του πώρου μειώνοντας το χ`! 1 όνο επούλωσης. Φαίνεται λοιπόν ότι το σύστημα διοστικών LiUS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ταυτόχρονη ευόδωση και παρακολούθηση της εξέλιξης της πώρωσης σε ασθενείς με κατάγματα μακρών οστών.