Klinisk anvendelse af knoglesubstitutter inden for ortopædkirurgi

Knogletransplantation i form af autolog eller allogen knoglegraft er essentielle procedurer inden for en række ortopædkirurgiske indgreb, hvor der er knogletab eller ved stivgørende indgreb. Der er over det seneste årti sket en øgning af anvendelsen af knoglegraft specielt inden for rygkirurgi og revisionsalloplastikker. Anvendelse af knoglegraft medfører dog ikke altid den tilsigtede knogledannelse, og patienterne har ofte gener fra graftdonorstedet. Bioteknologisk forskning har derfor gennem de seneste to årtier arbejdet på at finde erstatninger for knoglegraft. Disse knoglesubstitutter bygger typisk på kalciumbaserede keramikker, vækstfaktorer, knogledannende celler eller kombinationer af disse. Nogle er allerede kommercielt tilgængelige, men mange flere forventes at blive markedsført i de kommende år. Denne oversigt vil gennemgå forskellige typer af knoglesubstitutter og give en status over de nuværende kliniske erfaringer med brugen af knoglesubstitutter inden for ortopædkirurgi.

Anvendelse af knoglegraft er essentiel ved adskillige ortopædkirurgiske indgreb både inden for frakturbehandling og ved rekonstruktive indgreb, hvor der er knogletab eller behov for knoglenydannelse, såsom stivgørende rygoperationer. Man anvender to typer af knoglegraft, nemlig autolog knoglegraft eller allogen knoglegraft (bankknogle). Disse har forskellige fordele og ulemper, således har man med autolog knoglegraft bedre mulighed for at stimulere knogledannelse og indvækst end med allogen knoglegraft. Dette skyldes intakte vækstfaktorer i knoglematrix, delvis overlevelse af celler i graften, og at en autolog graft ikke udløser immunologiske reaktioner. Anvendelse af autolog knoglegraft har dog flere ulemper, idet den mængde, som kan udtages, ofte er begrænset, og udtagelse af graft er forbundet med en betydelig incidens af fokal morbiditet, således at 30-40% har gener fra donorstedet i form af smerter og dysæstesi seks måneder postoperativt [1] (Tabel 1 ). Ved anvendelse af allogen knoglegraft er risiko for viral smitte, bakteriel kontaminering, immunreaktioner og reduceret knoglehelingsrespons de væsentligste problemer. Til gengæld kan allogen knoglegraft fremskaffes i næsten ubegrænsede mængder.

På grund af de ovennævnte problemer ved anvendelse af konventionelle knoglegrafttyper har der over de seneste to årtier været udført en stadigt stigende forskningaktivitet for at udvikle erstatninger for knoglegraft til mennesker. Disse nye knoglesubstitutter er primært baseret på kalciumforbindelser, som efterligner det naturlige knoglemineral hydroxyapatit (HA). Men også nyere knoglesubstitutter, der er baseret på vækstfaktorer, stamceller og genterapi, er under udvikling.

Der er defineret tre typer egenskaber, som et optimalt knoglesubstitut skal besidde (Tabel 2 ). For at fremstille knoglesubstitutter med alle disse egenskaber er det ofte nødvendigt at konstruere kompositmaterialer, som f.eks. kan bestå af vækstfaktorer, celler og en matrix af mineral. I denne oversigt gennemgås de eksisterende typer af knoglesubstitutter og de kliniske anvendelsesmuligheder og erfaringer. Mulige fremtidige typer af knoglesubstitutter vil kort blive gennemgået (Tabel 3 ).

Kalciumfosfatknoglesubstitut
Biologisk hydroxyapatit

HA er det naturligt forekommende knoglemineral og har den kemiske formel Ca10 (PO4 )6 (OH)2 . Koralderiveret HA produceres fra koralarter, som naturligt har en porestørrelse på 200-500 μ m, hvilket svarer til porøsiteten af trabekulær knogle. HA er sammen med den porøse struktur biologisk osteokonduktivt. Porøst HA's mekaniske egenskaber tåler ikke direkte vægtbelastning. Der findes talrige kliniske rapporter om anvendelsen af koral-HA-produkter. Inden for ortopædkirurgi har koral-HA været anvendt til fyldning af metafysære defekter [2], som supplement til osteosyntese ved Colles frakturer [3] og som graft ved anterior cervikal dese med metalimplantat [4]. Disse studier var ukontrollerede retrospektive serier. Også syntetiske HA-produkter er i dag tilgængelige, men der er ingen publicerede studier om disse.

