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Alteraciones estructurales y biomecánicas en la patología de la resistencia ósea : de la investigación a la clínica

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Alteraciones estructurales y biomecánicas en la patología de la resistencia ósea : de la investigación a la clínica

Caeiro Rey, José Ramón
 
DATE : 2017-10-23
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/852
UNESCO SUBJECT : 3213.10 Cirugía Ortopédica ; 3213.16 Urología ; 2205.07 Medidas de Propiedades Mecánicas
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

A diferenza doutros profesionais da Mediciña, que tamén teñen ao óso e á patoloxía ósea dentro do contido da súa especialidade, os cirurxiáns ortopédicos destinamos gran parte da nosa formación e vida profesional ao diagnóstico e tratamento da patoloxía da resistencia ósea, é dicir, ao estudo das causas e consecuencias das alteracións estruturais e biomecánicas de devandito tecido. Baixo este prisma profesional, consideramos que só se pode comprender a fisiopatoloxía das devanditas alteracións cando se é capaz de ver ao óso como un órgano-tecido vivo dotado dunha composición química, unha estrutura xerarquizada e un sistema de modulación estrutural responsables das súas propiedades biomecánicas e da súa resistencia (Caeiro et ao., 2005). Esta perspectiva mecanicista do tecido óseo, moito máis traumatolóxica que outras aproximacións, axudaríanos igualmente a entender cales son as alteracións que se producen, e as que por tanto é necesario corrixir, nun esqueleto afecto dunha enfermidade ósea fraxilizante ou dexenerativa. De igual xeito, esta formulación facilita, ao noso ... [+]
A diferenza doutros profesionais da Mediciña, que tamén teñen ao óso e á patoloxía ósea dentro do contido da súa especialidade, os cirurxiáns ortopédicos destinamos gran parte da nosa formación e vida profesional ao diagnóstico e tratamento da patoloxía da resistencia ósea, é dicir, ao estudo das causas e consecuencias das alteracións estruturais e biomecánicas de devandito tecido. Baixo este prisma profesional, consideramos que só se pode comprender a fisiopatoloxía das devanditas alteracións cando se é capaz de ver ao óso como un órgano-tecido vivo dotado dunha composición química, unha estrutura xerarquizada e un sistema de modulación estrutural responsables das súas propiedades biomecánicas e da súa resistencia (Caeiro et ao., 2005). Esta perspectiva mecanicista do tecido óseo, moito máis traumatolóxica que outras aproximacións, axudaríanos igualmente a entender cales son as alteracións que se producen, e as que por tanto é necesario corrixir, nun esqueleto afecto dunha enfermidade ósea fraxilizante ou dexenerativa. De igual xeito, esta formulación facilita, ao noso entender, a comprensión da eficacia antifractura de certos fármacos antiosteoporóticos ou da actividade modificadora da enfermidade dalgúns fármacos antiartrósicos, así como certos fundamentos da substitución ósea e de procedementos cirúrxicos como a osteosíntese e a artroplastia. Para o cirurxián ortopédico que tivo o pracer de traballar cun bo óso e que sufriu a frustración de ver como unha operación cirúrxica estragábase pola fraxilidade do mesmo, o proceso de avaliación do stock óseo resulta case sempre máis unha cuestión intuitiva, algo que se percibe, que o resultado dunha rigorosa análise científica. Na súa instintiva avaliación da boa ou mala reserva ósea, o cirurxián ortopédico integra inconscientemente os conceptos de cantidade, calidade e resistencia do óso. Con todo, para definir de forma específica estes parámetros, tanto no pre como no postoperatorio de procedementos cirúrxicos ou á hora de establecer unha estimación da bondade biomecánica desa reserva en enfermidades fraxilizantes óseas como a osteoporose, é necesario, por unha banda, unha definición rigorosa destes conceptos, e por outro, establecer cal ou cales son as factores máis importantes que os determinan e cal ou cales son os métodos diagnósticos que permitan a súa identificación e cuantificación. Neste sentido, considérase á resistencia ósea (entendendo como tal a forza que temos que superar para desencadear baixo unhas condicións específicas de carga o fracaso biomecánico dun óso) (Beck et ao., 2003), ao resultado funcional da integración de dúas variables, a cantidade e a calidade óseas. Mentres que a cantidade de óso depende directamente da súa densidade mineral (DMO), a calidade do mesmo (entendendo por ela ao conxunto de propiedades materiais e estruturais independentes da DMO relacionados coa capacidade dun óso para resistir forzas de fractura) (Bouxein, 