Kritik boyutlu kemik defektlerinde desferroksamin uygulamasının kemik greft iyilşemesi üzerine etkisi
The effects of desferroxamine on bone graft healing in critical-size bone defects
Yazar: SERBÜLENT GÜZEY
Danışman: PROF. DR. SERDAR ÖZTÜRK
GATA / Tıp Fakültesi / Plastik Rekonstrüktif ve Estetik Cerrahi Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2013
Konu: Plastik ve Rekonstrüktif Cerrahi = Plastic and Reconstructive Surgery
Dizin: Anjiyogenez inhibitörleri = Angiogenesis inhibitors ; Biyomekanik = Biomechanics ; Deferoksamin = Deferoxamine ; Kemik defektleri = Bone defects ; Kemik nakli = Bone transplantation ; Kemik ve kemikler = Bone and bones ; Kırık iyileşmesi = Fracture healing ; Osteoblastlar = Osteoblasts ; Yara iyileşmesi = Wound healing

Özet:
Kritik büyüklükte kemik defekti organizmanın yaşamı boyunca kendiliğinden iyileşemeyecek en küçük boyuttaki kemik içi defekti olarak bilinmekte ve onarımında kemik greft materyallerinin kullanımına ihtiyaç göstermektedir. Defekt boyutunun fazla olduğu ve alıcı sahada yetersiz vaskülarizasyon bulunan durumlarda ise serbest kemik greft materyallerinin kullanımı kısıtlanmakta, tedavide vaskülarize kemik greft uygulamaları ön plana çıkmaktadır. Mikrocerrahi teknikler yardımıyla osseöz fleplerin aktarımı her ne kadar rutin kullanımda yer bulmuş olsa da yöntemin zorluğu, oluşturduğu komorbiditeler ve komplikasyon oranları göz önüne alındığında her hastada aynı etkinlikte uygulanamayabilmektedir. Bu olguların onarımında ise defekt boyutunda azalma sağlayıcı teknikler ile greft inkorporasyonunu arttırıcı yaklaşımlar tedavide önemli yer tutmaktadır.
Desferroksamin (DFO) uzun süredir sık transfüzyon uygulanan olgularda kronik demir birikiminin önüne geçmek amacıyla demir bağlayıcı bir şelatör olarak kullanılmaktadır. DFO'nin kemik iyileşmesi üzerinde oluşturduğu etkilere yönelik yapılan çalışmalarda Hypoxia inducible factor 1 alfa (HIF-1) seviyelerinde artışa bağlı VEGF sentezini arttırdığı ortaya koyulmuştur. Bir büyüme faktörü olan VEGF'nün kemik dokusu üzerine oluşturduğu etkiler ise; vaskülariteyi arttırma, osteoblastik aktiviteyi tetikleme ve osteblastik dönüşümü stimüle etme yönündedir.
Bu çalışmada DFO uygulamasının kemik greft iyileşmesi ve kritik boyutlu kemik defektlerinde osteogenez üzerine etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır.
Çalışmamız için sıçan zigomatik ark kritik boyutlu kemik defekt modeli (5 mm.) seçildi. Deney hayvan sarfının azaltılması için 350-400 gram ağırlığında 32 adet Sprague-Dawley sıçanın sağ taraftaki zigomatik arklarının çalışma, sol taraftaki zigomatik arklarının ise kontrol grubunu oluşturması planlanarak (sıçan=32, n=64), denekler 16'şar zigomatik arktan oluşan 4 gruba ayrıldı. Grup 1 deneklerde sağ zigomatik arkta defekt oluşturulmasını takiben karşı taraftan elde edilen kemik grefti ile onarım uygulanırken, operasyon öncesi 7. günden başlayarak 45. güne kadar devam eden 200 microM/300 microL dozunda DFO (Desferal 0.5g flakon, Novartis, İsviçre) enjeksiyonu yapıldı. Grup 2 denekler ise, Grup 1 deneklerin kontrol grubunu oluşturdu ve Grup 1 ile aynı sıçanların sol zigomatik arkında oluşturulan defektler sağ taraftan elde edilen greftlerle onarıldı. Bu grup deneklerde 1. Gruptan farklı olarak DFO yerine %0.9 NaCl enjeksiyonu uygulandı. Grup 3 ve 4 deneklerde defekt oluşturulması sonrasında herhangi bir onarım yapılmazken, Grup 3 deneklerde postoperatif 45 gün süresince DFO enjeksiyonu, Grup 4 deneklerde ise %0.9 NaCl enjeksiyonu uygulandı.
