Dipartimento di Scienze Biomediche e Terapie Avanzate Sezione di Clinica Ortopedica e Traumatologica Direttore: Prof. Leo Massari Rationale dell’utiizzo della Stimolazione Biofisica (Campi ElettroMagnetici Pulsanti) nelle mobilizzazioni protesiche L. MASSARI

Lo scollamento degli impianti protesici è ancora una grave complicanza in chirurgia ricostruttiva ortopedica Fattori legati alla chirurgia Fattori legati all’impianto (usura, osteolisi, rottura protesi o cemento…) Fattori legati al paziente

Cosa fare? Strategie per migliorare i processi di rigenerazione ossea all’interfaccia osso/biomateriale Terapie da associare a tecniche chirurgiche standard che contribuiscono ad accelerare la crescita ossea ed il legame osso-biomateriale.

Si può agire sul: BIOMATERIALE TESSUTO OSSEO Mezzi chimici Biocompatibile Meccanicamente stabile Osteoconduttività Osteoinduttività Mezzi chimici Mezzi fisici Growth factors, PRP, gel di piastrine MSC Bifosfonati Aminoacidi (L-arginine, L-Lysine) Innesti ossei

FISICA CHIMICA CELLULARE ATTIVITA' BIOLOGICA OSTEOINDUZIONE

Stimolazione biofisica e osteointegrazione periprotesica: RATIONALE La rigenerazione ossea attorno agli impianti attiva processi osteogenici “simili” a quelli presenti durante la riparazione di fratture e perdite di sostanza ossee. Le tecniche di stimolazione biofisica con CEMP sono già standardizzate in clinica da molti anni

Chi trattare? Stimolazione biosifica La frattura è allineata? Sì FRATTURA Fine del trattamento Il gap osseo è Guarito Non guarito maggiore di metà del diametro dell’osso La frattura è adeguatamente immobilizzata ? Al primo controllo: X-ray No Richiesto intervento minore di metà del diametro dell’osso No progressione (non responders) Continuare stimolazione fino a guarigione Progressione verso la guarigione (responder) Terminare la stimolazione Chirurgia Stimolazione biosifica Dopo 90 giorni STEP - 1 STEP - 2 STEP - 3 STEP - 4 Chi trattare? Quindi chi trattiamo? 3 sono le domande fondamentali alle quali dobbiamo rispondere prima di iniziare un trattamento biofisico! (Leggerle) se quindi il problema di ordine meccanico è risolto possiamo iniziare il trattamento biofisico e lo prolunghiamo fino al rpimo controllo radiografico dove valuteremo se la patologia si è risolta oppure no. In caso negativo valuteremo dalle rx se c’è stata una evoluzione del callo osseo; se il paziente ha risposto positivamente alla stimolazione, prolungherà il trattamento fino a consolidazione; se non c’è stata evoluzione del callo allora il trattamento biofisico non è idoneo al paziente e si sostituirà con un trattamento alternativo, quale ad es la chirurgia.

Con quale tecnica? Inductive System Mechanical system Capacitive system Nelson, 2003 PEMF CCEF LIPU

CUTE ELETTRODO CAMPO ELETTRICO TECNICA CAPACITIVA

Shigino et al, The International Journal of Prosthodontics, 2000 30 35 40 45 50 55 60 25 CONTROLLO 14 CCEF 14 CONTROLLO 21 CCEF 21 CONTROLLO 90 TECNICA CAPACITIVA Shigino et al, The International Journal of Prosthodontics, 2000 Bone - area ratio (%) Days after implant placement Gruppo di controllo a 14 giorni Gruppo di stimolazione a 14 giorni

ULTRASUONI A = ampiezza, T = periodo T A In clinica: 1.5 MHz

ULTRASUONI Tanzer et al, JOR, 2001 Crescita cellulare all’interno di un biomateriale poroso posto nella zona midollare dell’ulna di un cane. ULTRASUONI Control Ultrasound

TECNICA INDUTTIVA

Fassina in un recente lavoro comparso su BIOSTIM Controllo Fassina in un recente lavoro comparso su Tissue Engineering ha dimostrato che lʼesposizione di cellule ossee cresciute su un supporto poroso di poliuretano ed esposte ad un campo elettromagnetico (Biostim) determinava un aumento della proliferazione cellulare, della produzione di matrice calcificata e si accompagnava ad un aumento significativo dei costituenti della matrice extracellulare, decorina, osteocalcina, osteopontina, collagene I e II, e determinava un significativo aumento della sintesi di TGF-β L'osteocalcina è la più importante proteina non collagena della matrice ossea. Nel corso dell'osteoformazione, l'osteocalcina viene sintetizzata dagli osteoblasti.