Trikalciumfosfat

Trikalciumfosfat (TCP) er som HA et kalciumfosfat med formlen (Ca3 [PO4 ]2 ). TCP resorberes i modsætning til HA hurtigt in vivo (få måneder). TCP anvendes både som rent materiale, som komponent i kalciumfosfatcement eller i kombination med andre kalciumfosfater. Ligesom porøs HA virker TCP osteokonduktivt. Til anvendelse som knoglesubstitut fås TCP typisk som et porøs produkt, som findes både som granulat og i blokke.

TCP har med succes været anvendt til udfyldning af knogledefekter efter fjernelse af knoglecyster efter op til syv års opfølgning [5]. TCP har inden for rygkirurgi været anvendt som granulat opblandet med autograft ved behov for deser på flere niveauer, samt som fuldstændig erstatning af autograft ved anvendelse af større blokke af porøs TCP. Anvendelse af TCP gav samme kliniske resultater som anvendelse af konventionel knoglegraft [6].

Bifasiske kalciumfosfatkeramikker (BCP), som består af både HA og TCP, er for nylig blevet udviklet. De kliniske erfaringer med disse nye bifasiske keramiske knoglesubstitutter er begrænsede, og der findes endnu ikke publicerede resultater.

Vækstfaktorbaserede knoglesubstitutter

En lang række vækstfaktorer kan isoleres fra knogler, af hvilke bone morphogenetic protein (BMP), transforming growth factor (TGF), insulin-like growth factor (IGF), platelet derived growth factor (PDGF) og fibroblast growth factor (FGF) er de bedst undersøgte. Vækstfaktorers betydning for knoglevækst, frakturheling og remodellering er velkendt [7] (Fig. 1 ).

I et nyere klinisk studie med 450 patienter anvendtes recombinant human bone morphogenetic protein 2 (rhBMP-2) i åbne tibiafrakturer i to forskellige koncentrationer i kombination med en kollagen bærermatrix og blev testet over for isoleret marvsømning. Efter fire måneder var 60% af frakturerne radiologisk helede ved BMP-2-behandling og kun 30% ved marvsømning alene [8]. I et større, klinisk randomiseret studie har man endvidere vist, at BMP-2 kombineret med kollagen (InFuse bone substitute, Sofamor Danek) kan inducere spinalfusion ved lumbal spondylodesekirurgi på niveau med autograft [9]. Et andet BMP-produkt, RhBMP-7 (osteogenic protein 1 [OP-1]) (Osigraft, Stryker Biotech) har været anvendt med en kollagen-carrier i en række eksperimentelle og nu kliniske forsøg. I et randomiseret prospektivt studie anvendtes OP-1 i tibia-pseudartroser med autograft som kontrol ved i alt 124 frakturer, som alle blev behandlet med marvsømsosteosyntese. OP-1 viste sig at være lige så effektivt som autograft og er nu godkendt i EU og USA til klinisk brug til behandling af pseudartroser [10]. Der findes ingen studier, hvor man sammenligner effekten af BMP-2 og BMP-7. Ud over at øge knoglenydannelsen, er OP-1 påvist at kunne stimulere resorption af knoglegraft [11].

Trombocytter indeholder flere vækstfaktorer. Ved at opkoncentrere trombocytterne fra autologt blod dannes en gele af trombocytberiget plasma, som er vist at kunne stimulere knogleheling i kombination med allogen knoglegraft [12].

