Η επίδραση της χορήγησης α-τοκοφερόλης στην οστική ενσωμάτωση των ορθοπαιδικών εμφυτευμάτων από ανοξείδωτο χάλυβα και στο οξειδωτικό stress

Abstract

Alpha-tocopherol, a well-known antioxidative agent, may have a positive effect on bone formation during the remodeling phase of secondary fracture healing. Fracture healing and osseointegration of implants share common biological pathways; hence, alpha-tocopherol may enhance implant osseointegration. This experimental study, undertaken in the framework of this Ph.D. thesis, assessed the ability of alpha-tocopherol to enhance osseointegration of orthopaedic implants in rats as determined by (1) pull-out strength and removal torque and (2) a histomorphological assessment of bone formation. In addition, we investigated, (3) the correlation between the administration of alpha-tocopherol and the reduction in postoperative oxidative stress that develops after implantation of an orthopaedic implant. This blinded study was performed in study (S), control (C) and negative control (NC) groups, consisting of 15, 15 and 8 young adult male Wistar rats, respectively. On Day 0, a custom-designed stainless-steel screw was implanted in the proximal metaphysis of both tibias of (S) and (C) rats. On Day 1, animals were randomized to receive either alpha-tocopherol (40 mg/kg once per day intraperitoneally) or saline (controls and negative controls). Animals were treated according to identical perioperative and postoperative protocols and were euthanized on Day 29. All animals completed the study and all tibias were suitable for evaluation. Implant pullout strength was assessed in the right tibias, and removal torque and histomorphometric evaluations (that is, volume of newly formed bone surrounding the implant in mm3, percentage of newly formed bone, percentage of bone marrow surrounding the implant per optical field, thickness of newly formed bone in mm, percentage of mineralized bone in newly formed bone, volume of mature newly formed bone surrounding the implant in mm3 and percentage of mineralized newly formed bone per tissue area) were performed in the left tibias. The plasma levels of alpha-tocopherol, malondialdehyde, protein carbonyls and total antioxidant capacity and the erythrocyte lycate levels of glutathione, glutathione disulphide and catalase, were evaluated, as well as the ratio of glutathione to oxidized glutathione, were calculated in all groups. All parameters were statistically different between the alpha-tocopherol- treated and control rats, favoring those in the alpha-tocopherol group. These results using an in vivo rat model support that postoperatively administered alpha-tocopherol can enhance the osseointegration of an orthopaedic implant. These findings suggest that postoperative administration of alpha-tocopherol is a promising approach to enhance osseointegration of orthopaedic implants in patients. Further studies, with different animal models and/or different implants and those evaluating the alpha-tocopherol dose response, are needed before performing clinical trials that will examine whether these promising, preliminary results could be extrapolated to the clinical setting as well.