Tecnica induttiva REFERENCES STUDY RESULTS Shimizu T et al J Orthop Res (1988)6 :248 - 258 8h/day PEMFs (1.5 Hz) (1,2,3,4,6 weeks) in rabbits after trabecular HA and TCP implant the amount of new bone was significantly greater in stimulated animals Spadaro JA et al J Ort hop Res (1990)8 :685 693 4h/day (15 Hz) for 3 weeks in rabbits after a stationary or movable SSt medullar implant treated movable femural implants presented 44% more bone than untreated ones Ijiri K et al Anticancer Res (1996)16 :2853 - 56 5 a nd 10 h /day PEMFs (10 Hz) (2 weeks) in rabbits after Ti intramedullary implant more active osteogenesis in stimulated animals Matsumoto H et al Clin Oral Implants Res 2000 ;11 :354 60 Different field intensities, exposure times and treatment duration af ter Ti6Al4V implant ation in the distal femur of rabbits Bone contact and bone area ratio of stimulated animals were significantly higher Ottani V et al Micron 2002 ; 33 :121 5 30 min/day (50 Hz) (2 and 4 weeks) after HA implantation PEMF treated a nimals showed more advanced bone formation Buzzà EP et al. No significant di fferen ces 30 min /day for 3 and 6 weeks after Implant Dent 2003;12:182 - between PEMF - treated and Ti implantation 187 control animals

OSSO TRABECOLARE OSSO CORTICALE SCOPO DELLA RICERCA Valutare la stimolazione CEMP come possibile terapia adiuvante dopo impianto di HA. OSSO TRABECOLARE OSSO CORTICALE

MICRODURIMETRIA HA CONTROLLO 10 20 30 40 50 60 70 200m 500m 1000m 2000m CONTROLLO CEMP La differenza tra CEMP e Controllo diminuisce in modo direttamente proporzionale alla distanza Fini. M et al., J. Orthop. Res., 2002

Fini et al. JBJS, 2006: osso corticale. B:Bone nb:new bone HA:hydroxyapatite BIOSTIM CONTROLLO

Risultati dei test meccanici a 3 settimane Control Biostim p< Maximum push out force (N) 87 ± 3 234 ± 21 0.001 Ultimate sheer strength at interface (MPa) 6.3 ± 0.1 14.6 ± 0.8 Fini et al. JBJS, 2006

CONCLUSIONI La stimolazione con CEMP ha accelerato i processi di osteointegrazione dell’HA sia nell’osso trabecolare che corticale Dopo 3-settimane di stimolazione CEMP: in osso CORTICALE: ↑ AI 27% a 3 settimane 29% a 6 settimane ↑ BMI 42% a 3 settimane 20% a 6 settimane ↑ osteointegrazione meccanica 130% a 3 settimane 12% a 6 settimane in osso TRABECOLARE: ↑ AI 46% a 3 settimane 16% a 6 settimane ↑ BMI 32% a 3 settimane

CONCLUSIONI Scarsa qualità dell’osso sede dell’impianto I risultati sperimentali suggeriscono che la stimolazione con CEMP rappresenti una terapia adiuvante per accelerare i processi di rigenerazione endogena ossea attorno agli impianti in presenza di: Scarsa qualità dell’osso sede dell’impianto Patologie sistemiche e locali Chirurgia di revisione: Osteoporosi ed età avanzata Deficit biologici che influenzano negativamente sulla rigenerazione ed il rimodellamento osseo

Obiettivo Favorire l’osteogenesi Favorire l’attecchimento dell’impianto Favorire il recupero funzionale del paziente

Double blind study 30 patients who had undergone hip prosthesis revision All the replacements were performed with Wagner SL revision Clinical evaluation: Merle D’Aubignè DEXA evaluation : Gruen zone (Norland) post-operatively and at 90 days after surgery Stimulation was started within 7 days from the operation and was maintained up to day 90

Preop. Postop.