2003), depende de variables talles como a composición química dos materiais orgánicos e inorgánicos que compón a súa matriz e de como se produce a estruturación espacial dos devanditos materiais. A matriz orgánica mineralizada de alta complexidade, viva e dinámica que constitúe o tecido óseo atópase xerarquizada en diferentes niveis. O nivel macroestructural define as características do óso no seu conxunto (forma, tamaño, xeometría e proporción de subtipos tisulares cortical e trabecular). O nivel microestructural determina as características específicas das osteonas e as trabéculas individuais, definindo o nivel submicroestructural o das láminas e grandes fibras de coláxeno. Para rematar, o nivel ultra ou nanoestructural define ao tecido óseo como a resultante da distribución espacial dos materiais que o compón, é dicir, a arquitectura e control posicional tridimensional da rede molecular dos seus diferentes compoñentes. Os constituíntes orgánico e inorgánico da matriz ósea e, en certa medida, a súa organización ultraestructural, determinan as denominadas propiedades materiais do óso, mentres que colectivamente os seus niveis de organización xerárquica (macro, micro e ultraestructura) determinan as propiedades estruturais do mesmo. Estes tres factores, cantidade (DMO), propiedades materiais e propiedades estruturais, denominados xenericamente determinantes da resistencia ósea (DRO), son os responsables de establecer, conxuntamente cos sistemas de modulación estrutural do óso (binomio gravidade-peso, función neuromuscular loco-rexional e ambiente endocrino-metabólico do organismo), un óso san e biomecánicamente competente, mentres que as alteracións fisiopatolóxicas dos devanditos determinantes e/ou os seus mecanismos reguladores serían as responsables do desenvolvemento de diferentes tipos de patoloxía da resistencia ósea. Desde o punto de vista biomecánico, considérase como patrón de óso normal a aquel caracterizado por unha DMO normal, por unha calidade de óso tamén normal e, sobre todo, por unha resistencia adecuada á función mecánica a desempeñar (dependente fundamentalmente da súa localización anatómica, do binomio gravidade-peso e da función neuromuscular rexional). Polo tanto, patrón óseo normal desde o punto de vista biomecánico significa non só tecido óseo de DMO e estrutura-composición química normais, senón tecido óseo de resistencia adecuada á función e a requirimentos mecánicos aos que vai ser sometido. Obxectivos do proxecto: En base a todo o exposto, e tomando como basee as publicacións científicas deste doutorando, intentaremos analizar neste proxecto de tese: 1. Cales son as bases teóricas desta perspectiva biomecanicista, centrando o noso interese no estudo dos factores determinantes da resistencia ósea e nas bases físicas dos mesmos. 2. Cales son os métodos dispoñibles na actualidade para a avaliación non invasiva da calidade estrutural e biomecánica do tecido óseo, centrándonos na análise morfolóxico e estrutural asistido por computador de radioloxías dixitalizadas e na microtomografía computerizada. 3. Cales son os principais tipos de patoloxía da resistencia ósea e cales son as alteracións estruturais e biomecánicas que as caracterizan, centrándonos de novo na análise das osteopatías dexenerativas e fraxilizantes. 4. Cales son as alteracións estruturais do cartílago e do óso subcondral que caracterizan á artrose nos seus estadios iniciais. 5. Cales son as alteracións estruturais e biomecánicas que caracterizan especificamente á fractura osteoporótica de cadeira. 6. Cales son os efectos dos fármacos sobre a estrutura e a resistencia ósea, centrándonos nos efectos que sobre o cartílago e o óso subcondral teñen algúns fármacos modificadores e non modificadores da enfermidade artrósica e nos efectos que sobre a estrutura do óso trabecular e cortical teñen certos fármacos antiosteoporóticos, así como en cales son as alteracións estruturais que predispoñen a un fracaso na resposta aos mesmos. 7. Cales son os efectos sobre a estrutura do óso trabecular e cortical de certos tipos de procedementos cirúrxicos extraóseos, centrándonos nos efectos que a cirurxía bariátrica ten sobre os devanditos subtipos tisulares. 8. Cales son as bases fisiolóxicas da substitución ósea, avaliando diferentes parámetros caracterizadores de diferentes biomateriais e o seu osteointegración mediante técnicas de imaxe microtomográfica. 9. Como a informatización das revisións pre e postquirúrgicas das artroplastias totais de cadeira, e en concreto a análise clínico-radiolóxica, a coxometría dixitalizada e a cuantificación ósea periprotésica asistida por computador, permiten avaliar aspectos relacionados coa biomecánica e a resistencia ósea. [-]
 