Cerrahi prosedür sonrasında 1 ve 6. haftada 8'er sıçan, 12. haftada ise geride kalan 16 sıçan sakrifiye edilerek histolojik inceleme yapıldı. Histolojik değerlendirme aşamasında örnekler alınırken çevre dokuda oluşan vaskülarite ve iyileşme klinik olarak değerlendirildi. Bunun dışında sıçanlara 2, 4, 8 ve 12. haftalarda bilgisayarlı tomografi yardımıyla radyolojik görüntüleme uygulanırken, 12. haftanın sonunda Grup 1 ve 2 deneklere 3 nokta eğme testi yapılarak biyomekanik özellikleri analiz edildi.
Grup 3 ve 4 deneklerdeki kemik defekt boyutundaki azalmanın radyolojik değerlendirmesinde 4, 8 ve 12. haftalarda istatistiksel olarak anlamlı (p<0.05, Wilcoxon testi) farklılık izlendi. 1 ve 2. Grupta kemik greft hacminde oluşan değişikliklerin değerlendirmesinde ise tüm haftalarda istatistiksel farlılığın (p<0.05, Wilcoxon testi) bulunduğu saptandı. Histolojik değerlendirmede Grup 1 ve 3?te yer alan deneklerde kontrol gruplarına oranla tüm haftalarda artmış osteoblastik yoğunluk izlenirken, vaskülarite oranının da benzer şekilde fazla olduğu (p<0.05, Eşleştirilmiş T testi) gözlemlendi. Bunun dışında osteoblastik aktivitenin değerlendirmesinde tüm gruplarda 6 ile 12. hafta arasında belirgin bir düşüş gözlemlenirken, osteoklastik aktivitede ise 1 ve 6. hafta arasında anlamlı farklılık (p<0.05, Eşleştirilmiş T testi) bulundu. 12. haftanın sonunda örneklerin biyomekanik incelemesi sonucunda Grup 1 deneklerde artmış kemik gücü izlenirken, yapısal değişiklik saptanmadı.
Çalışmada DFO uygulamasının kemik greft inkorporasyonunu arttırdığı ve kritik boyutlu kemik defektlerinde, defekt boyutunda azalmaya yol açtığı gösterildi. Bu yönüyle DFO gerek riskli bölgelerde greft inkorporasyonunu arttırma, gerekse vaskülarize kemik grefti aktarımı için uygun olmayan hastalarda defekt boyutunun ve alıcı sahanın greftle onarıma uygun şekle getirilmesi amacıyla kullanılabileceği düşünüldü. Bunun dışında DFO uygulanan Grup 1 sıçanlarda hacimsel artışa bağlı kemik gücünde artma saptanırken, bu etkinin kortikal kemik greftlerinde erken dönemde başlayan mekanik destek azalmasını sınırlandırabileceği öngörüldü.
DFO tedavisinin şuan için sadece intravenöz ve intramuskuler yönden uygulanması sebebiyle lokal tedaviye yönelik ek çalışmaların yapılması durumunda klinik kullanımda kendisine yer bulabileceğini düşünmekteyiz.

