Estudio morfológico predictivo mediante microTomografia Computarizada del hueso y biomateriales implantados en un modelo animal.

Abstract

Las técnicas de imagen y particularmente la microtomografia computarizada (microTC) están contribuyendo a la investigación científica, no solo en el campo medico asistencial y experimental, sino en campos como la geología, la industria, la arquitectura y la historia del arte. La tomografía computarizada (TC) ofrece el mejor método radiográfico para el análisis morfológico y cualitativo de huesos y estructuras sólidas. La TC se basa en la medición del coeficiente de atenuación del haz de rayos X al atravesar cada sección o voxel del material a estudiar, obteniendo unos datos crudos (Raw Data) o datos sin procesar, que tras su procesamiento mediante programas de reconstrucción filtrada o iterativa se obtiene una imagen pixelada que puede ser interpretada por el especialista. Se intenta, como hipótesis de trabajo, demostrar la utilidad del microTC en el estudio de la evolución biológica de un biomaterial implantado en la tuberosidad tibial anterior de 15 conejos como modelo preclínico. El biomaterial implantado, fosfato tricálcico sintetizado previamente (Ca3(PO4)2) [TCP] y silicato dicálcico (Ca2SiO4) [C2S] se utilizaron como materias primas. El 60% de los andamios (dopados) sumergido en un gel de matriz ósea desmineralizada (gel de DBM) y el 40% restante de los gránulos no se trataron (no dopados). Los animales fueron asignados aleatoriamente en tres grupos (n = 5 cada uno) en correspondencia con tres períodos de estudio definidos (1, 3 y 5 meses), respectivamente. El objetivo del estudio es hacer un análisis comparativo de las imágenes del microTC con un análisis estadístico descriptivo y un análisis matemático de los datos brutos. Y todo ello con un posterior análisis histomorfométrico para dilucidar objetivamente el comportamiento osteogénico observado después de la siembra de andamios de biomateriales porosos en las tibias. A las quince muestras obtenidas tras el sacrificio de los animales y a dos muestras de biomaterial sin implantar se les realizo estudio con microTC. Todas las imágenes fueron descritas previamente por dos radiólogos experimentados basados en un análisis visual doble ciego que se centró en los siguientes ítems: (1) pérdida de homogeneidad del material implantado con respecto al preimplantado; (2) pérdida de nitidez del contorno del implante en relación con el tejido periférico; (3) presencia de trabeculaciones óseas neoformadas dentro del biomaterial implantado; (4) dispersión de biomaterial en el tejido periférico; (5) trabeculaciones neoformadas entre la superficie del implante y el hueso cortical adyacente. Para procesar matematicamente los datos crudos obtenidos del microTC se seleccionaron tres regiones de interés (ROI): (1) ROI cilíndrico de 4x4 mm para evaluar la reabsorción, degradación o integración del biomaterial implantado; (2) ROI cúbico de 10x10x10 mm que incluía el biomaterial y el tejido óseo adyacente y que permitía evaluar la dispersión experimentada por fragmentos de biomateriales dentro del hueso huésped periférico; (3) ROI cilíndrico de 3x3 mm localizado en la cortical alejada del injerto para determinar la evolución espontánea del hueso cortical inalterado, como medida de control y criterio de análisis. Este tratamiento matemático (análisis de regresión lineal y estudio de coordenadas cilíndricas) permite analizar la evolución temporal de los coeficientes de atenuación estandarizados en unidades Hounsfield (UH) de cada uno de los voxel estudiados del biomaterial y del hueso huésped. Para el estudio histológico e histomorfometrico las muestras se seccionaron perpendicularmente al eje longitudinal de la tibia con una sierra circular eléctrica. Se fijaron trozos de 3-4 mm de espesor en formalina y posteriormente fueron descalcificadas. El análisis histológico e histomorfométrico se realizó en secciones teñidas con hematoxilina-eosina de 4 μm de grosor. Se calculó la superficie total del área implantada (TIS) y se analizaron 4 componentes identificables: (1) material implantado no absorbido, (2) tejido óseo neoformado, (3) tejido conectivo y (4) material harinoso y basófilo, ubicado entre los componentes 1 y 2, denominado 'material no identificable'. Del análisis visual de las imágenes del microTC a los 1, 3 y 5 meses de la cirugía se observó una desintegración y desorganización progresiva de la morfología inicial del implante, más evidente y temprana en la periferia que en la porción central (desde un bloque cilíndrico compacto hasta una masa porosa y fragmentada), así como neoformación de tejido óseo. También se apreció una dispersión o fragmentación del andamio permitiendo la neoformación del hueso trabecular tanto dentro del material implantado como a su alrededor y en contacto con la cortical huésped. El análisis estadístico descriptivo de las imágenes de micro-TC no pudo distinguir las diferencias entre el comportamiento de los implantes dopados y los no dopados durante el período de estudio. Solo el estudio matemático de los Data Raw pudo detectar diferencias significativas en los valores promedio de UH del andamio entre ambos tipos de materiales. Los andamios pre-implantados mostraron un coeficiente de atenuación promedio de 1.13 ± 0.18 HU, después de 3 meses de la cirugía, el coeficiente de atenuación disminuyó a valores promedio de 0.99 ± 0.23 HU (andamios dopados) y 0.86 ± 0.25 HU (andamios no dopados). Los coeficientes de atenuación a 5 meses alcanzaron valores mínimos de 0,86 ± 0,32 HU (andamios dopados) y 0,66 ± 0,33 HU (andamios no dopados). Como puede deducirse de estos resultados, los implantes dopados mostraron una disminución más gradual de los valores promedio de HU que los implantes no dopados. También se demostró con el estudio de los Data Raw que existía una dispersión de los granos de cerámica y que no existieron cambios estadísticos significativos en el hueso cortical tibial normal. Solo el análisis matemático de los Raw Data pudo detectar diferencias significativas en los valores promedio de HU de andamio en el estudio entre ambos tipos de materiales. Resultando una disminución más gradual de UH en los materiales que no dopados. El presente estudio muestra la necesidad de combinar los estudios de imágenes radiológicas y el análisis matemático de los Raw Data para realizar un adecuado análisis in vivo del andamiaje óseo implantado y su evolución. Como los resultados obtenidos parecen ser similares a los anatomopatológicos, el análisis matemático de los datos brutos de TC permitiría llevar a cabo estudios in vivo de larga duración sin necesidad de sacrificio de animales.