A diferencia de otros profesionales de la medicina, que también tienen al hueso y a la patología ósea dentro del contenido de su especialidad, los cirujanos ortopédicos destinamos gran parte de nuestra formación y vida profesional al diagnóstico y tratamiento de la patología de la resistencia ósea, es decir, al estudio de las causas y consecuencias de las alteraciones estructurales y biomecánicas de dicho tejido. Bajo este prisma profesional, consideramos que sólo se puede comprender la fisiopatología de dichas alteraciones cuando se es capaz de ver al hueso como un órgano-tejido vivo dotado de una composición química, una estructura jerarquizada y un sistema de modulación estructural responsables de sus propiedades biomecánicas y de su resistencia (Caeiro et al., 2005). Esta perspectiva mecanicista del tejido óseo, mucho más traumatológica que otras aproximaciones, nos ayudaría igualmente a entender cuales son las alteraciones que se producen, y por tanto lo que es necesario corregir, en un esqueleto afecto de una enfermedad ósea fragilizante o degenerativa. De igual manera, ... [+]
A diferencia de otros profesionales de la medicina, que también tienen al hueso y a la patología ósea dentro del contenido de su especialidad, los cirujanos ortopédicos destinamos gran parte de nuestra formación y vida profesional al diagnóstico y tratamiento de la patología de la resistencia ósea, es decir, al estudio de las causas y consecuencias de las alteraciones estructurales y biomecánicas de dicho tejido. Bajo este prisma profesional, consideramos que sólo se puede comprender la fisiopatología de dichas alteraciones cuando se es capaz de ver al hueso como un órgano-tejido vivo dotado de una composición química, una estructura jerarquizada y un sistema de modulación estructural responsables de sus propiedades biomecánicas y de su resistencia (Caeiro et al., 2005). Esta perspectiva mecanicista del tejido óseo, mucho más traumatológica que otras aproximaciones, nos ayudaría igualmente a entender cuales son las alteraciones que se producen, y por tanto lo que es necesario corregir, en un esqueleto afecto de una enfermedad ósea fragilizante o degenerativa. De igual manera, este planteamiento facilita, a nuestro entender, la comprensión de la eficacia antifractura de ciertos fármacos antiosteoporóticos o de la actividad modificadora de la enfermedad de algunos fármacos antiartrósicos, así como ciertos fundamentos de la sustitución ósea y de procedimientos quirúrgicos como la osteosíntesis y la artroplastia. Para el cirujano ortopédico que ha tenido el placer de trabajar con un buen hueso y que ha sufrido la frustración de ver cómo una operación quirúrgica se estropeaba por la fragilidad del mismo, el proceso de evaluación del stock óseo resulta casi siempre más una cuestión intuitiva, algo que se percibe, que el resultado de un riguroso análisis científico. En su instintiva valoración de la buena o mala reserva ósea, el cirujano ortopédico integra inconscientemente los conceptos de cantidad, calidad y resistencia del hueso. Sin embargo, para definir de forma específica estos parámetros, tanto en el pre como en el postoperatorio de procedimientos quirúrgicos o a la hora de establecer una estimación de la bondad biomecánica de esa reserva en enfermedades fragilizantes óseas como la osteoporosis, es necesario, por un lado, una definición rigurosa de estos conceptos, y por otro, establecer cual o cuales son las factores más importantes que los determinan y cual o cuales son los métodos diagnósticos que permitan su identificación y cuantificación. En este sentido, se considera a la resistencia ósea (entendiendo como tal la fuerza que hay que superar para desencadenar bajo unas condiciones específicas de carga el fracaso biomecánico de un hueso) (Beck et al., 2003), al resultado funcional de la integración de dos variables, la cantidad y la calidad óseas. Mientras que la cantidad de hueso depende directamente de su densidad mineral (DMO), la calidad del mismo (entendiendo por ella al conjunto de propiedades materiales y estructurales independientes de la DMO relacionados con la capacidad de un hueso para resistir fuerzas de fractura) (Bouxein, 2003), depende de variables tales como la composición química de los materiales orgánicos e inorgánicos que componen su matriz y de cómo se produce la estructuración espacial de dichos materiales. La matriz orgánica mineralizada de alta complejidad, viva y dinámica que constituye el tejido óseo se encuentra jerarquizada en diferentes niveles. El nivel