Beskrivning av planerad forskning

Aspenberg, planerad forskning 1 Beskrivning av planerad forskning Målet för alla delprojekten är att styra läknings- och anpassningsprocesser efter ortopediska operationer eller skador, alltså att påskynda läkning och förhindra oönskade effekter. Detta kan ske med hjälp av läkemedel och genom mekanisk stimulering. Rörelseapparaten är ju en mekanisk företeelse, utvecklad under mekanisk påverkan i både fylogenetisk och ontogenetisk bemärkelse. Trots detta är det påfallande okänt hur kroppen anpassar sig till mekaniska belastningar på vävnadsnivå, och hur dessa anpassningar kan påverkas farmakologiskt. Beskrivningen nedan är uppdelad i delområden, som handlar om senor, benläkning och hur ledproteser lossnar. Denna uppdelning är delvis konstlad, eftersom områdena metod- och konceptmässigt flyter samman Senor Bakgrund En stor andel av de patienter som kommer till primärvården söker hjälp för smärtor i rörelseapparaten. Ytterst få kommer att kunna få någon hjälp utöver välmenande men vetenskapligt ogrundade råd, eftersom kunskaper saknas både i litteraturen och i praktiken. De flesta patienterna har ont i senor, senfästen eller ligament, alltså i kollagena vävnader med uppgiften att bära dragkrafter. Även rygg- och nacksmärtor har huvudsakligen sitt säte i sådana vävnader. Vi har valt att särskilt intressera oss för senor, eftersom dessa utgör en renodlad kollagen dragvävnad och är lätta att studera. Senvävnadens patofysiologi och dess beroende av mekaniken kan ses som en modell för liknande tillstånd i alla kollagena vävnader med dragfunktion. Ett kliniskt ganska renodlat degenerativt smärttillstånd i senor är sk. tendinos. Patofysiologin innefattar mikrorupturer pga överbelastning. Cellerna i närheten av mikrorupturen får då en förvrängd mekanisk information, eftersom vissa fibrer inte längre kan bära last, och börjar remodellera sin omgivning utifrån felaktiga förutsättningar. En försämrad anpassning till funktionella krav leder till ytterligare mikrorupturer, och en ond cirkel etableras. Den sjuka vävnaden kommer att innehålla en mosaik av områden med mikrorupturer, degeneration och nekros, men också hypervaskularitet, proliferation, nybildning av primitiv senvävnad och utmognad av denna. Det senare kan beskrivas som en kronisk, destruktiv läkningsprocess. Patofysiologin hos tendinostillstånden gör det intressant att tränga in i hur senläkning styrs, inte bara för att kunna påverka läkning av traumatiska skador, utan också för att förstå de smärttillstånd som primärvården står maktlös inför. Pågående och planerade studier 1. Mekanisk läkningsstimulering Senor läker dåligt om de immobiliseras. Vi har nyligen visat att detta beror på de minskade dragkrafterna. Om musklerna som ska dra i senan paralyseras med botullinumtoxin, minskar den läkande senans hållfasthet till en fjärdedel av förväntat. Patienter med senskador (eller tendinoser) bör alltså träna. Men hur? Avgörande för detta är hur lång tid vävnaden minns en belastning. Just nu pågår försök där råttors hälsenor läker utan belastning, eller med kortvariga belastningsepisoder en eller flera gånger per dygn. Preliminära data tyder på att en kortvarig men effektiv belastning har full effekt på läkningen under 24 timmar. Vi har nu arbetshypotesen att små snabba ryck är bättre än stora, långsamt anbringade dragkrafter. Vi avlastar senorna genom att råttans bakdel lyfts upp i specialburar, så att baktassarna svävar i

