Evaluación integral de la osteonecrosis avascular de la cabeza femoral: desde el diagnóstico por imagen hasta la exploración celular y molecular

Abstract

La osteonecrosis de cabeza femoral (ONCF) es una enfermedad invalidante y de difícil tratamiento. En esta patología, la alteración progresiva del flujo sanguíneo en el interior del hueso conduce a la necrosis aséptica ósea a nivel de la articulación de la cadera. Si no se recibe tratamiento, la ONCF puede generar el colapso de la cabeza femoral, desencadenando una artropatía secundaria, y requiriendo a menudo la sustitución de la articulación mediante una prótesis total de cadera. Los registros epidemiológicos apuntan a una prevalencia e incidencia no desdeñables. Por ejemplo, en Estados Unidos, se ha estimado que el número de casos nuevos cada año es de unos 10.000 a 20.000, con una prevalencia de entre 300.000 y 600.000 personas. En la ONCF, la isquemia puede producirse por una interrupción mecánica debida a fracturas o luxaciones, por una oclusión intravascular provocada por trombos o émbolos de grasa o por una compresión extravascular. Cuando existe un claro factor etiológico atribuible al desarrollo de la ONCF se habla de formas secundarias de la enfermedad, mientras que en ausencia de una causa conocida se emplea el término ONCF idiopática. Las células madre mesenquimales (CMM) de la médula ósea son células presentes en el tejido óseo sin potencial hematopoyético, pero con otros múltiples potenciales de diferenciación y capacidad para secretar factores tróficos. Existe evidencia de que estas CMMs juegan un papel vital en la reparación de la osteonecrosis. Actualmente, se considera que la ONCF está asociada con la disfunción de las CMMs de la médula ósea, estando afectada su capacidad de proliferación, apoptosis y osteogénesis. Las células óseas maduras presentan también en la ONCF alteraciones. En la ONCF, el diagnóstico se realiza combinando la exploración y anamnesis clínicas con el diagnóstico por imagen. El diagnóstico por imagen puede incluir radiografías, tomografía axial computarizada (TAC), gammagrafía ósea y resonancia magnética (RM). Hoy en día, la radiografía simple de cadera constituye la prueba complementaria básica en el diagnóstico de esta patología, siendo la RM la prueba de elección por su mayor sensibilidad y especificidad. La radiografía convencional sigue siendo el pilar de la exploración diagnóstica inicial. Paradójicamente, pese a su extendido uso y los hallazgos radiológicos característicos que presenta, se ha considerado que las radiografías simples son insensibles a los cambios tempranos de la ONCF y, por lo tanto, constituye una herramienta diagnóstica subóptima. El diagnóstico de certeza de la ONCF es el estudio histológico de la cabeza femoral, no realizado en nuestro medio de forma rutinaria. No está indicada la toma de biopsias. Histológicamente, la osteonecrosis se caracteriza por un patrón típico de muerte celular y un complejo proceso de resorción y formación ósea. Los hallazgos histológicos característicos son la necrosis trabecular (más del 50% de lagunas osteocíticas vacías) y una médula hematopoyética necrótica. Estos cambios histopatológicos se correlacionan con el aspecto radiográfico de la cabeza femoral. Para estratificar la gravedad y el pronóstico, así como para guiar la estrategia de tratamiento, se han desarrollado sistemas de estadificación de la ONCF. El sistema de estadificación de Ficat y Arlet fue la primera clasificación utilizada para la ONCF, es el sistema de estadificación más reportado en la literatura y el más empleado en la práctica clínica. Dado que la ONCF representa un desafío diagnóstico significativo debido a su naturaleza insidiosa y a la falta de marcadores clínicos definitivos en etapas tempranas de la enfermedad, en este proyecto exploramos diferentes aspectos relacionados con el diagnóstico de esta patología. En el presente trabajo, partimos de la hipótesis de que existe inconsistencia en el