Andre typer af knoglesubstitutter
Kalciumsulfat

Gips, kalciumsulfat, er første gang beskrevet anvendt til behandling af knogledefekter i 1892 [13]. Siden er det kun sporadisk anvendt indtil markedsføring (af Osteoset, Wright Medical) i 1990'erne. Osteoset er et højkrystallingips. De mekaniske egenskaber af Osteoset tåler ikke vægtbæring. I forhold til HA-baserede materialer resorberes Osteoset væsentlig hurtigere, hvilket biologisk kan være et problem, såfremt knoglehelingen ikke er tilstrækkelig hurtig. Der er publiceret få kliniske opgørelser af Osteoset med anvendelse af materialet i forbindelse med behandling af blandt andet knoglecyster. Mirzayan et al beskrev en serie på 13 patienter, hvor knogledefekter med forskellig lokalisation blev behandlet med Osteoset. Alle defekter helede, bedømt ved almindelige røntgenoptagelser [14]. Imidlertid har man i et klinisk, prospektivt, randomiseret studium ikke kunnet påvise effekt af Osteoset i forhold til ingen graft-materiale i tibiadefekter opstået efter udtagning af patellasene-graft ved korsbåndsrekonstruktion [15].

Bioglaskeramikker

Visse glaskeramikker (siliciumoxidholdige keramikker) har vist sig at være biokompatible over for knoglevæv. Glaskeramik har endvidere gode biomekaniske egenskaber med en kompressionsstyrke, som overstiger kortikal knogles. Disse egenskaber har medført udvikling af flere bioglasbaserede produkter. Således findes solide implantater til erstatning af corpus vertebrae ved tumorresektioner og som knoglefylder efter knoglegrafthøst fra crista iliaca. I et studie med implantation af bioglasimplantater i crista iliaca-defekter efter knoglehøst blev 93% af 60 patienter smertefrie ved donorstedet efter bioglasimplantation [16].

Collagraft

Collagraft er et kompositprodukt, som består at kalciumfosfat i form af 60% HA og 40% TCP kombineret med bovint kollagen. Ved anvendelse kan man tilblande knoglemarvsaspirat peroperativt. Produktet er undersøgt i en større serie, hvor der i et multicenterstudie inkluderedes 213 patienter med operativt behandlede rørknoglefrakturer. Collagraft blev testet over for autolog knoglegraft. Man fandt ens helingsrate og ens kliniske resulter efter 24 måneders opfølgning [17].

Norian Skeletal Repair System

Norian Skeletal Repair System (SRS) er et cementprodukt
baseret på kalciumfosfat/kalciumcarbonat, som kan injiceres i knogledefekter og knoglebrud. Cementen hærder på ti minutter og kan derved bidrage til stabilisering af frakturer. Det størknede produkt har en høj kompressionsstyrke og har desuden osteokonduktive egenskaber. Norian SRS resorberes over 1-2 år under dannelse af nyt knoglevæv. Produktet er velundersøgt klinisk ved ustabile Colles' frakturer, hvor man i bl.a. to randomiserede studier har vist positiv effekt af Norian SRS-injektion, hvad angår frakturstilling, håndledsstyrke og andre kliniske parametre [18, 19]. Præliminære kliniske studier tyder også på, at hoftenære frakturer kan behandles med injektion af Norian SRS, hvilket potentielt kunne minimere omfanget af de osteosynteseindgreb, som anvendes i dag [20].

Demineraliseret knoglematrix

Osteoinduktion, som er evnen til at stimulere knogledannelse uden for knoglevæv, er en kendt egenskab for demineraliseret knoglematrix (DBM). Ved demineraliseringsprocessen aktiveres og frigøres bioaktive stoffer, som har høj osteoinduktionsevne.

Kommercielle præparationer af DBM findes i pulver- og gelform. Disse produkter har ringe mekaniske egenskaber og kan derfor kun bruges kirurgisk, hvis man har en form for fiksering af produktet. Grafton er et DBM-produkt, hvor der er tilsat en glycerolforbindelse for at få en gelformulering. Et andet DBM-produkt, DBX, er tilsat hyaluronsyre af samme årsag. Trods lovende prækliniske forsøg med DBM har de kliniske erfaringer været varierende [21]. DBM blandet med allograft har været undersøgt over for autograft ved cervikal spondylodesekirurgi, og her fandtes dårligere heling med DBM/allograft [22].

Colloss er et proteinekstrakt fra bovint knoglevæv. Proteinekstraktet indeholder både bioaktive vækstfaktorer og matrixproteiner. Colloss har været undersøgt ved spinal desekirurgi, hvor det stimulerede heling på niveau med autograft [23].