Abstract:
Critical-size bone defect is known the smallest size defect in the bone which can not heal spontaneously throughout the life of an organism and therefore bone graft materials are needed during the repair. The use of free graft materials are limited when the defect is large and there is insufficient vascularization. Therefore vascularized bone grafts are needed for these defects. Even though osseous flap transfer is used routinely with the advent of microsurgical techniques, it can?t be applied effectively in all patients due to the difficulties of the method, co-morbidities and complication rates of technique.  For this reason, techniques which help the reduction of the size of the defect and improve graft incorporation take a significant place in the treatment.
Desferoxamine (DFO) has been used for a long time as an iron chelator in order to prevent chronic iron overload in the cases where blood transfusion is applied frequently. The studies about the effects of DFO on bone healing show that DFO increases synthesis of VEGF by means of increased levels of Hypoxia inducible factor 1 alpha (HIF-1). As a growth factor, increasing the vascularity, triggering osteoblastic activity and stimulating the osteoblastic differentiation are the well-known effects of VEGF on the bone tissue.
In this study we aimed to research the effects of DFO application on bone graft healing and osteogenesis in the critical sized bone defects.
In this study rat zygomatic arch critical-size bone defect model (5 mm.) was used. Thirtytwo Sprague-Dawley rats, weighing between 350-400 gram, were utilized and in order to reduce the number of animals both zygomatic arches of each animal were used (right arches as experimental and left arches as control, rat=32, n=64). The animals were divided into four groups (16 zygomatic arches each). In Group 1, after forming a defect on the right zygomatic arch the repair was done with the bone graft that was transferred from the other side. In this group, 200 microM/300 microL dosage of DFO (Desferal 0.5g flacon, Novartis, Switzerland) was injected at the zygomatic arch region starting at the 7th day preoperatively and lasting until the 45th day following the operation. Group 2 animals formed the control group of Group 1. In Group 2, same defects as the Group 1 were created on the left zygomatic arches of the rats and repaired with the grafts that were obtained from the right side. Unlike Group 1, in this group 0.9 %NaCl injection instead of DFO was performed during the same period. In Group 3 and 4 there was no repair after the formation of defects and the rats were treated with DFO and 0.9 %NaCl for postoperative 45 days, respectively.
After the surgical procedure, in the 1st and 6th weeks, 8 rats and in the 12th week the remaining 16 rats were sacrificed and histological examination was performed. During the sampling vascularity that was formed in the surrounding soft tissue and healing were grossly evaluated. Moreover, radiological evaluation of the rats was performed with computerized tomography at 2nd, 4th, 8th and 12th weeks. At the end of 12th week zygomatic arches of Group 1 and 2 were analyzed with 3 point bending test for biomechanical features.
In the radiological evaluation, the decrease in the size of bone defect in Group 3 and 4 animals were statistically significant (p<0.05, Wilcoxon test) at the 4th, 8th and 12th weeks. In Groups 1 and 2, the evaluation of bone graft volume showed a statistical difference at all weeks. In the histological evaluation it was observed when compared with control groups there is an increase in osteoblast number in Groups 1 and 3 at all weeks, and similarly vascularity rate was also high (p<0.05, paired-samples T test). On the other hand, in the evaluation of osteoblastic activity showed a significant decrease in all groups between 6th and 12th weeks and in osteoclastic activity there was a significant difference (p<0.05, paired-samples T test) between 1st and 6th weeks. At the end of 12th week, as a result of biomechanical evaluation of the subjects, there we increased bone strength but no structural change in Group 1 rats.
In this study, it has been shown that DFO treatment increased bone graft incorporation and caused reduction in the defect size of critical-size bone defects. In this aspect, it has been thought that DFO might be used to increase graft incorporation in risky areas, and reduce the defect size in patients who are not suitable for vascularized bone graft transfer, and prepare the recipient area for grafting. In addition, increased bone strength was found to be associated with volume increase, so it has been foreseen that this effect can limit the decrease in mechanical support that starts in early stages of cortical bone grafts.
Since it is used only in intravenous and intramuscular aspects for now, it is thought that DFO treatment can find a place for itself in local treatment. However, additional investigations are needed for clinical application.