diagnóstico de la ONCF cuando se realiza por distintos especialistas. El análisis de la consistencia diagnóstica entre especialistas se llevó a cabo comparando el diagnóstico emitido por cirujanos ortopédicos, radiólogos y patólogos, y reveló una concordancia moderada entre los diagnósticos de los primeros dos grupos de especialistas. Veintiuno de los veinticuatro diagnósticos coincidieron entre radiólogos y cirujanos ortopédicos (Coeficiente de kappa = 0,58). El examen histológico de las muestras de cabeza femoral recogidas confirmó el diagnóstico radiológico en veinte de las veinticuatro caderas analizadas (84%). La fiabilidad del diagnóstico interobservador no difirió significativamente entre los distintos estadios de Ficat y Arlet. En este estudio, postulamos que la radiografía convencional presenta limitaciones en la detección de signos radiológicos característicos de la ONCF. Sólo la identificación del aplanamiento de la cabeza femoral y los signos de artrosis mostraron una concordancia moderada entre observadores con significación estadística. Por otra parte, la detección de la osteoporosis radiológica y de la pérdida de trabeculación mostraron la fiabilidad más baja, con coeficientes kappa incluso negativos. En general se encontró un grado de concordancia pobre entre evaluadores a la hora de identificar signos radiológicos característicos de esta patología, lo que denota una escasa fiabilidad diagnóstica mediante esta técnica. De forma paralela, partimos de la suposición de que la estadificación radiológica de acuerdo con la clasificación de Ficat y Arlet es válida para su empleo en la práctica clínica habitual. El análisis de la fiabilidad interobservador en la estadificación de la ONCF reveló un grado de acuerdo importante y estadísticamente significativo entre todos los calificadores, especialmente entre los traumatólogos. En la presente investigación, partimos de la hipótesis de que existe una correlación significativa entre la densidad de lagunas osteocíticas desocupadas y el estadio clínico de la enfermedad. En nuestras muestras, se encontró una diferencia estadísticamente significativa en el número de lagunas osteocíticas vacías entre el grupo ONCF y el grupo de control. Cuando comparamos el número de lagunas osteocíticas vacías y la estadificación de Ficat y Arlet no encontramos una diferencia estadísticamente significativa. Esta ausencia de diferencia podría deberse al limitado número de muestras empleadas. Como parte de la caracterización anatomopatológica de nuestra muestra se analizaron además signos inespecíficos histológicos de degeneración tisular. Se encontró una diferencia estadísticamente significativa en la presencia de fibrosis medular entre el grupo ONCF y el grupo de control. El análisis de otros signos degenerativos, como la infiltración grasa y la osificación heterotópica, no reveló diferencias estadísticamente significativas entre los dos grupos analizados. En este trabajo partimos de la hipótesis, fundamentada en estudios previos, de que las CMMs en la ONCF presentaban una capacidad de proliferación disminuida. Sin embargo, encontramos que las CMMs de pacientes con ONCF presentaban un incremento significativo de la capacidad proliferativa con respecto a las CMMs de pacientes con artrosis de cadera. Por último, postulamos que la capacidad de diferenciación de la CMM en ONCF se encuentra alterada. Al respecto, nuestros resultados mostraron un incremento significativo en la capacidad adipogénica (analizada mediante tinciones específicas) de las CMMs de los pacientes con ONCF respecto a los controles. Asimismo, el análisis de la capacidad osteogénica de las CMMs en ONCF reveló una limitación en la diferenciación hacia linaje óseo (evaluado mediante la expresión de los principales marcadores osteogénicos, la medición de la actividad de la fosfatasa alcalina y el análisis de la mineralización in vitro). Este patrón de diferenciación alterada es consistente con lo descrito en la literatura.