Η α-τοκοφερόλη, μία κλασική αντιοξειδωτική ουσία, διαδραματίζει θετικό ρόλο στον οστικό μεταβολισμό και κυρίως στην οστική αναδιαμόρφωση, κατά τη φάση της δευτερογενούς πώρωσης του κατάγματος. Τόσο η πώρωση ενός κατάγματος, όσο και η οστεοενσωμάτωση, μοιράζονται κοινές βιολογικές οδούς. Στην πειραματική μελέτη, στο πλαίσιο της διατριβής αυτής, διερευνήθηκε η επίδραση της οξειδωτικής καταπόνησης και της χορήγησης α-τοκοφερόλης, στην οστική ενσωμάτωση ορθοπαιδικών εμφυτευμάτων από ανοξείδωτο χάλυβα. Αυτό καθορίστηκε από: τον προσδιορισμό της δύναμης απόσπασης και της ροπής στρέψης του κοχλία και τον προσδιορισμό ιστομορφομετρικών δεικτών του σχηματισμού των οστών. Επιπρόσθετα, διερευνήσαμε τη σχέση μεταξύ της χορήγησης της α-τοκοφερόλης και της μείωσης της οξειδωτικής καταπόνησης που αναπτύσσεται κατά την τοποθέτηση του ορθοπαιδικού εμφυτεύματος. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 38 νεαροί ενήλικες επίμυες της φυλής Wistar. Οι επίμυες χωρίστηκαν τυχαία σε 3 ομάδες: Α. Ομάδα αρνητικών μαρτύρων (n=8), Β. Ομάδα μαρτύρων (n=15) και Γ. Ομάδα βιταμίνης Ε (α-τοκοφερόλη) (n=15). Κατά την ημέρα 0 ένας ειδικά κατασκευασμένος κοχλίας τοποθετήθηκε στην εγγύς μετάφυση και των δύο κνημών στα ζώα της ομάδας Β και Γ. Κατά την ημέρα 1 χορηγήθηκε α-τοκοφερόλη στη δόση των 40 mg/kg σωματικού βάρους, άπαξ ημερησίως, ενδοπεριτοναϊκά, στα ζώα της ομάδας Γ, ενώ στους επίμυες των δύο άλλων ομάδων χορηγήθηκε φυσιολογικός ορός. Όλα τα ζώα ακολούθησαν το ίδιο περι- και μετεγχειρητικό πρωτόκολλο και θυσιάστηκαν την ημέρα 29. Όλα τα ζώα ολοκλήρωσαν τη μελέτη και όλες οι κνήμες ήταν κατάλληλες για αξιολόγηση. Ο προσδιορισμός της δύναμης απόσπασης του εμφυτεύματος πραγματοποιήθηκε στη δεξιά κνήμη ενώ η ροπή στρέψης του κοχλία και οι ιστομορφομετρικοί δείκτες (ο όγκος του νεοσχηματιζόμενου οστού που περιβάλλει το εμφύτευμα σε mm3, το ποσοστό του νεοσχηματιζόμενου οστού, το ποσοστό του μυελού των οστών που περιβάλλει το εμφύτευμα ανά οπτικό πεδίο, το πάχος του νεοσχηματιζόμενου οστού σε mm, το ποσοστό του ώριμου οστού στο νεοσχηματιζόμενο οστούν, ο όγκος του νεοσχηματιζόμενου ώριμου οστού που περιβάλλει το εμφύτευμα σε mm3 και το ποσοστό του νεοσχηματιζόμενου οστού ως προς το συνολικό οστούν) πραγματοποιήθηκαν στις αριστερές κνήμες. Στο πλάσμα του αίματος όλων των ομάδων προδιορίστηκαν: η συγκέντρωση της α-τοκοφερόλης, της μηλονικής διαλδεϋδης, των πρωτεΐνικών καρβονυλίων καθώς και η ολική αντιοξειδωτική ικανότητα, ενώ στο ερυθροκυτταρικό αιμόλυμα προσδιορίστηκαν η δραστικότητα της καταλάσης και η συγκέντρωση της ανηγμένης και οξειδωμένης γλουταθειόνης, καθώς και του λόγου τους. Διαπιστώθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ της ομάδας της βιταμίνης Ε και της ομάδας των μαρτύρων σε όλες τις παραμέτρους που εξετάστηκαν. Από τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, με τη χρήση ενός in vivo ζωικού προτύπου, συνάγεται ότι η μετεγχειρητική χορήγηση της α-τοκοφερόλης προάγει την οστεοενσωμάτωση των ορθοπαιδικών εμφυτευμάτων και ενισχύεται η άποψη ότι η μετεγχειρητική χορήγηση της α-τοκοφερόλης είναι μία πολλά υποσχόμενη προσέγγιση επαγωγής της οστεοενσωμάτωσης στον άνθρωπο. Όμως, απαιτούνται περαιτέρω μελέτες, με τη χρήση διαφορετικών ζωικών προτύπων, ή/και τη χρήση διαφορετικών εμφυτευμάτων, ή/και διαφορετικών συγκεντρώσεων α-τοκοφερόλης, πριν την εφαρμογή των συμπερασμάτων της διατριβής αυτής στην κλινική πράξη.