Fremtidige knoglesubstitutter

I de senere år har der været en stigende fokus på muligheden for stamcelletransplantation og genterapi i relation til knoglegraftsubstitutter, frakturheling og reparation af vævsdefekter bl.a. på knogler, brusk, menisker og sener.

Stamceller

Stromale knoglemarvsceller er progenitorer for bl.a. skeletale vævskomponenter. Stromale stamceller er let tilgængelige i knoglemarv, hvorfra de kan opformeres og stimuleres til differentiering til knogledannende celler in vitro. I eksperimentelle prækliniske studier har man anvendt stromal marvcelletransplantation bl.a. ved rekonstruktion af større knogledefekter lokalt [24]. Dog forestår der fortsat et større arbejde for at optimere procedurerne, herunder ideelle in vitro ekspansionsforhold, den ideelle struktur og sammensætning af carrier og bestemmelsen af det nødvendige celleantal for regeneration af et bestemt knoglevolumen.

Genterapi

Genterapi er en proces, hvorved et terapeutisk protein syntetiseres fra et DNA-molekyle (gen), som er blevet introduceret i cellerne. I prækliniske studier har man vist mulighed for at overføre gener til knoglevæv, ledbrusk, menisker, muskler og ligamenter. Målet er at producere det ønskede protein i den rigtige mængde og på den rigtige lokalisation. En lang række ortopædkirurgiske lidelser kan potentielt behandles ved hjælp af genterapi.

Dette kan have klinisk relevans i relation til protese-, pseudartrose- og spinal spondylosedesekirurgi samt ved behandling af segmentale knogledefekter. I 1999 påviste Lieberman et al heling af knogledefekter efter injektion af det adenovirusvektorbærende humane BMP-2 gen [25]. Genterapeutiske principper kan således anven des til stimulation af knogledannelse. Hvorvidt der i fremtiden vil findes fordele ved genterapimedieret knoglestimulation i forhold til andre knoglesubstitutter er uvist.

Konklusion

Som det fremgår af denne oversigt, findes der allerede et større udvalg af knoglegraftsubstitutter, som kan erstatte eller supplere almindelig knogletransplantation i forskellige kirurgiske situationer. Langt de fleste af disse nye knoglesubstitutters effektivitet mhp. stimulering af knogledannelse er kun sparsomt belyst i kontrollerende kliniske forsøg. Knoglesubstitter som porøs TCP, koral-HA og kalciumfosfatcement kan anvendes til fyldning af ubelastede knogledefekter efter tumorfjernelse (2a, evidensniveau). Der findes flere kliniske studier, hvori man støtter en sådan anvendelse. Med hensyn til mekanisk belastet knoglevæv er de eksisterende knoglesubstitutters mekaniske egenskaber endnu ikke gode nok til sikkert at kunne anvendes. Dog er der rimelig klinisk dokumentation for, at visse kalciumfosfatcementtyper kan anvendes til stabilisering af moderat belastede metafysære frakturer (1b, evidensniveau). I nye større kliniske studier har man imidlertid vist lovende resultater med vækstfaktorbaserede knoglesubstitutter inden for spinal desekirurgi og ved åben frakturkirurgi samt ved pseudartroser efter kort opfølgning (1b, evidensniveau). Vi mener derfor, at anvendelse af disse produkter bør foregå som projekter, indtil man i yderligere studier fastslår langtidsresultater og præciserer indikationer. Sikre indikationer for anvendelse af knoglesubstitut er således endnu dårligt definerede. På trods af dette er der både i videnskabelige og kommercielle kredse store forhåbninger til, at disse produkter helt vil kunne erstatte autolog og allogen knogletransplantation. Den hastige udvikling inden for bioteknologisk forskning med udvikling af nye biomaterialer og landvindinger inden for vævsregeneration vil måske i fremtiden skabe helt nye behandlingsmuligheder med regeneration af knoglevæv.

Martin C. Lind , Ortopædisk Forsknings Laboratorium,
Århus Kommunehospital, Århus Universitetshospital, Nørrebrogade 44,
Bygning 1A, DK-8000 Århus C.

Antaget den 8. maj 2003.

Århus Universitetshospital, Århus Kommunehospital, Ortopædisk Forsknings Laboratorium.