F.up 2a

15 pazienti 15 pazienti Casistica : 30 pazienti Studio a doppio cieco Gruppo di studio : 15 pazienti Gruppo di controllo : 15 pazienti

Gruppo di studio : CEMP per 90 giorni

Apparecchio utilizzato: BIOSTIM - IGEA -

Densitometro A doppio raggio fotonico ( DEXA )

Densitometria • Post - op. • 90 giorni

Aree studiate A1 A2 B1 A3 B2

{ { Gruppo di studio Gruppo di controllo 6 Dx 9 Sn 14 1 5 Dx 10 Sn Sesso: 68,5 aa. 6 Dx 9 Sn min. 54 aa. max. 82 aa. std. +/- 8.7 Età: Lato: 14 1 { Sesso: 68,7 aa. 5 Dx 10 Sn min. 57 aa. max. 77 aa. std. +/- 5.4 Età: Lato: { 13 2

{ { Gruppo di studio: 156,8 cm. 64,5 kg Peso: Altezza media: min. 150 cm. max. 170 cm. std. 6.4 { 64,5 kg min. 52 kg max. 85 kg std. 9 Peso: Altezza media: Gruppo di controllo: 157 cm. min. 145 cm. max. 170,75 cm. std. 8.1 { 66,9 kg min. 50 kg max. 88 kg std. 9.3 Peso: Altezza media:

Protesi espiantate Non cementate 3 Cementate 12 Non cementate 4 Gruppo di studio: Non cementate 3 Cementate 12 Gruppo di controllo: Non cementate 4 Cementate 11

Classificazione G.I.R. - Stelo: I grado Allargamento canale femorale Assottigliamento della corticale senza interruzione delle pareti II grado Allargamento canale femorale Assottigliamento della corticale Interruzione di una zona III grado Allargamento canale femorale Assottigliamento della corticale Interruzione > 2 zone IV grado Perdita ossea massiva G.S. 5 G.S. 7 G.S. 3 G.S. G.C. 6 G.C. 8 G.C. 1 G.C.

Classificazione Merle D’Aubigné - Charnley Severo anche a riposo: contrattura antalgica Con grave limitazione delle attività Presente sotto carico: assente a riposo Saltuario Assente Flessione < 15° < 40° > 40° Flessione > 60° Riesce a tagliarsi le unghie tra 80° e 90° Abduzione > 15° > 90° > 30° Impossibile Possibile solo con 2 bastoni Sempre con 1 bastone: per brevi tratti con zoppia senza bastone Buona con Nessun bastone Modesta zoppia Normale Dolore : Deambulazione : Motilità : 1 2 3 4 5 6 Punteggio:

3,2 ( min. 2 - max. 5 ) 3,4 ( min. 2 - max. 5 ) Dolore pre-op. Gruppo di studio: Dolore pre-op. 3,2 ( min. 2 - max. 5 ) Gruppo di controllo: Dolore pre-op. 3,4 ( min. 2 - max. 5 )

5,7 ( min. 5 - max. 6 ) 4,9 ( min. 4 - max. 6 ) Dolore Follow-up Gruppo di studio: Dolore Follow-up 5,7 ( min. 5 - max. 6 ) Gruppo di controllo: Dolore Follow-up 4,9 ( min. 4 - max. 6 )

Complicazioni Ossificazioni Brooker I grado 1 caso: gruppo di studio

B1 Risponde Non Risponde GS GC 90 % 40 % 10 % 60 % P = < 0,01

% di miglioramento M. d’Aubignè RESULTS 60 90 30 BIOSTIM PLACEBO DEXA % DEXA IN AUMENTO RECUPERO FUNZIONALE % di miglioramento M. d’Aubignè

Conclusioni Trattamento > 6 ore/giorno Buona risposta nelle zone non interessate dall’ osteotomia Effetto antalgico

Gradi di valutazione secondo Merlè d’Aubignè Dolore Padovani G. et al,1999 assente Gradi di valutazione secondo Merlè d’Aubignè Severo anche a riposo

Dolore Rispoli F.P.. et al,1989 Giorni di stimolazione

Conclusioni L’impiego degli stimoli fisici per favorire l’osteogenesi si fonda su un valido e solido razionale scientifico. La terapia biofisica deve essere effettuata con metodiche efficaci e secondo le modalità indicate. La STIMOLAZIONE BIOFISICA può favorire: la guarigione ossea come dimostrato dalle indagini radiografiche; la mineralizzazione periprotesica come dimostrato dall’indagine DEXA; il recupero clinico del paziente con effetto mantenuto nel tempo.

GRAZIE