macroestructural define las características del hueso en su conjunto (forma, tamaño, geometría y proporción de subtipos tisulares cortical y trabecular). El nivel microestructural determina las características específicas de las osteonas y las trabéculas individuales, definiendo el nivel submicroestructural el de las láminas y grandes fibras de colágeno. Por último, el nivel ultra o nanoestructural define al tejido óseo como la resultante de la distribución espacial de los materiales que lo componen, es decir, la arquitectura y control posicional tridimensional de la red molecular de sus diferentes componentes. Los constituyentes orgánico e inorgánico de la matriz ósea y, en cierta medida, su organización ultraestructural, determinan las denominadas propiedades materiales del hueso, mientras que colectivamente sus niveles de organización jerárquica (macro, micro y ultraestructura) determinan las propiedades estructurales del mismo. Estos tres factores, cantidad (DMO), propiedades materiales y propiedades estructurales, denominados genéricamente determinantes de la resistencia ósea (DRO), son los responsables de establecer, conjuntamente con los sistemas de modulación estructural del hueso (binomio gravedad-peso, función neuromuscular loco-regional y ambiente endocrino-metabólico del organismo), un hueso sano y biomecánicamente competente, mientras que las alteraciones fisiopatológicas de dichos determinantes y/o sus mecanismos reguladores serían las responsables del desarrollo de diferentes tipos de patología de la resistencia ósea. Desde el punto de vista biomecánico, se considera como patrón de hueso normal a aquel caracterizado por una DMO normal, por una calidad de hueso también normal y, sobre todo, por una resistencia adecuada a la función mecánica que ha de desempeñar (dependiente fundamentalmente de su localización anatómica, del binomio gravedad-peso y de la función neuromuscular regional). Por tanto, patrón óseo normal desde el punto de vista biomecánico significa no sólo tejido óseo de DMO y estructura-composición química normales, sino tejido óseo de resistencia adecuada a la función y a requerimientos mecánicos a los que va a ser sometido. Objetivos del proyecto: En base a todo lo expuesto, y tomando como base las publicaciones científicas de este doctorando, intentaremos analizar en este proyecto de tesis: 1. Cuales son las bases teóricas de esta perspectiva biomecanicista, centrando nuestro interés en el estudio de los factores determinantes de la resistencia ósea y en las bases físicas de los mismos. 2. Cuales son los métodos disponibles en la actualidad para la evaluación no invasiva de la calidad estructural y biomecánica del tejido óseo, centrándonos en el análisis morfológico y estructural asistido por ordenador de radiologías digitalizadas y en la microtomografía computerizada. 3. Cuales son los principales tipos de patología de la resistencia ósea y cuales son las alteraciones estructurales y biomecánicas que las caracterizan, centrándonos de nuevo en el análisis de las osteopatías degenerativas y fragilizantes. 4. Cuales son las alteraciones estructurales del cartílago y del hueso subcondral que caracterizan a la artrosis en sus estadios iniciales. 5.Cuales son las alteraciones estructurales y biomecánicas que caracterizan específicamente a la fractura osteoporótica de cadera. 6. Cuales son los efectos de los fármacos sobre la estructura y la resistencia ósea, centrándonos en los efectos que sobre el cartílago y el hueso subcondral tienen algunos fármacos modificadores y no modificadores de la enfermedad artrósica y en los efectos que sobre la estructura del hueso trabecular y cortical tienen ciertos fármacos antiosteoporóticos, así como en cuales son las alteraciones estructurales que predisponen a un fracaso en la respuesta a los mismos. 7. Cuales son los efectos sobre la estructura del hueso trabecular y cortical de ciertos tipos de procedimientos quirúrgicos extraóseos, centrándonos en los efectos que la cirugía bariátrica tiene sobre dichos subtipos tisulares. 8. Cuales son las bases fisiológicas de la sustitución ósea, evaluando diferentes parámetros caracterizadores de diferentes biomateriales y su osteointegración mediante técnicas de imagen microtomográfica. 9. Como la informatización de las revisiones pre y postquirúrgicas de las artroplastias totales de cadera, y en concreto el análisis clínico‐radiológico, la coxometría digitalizada y la cuantificación ósea periprotésica asistida por computador, permiten evaluar aspectos relacionados con la biomecánica y la resistencia ósea. [-]

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