Osteonecrosis of the femoral head (ONCF) is a disabling disease that is difficult to treat. In this pathology, progressive disruption of blood flow within the bone leads to aseptic bone necrosis at the hip joint. If left untreated, ONCF can lead to collapse of the femoral head, triggering secondary arthropathy, often requiring replacement of the joint with a total hip replacement. Epidemiological records point to a non-negligible prevalence and incidence. For example, in the United States, it has been estimated that the number of new cases each year is about 10,000 to 20,000, with a prevalence of between 300,000 and 600,000 people. In ONCF, ischaemia may be caused by mechanical disruption due to fractures or dislocations, by intravascular occlusion caused by thrombi or fat emboli, or by extravascular compression. When there is a clear aetiological factor attributable to the development of ONCF, it is referred to as secondary forms of the disease, while in the absence of a known cause, the term idiopathic ONCF is used. Bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) are cells present in bone tissue without haematopoietic potential but with multiple other differentiation potentials and the ability to secrete trophic factors. There is evidence that these MSCs play a vital role in the repair of osteonecrosis. ONCF is now considered to be associated with dysfunction of bone marrow MSCs, with their capacity for proliferation, apoptosis and osteogenesis being impaired. Mature bone cells are also altered in ONCF. In ONCF, diagnosis is made by combining clinical examination and anamnesis with diagnostic imaging. Imaging may include X-rays, computed tomography (CT), bone scintigraphy and magnetic resonance imaging (MRI). Today, plain radiography of the hip is the basic complementary test in the diagnosis of this pathology, with MRI being the test of choice due to its greater sensitivity and specificity. Conventional radiography remains the mainstay of the initial diagnostic examination. Paradoxically, despite its widespread use and characteristic radiological findings, plain radiographs have been considered to be insensitive to early changes in ONCF and are therefore a suboptimal diagnostic tool. The definitive diagnosis of ONCF is histological examination of the femoral head, which is not routinely performed in our hospitals. Biopsies are not indicated. Histologically, osteonecrosis is characterised by a typical pattern of cell death and a complex process of bone resorption and formation. Characteristic histological findings are trabecular necrosis (more than 50% empty osteocytic lacunae) and a necrotic haematopoietic marrow. These histopathological changes correlate with the radiographic appearance of the femoral head. To categorise severity and prognosis, as well as to guide treatment strategy, staging systems for ONCF have been developed. The Ficat and Arlet staging system which was the first classification used for ONCF, is the most reported staging system in literature and the most widely used in clinical practice. As ONCF represents a significant diagnostic challenge due to its insidious nature and the lack of definitive clinical markers in early stages of the disease, in this project we explore different aspects related to the diagnosis of this pathology. In the present study, we hypothesised that there is inconsistency in the diagnosis of ONCF when made by different specialists. Analysis of diagnostic consistency between specialists was carried out by comparing the diagnoses made by orthopaedic surgeons, radiologists and pathologists, and revealed moderate agreement between the diagnoses of the first two groups of specialists. Twenty-one of the twenty-four diagnoses were in agreement between radiologists and orthopaedic surgeons (kappa coefficient = 0.58). Histological examination of the femoral head specimens collected confirmed the radiological diagnosis in twenty of the twenty-four hips analysed (84%). The interobserver diagnostic reliability did not differ significantly between the different Ficat and Arlet stages. In this study, we postulate that conventional radiography has limitations in the detection of radiological signs characteristic of ONCF. Only the identification of flattening of the femoral head and signs of osteoarthritis showed moderate interobserver agreement with statistical significance. On the other hand, the detection of radiological osteoporosis and loss of trabeculation showed the lowest reliability, with even negative kappa coefficients. In general, a poor degree of inter-rater agreement was found in identifying radiological signs characteristic of this pathology, which denotes a low diagnostic reliability using this technique. In parallel, we assumed that radiological staging according to the Ficat and Arlet classification is valid for use in routine clinical practice. Analysis of interobserver reliability in ONCF staging revealed a significant and statistically significant degree of agreement among all raters, especially among orthopaedic surgeons. In the present investigation, we hypothesised that there is a significant correlation between the density of unoccupied osteocyte lacunae and the clinical stage of the disease. In our samples, we found a statistically significant difference in the number of empty osteocyte lacunae between the ONCF group and the control group. When we compared the number of empty osteocytic lacunae and the Ficat and Arlet staging we did not find a statistically significant difference. This lack of difference could be due to the limited number of samples used. As part of the anatomopathological characterisation of our sample we further analysed histological non-specific signs of tissue degeneration. A statistically significant difference was found in the presence of spinal cord fibrosis between the ONCF group and the control group. Analysis of other degenerative signs, such as fatty infiltration and heterotopic ossification, revealed no statistically significant differences between the two groups analysed. In this study, we hypothesised, based on previous studies, that MSCs in ONCF had a decreased proliferative capacity. However, we found that MSCs from patients with ONCF had a significantly increased proliferative capacity compared to MSCs from patients with osteoarthritis of the hip. Finally, we initially postulated that the differentiation capacity of MSCs in ONCF is altered. In this regard, our results showed a significant increase in the adipogenic capacity (analysed by specific staining) of MSCs from ONCF patients compared to controls. Furthermore, analysis of the osteogenic capacity of MSCs in ONCF revealed limited differentiation towards bone lineage (assessed by expression of the main osteogenic markers, measurement of alkaline phosphatase activity and analysis of in vitro mineralisation). This pattern of altered differentiation is consistent with that described in the literature.