Aspenberg, planerad forskning 2 luften. Träningen sker sedan på särskilda löpband. Hypoteserna om små, snabba ryck kommer att testas med vibratorer. De hittills nämnda studierna bygger på hållfasthetsmätningar. Förståelse på en annan nivå fås genom genuttrycksmätningar (realtid) och immunhistokemi. Eftersom vi tidigare påskyndat senläkning genom att tillföra tillväxtfaktorer inom gruppen Bone Morphogenetic Proteins (BMPs), har vi börjat mäta dessa och besläktade genuttryck. Preliminära resultat visar olika uttrycksmönster i omogna och mogna senor. Det finns också ett klart mekanikberoende. Just nu är vi fascinerade av GDF-8 (myostatin), som är känd som det protein som saknas i kor av köttrasen Belgisk blå, känd för sina väldiga muskler. GDF-8 hämmar muskeltillväxt, men vi har preliminärt visat att det stimulerar senor, och våra data tyder på att detta styrs av mekanisk belastning. Vi har nu arbetshypotesen att regleringen främst sker vid senvävnadens gräns mot omgivningen, där vi förväntar oss att se ökat uttryck av BMP-antagonister, särskilt follistatin, som tycks påfallande mekanikberoende i våra senor. I planerna ingår förstås analyser av ett urval av inflammationsgener och strukturmolekyler i intakta och läkande senor, och deras mekanikberoende. Sådana studier har inte gjorts tidigare, troligen beroende på att bra metoder för avlastning inte funnits, förrän vi kom på iden att använda botulinumtoxin, respektive specialburarna. Hösten 2008 startas en prospektiv randomiserad studie av patienter med brustna hälsenor, i syfte att påvisa att läkningen kan påskyndas mekaniskt. Patienterna kommer att få med sig en apparat till hemmet, för att dagligen belasta den läkande hälsenan på ett kontrollerat sätt. Lasten storlek ökas successivt enligt tillgängliga pilotdata. Vi har också utvecklat en teknik för att mäta patienterna hälsenas materialegenskaper in vivo. Det sker genom att tantalumkulor (diam 0.8 mm) skjuts in i senan under operationen. Under läkningen röntgas patienterna med en tredimensionell teknik (röntgenstereometri, RSA), som kan mäta avstånden mellan kulorna med en precision på 0.1 mm. På så sätt kan senans töjning vid olika belastningar mätas och materialegenskaperna räknas fram. Både stimuleringstekniken och mätmetoden är helt unika. Annan påverkan på senläkning Vi har tidigare kunnat påskynda senläkning genom att tillföra olika BMP-proteiner. Vanliga läkemedel, såsom NSAID eller medel för trombosprofylax har också kraftiga effekter på senläkning, men tyvärr negativa. Detta är ett observandum. Vi har också sett slående effekter av trombocytkoncentrat: En enda injektion 6 timmar efter ingreppet i vår djurmodell ger en starkare sena ännu 4 veckor senare. Effekten är mekanikberoende. Nu pågår en prospektiv studie, där patienter med brusten hälsena randomseras till att få autologt trombocytkoncetrat injicerat lokalt i samband med operationen. Utvärderingen sker med mätning av den läkande senans materialegenskaper med RSA-teknik (se ovan). I en just påbörjad prospektiv studie analyseras fingrarnas böjsenor i samband med stenoserande tendovaginit eller triggerfinger. Hypotesen är att detta är en form av tendinos, med tendinosens histologi och lokala genuttryck. I en prospektiv randomiserad studie prövas tetracyklin som behandling mot tennisarmbåge. Tetracyklin är - vid sidan av antibiotikaeffekten - en MMP-hämmare, som minskar omsättningen i kollagen vävnad. Tanken är att bryta den onda remodelleringscykeln.

Aspenberg, planerad forskning 3 Vi samlar in plasma från patienter med hälsenerupturer för att pröva hypotesen att dessa patienter har en generellt ökad halt av MMP2 och MMP7, vilket vi sett i en explorativ studie. Vi har också preliminärt sett en korrelation mellan MMP7-nivån och läkningsförmågan. Tanken är att kunna identifiera personer med dåligt läkkött. Ännu ej påbörjat Vi har funnit att råttsenor som inte belastas inte blir mindre styva, - som man skulle kunna tro - utan tvärtom. Om det kan bekräftas i andra modeller, skulle det kunna vara en förklaring till varför otränade personer ofta får smärtor i sina senor och senfästen. En ökad styvhet leder till mindre energiförluster t ex vid löpning, men ökar också risken för spänningskoncentration i vävnaden, och därmed för mikrorupturer. Detta ska studeras experimentellt, men också i en matematisk modell. Nedanstående är unikt och nytt! 1. Mekanisk läkningsstimulering med dragkrafter, från djurförsök till klinik. 2. Mätning av läkande senors mekaniska egenskaper i människa. 3. Genuttryck under senläkning och dess mekaniska beroende. 4. Myostatins reglerande roll för senor (här finns andra på samma spår, men ej med läkningsstudier). 5. Trombocytkoncentrat för senläkning i randomiserad klinisk studie. 6. Markörer för dåligt läkkött? 7. Teori för uppkomst av mikrorupturer och tendinos genom minskad hysteres. Tidigare resultat Några saker vi gjorde (publicerade) först av alla. 1999. Stimulerade senläkning med farmakologisk behandling (Aspenberg and Forslund). 2004. Stimulerade senläkning med trombocyter (Aspenberg and Virchenko). 2004. Visade skadeverkan av NSAID på senläkning (Virchenko et al.). 2007. Visade skadeverkan av trombosprofylax på senläkning (Virchenko et al.). 2007. Mätte mekaniska egenskaper i läkande hälsenor i patienter (Schepull et al.) Förbättrad förankring av skruvar och implantat Bakgrund De flesta frakturer drabbar osteoporotiskt ben. Frakturerna opereras, varvid man oftast använder skruvar i någon form. Det är svårt att få skruvarna att hålla tillräckligt bra, så att patienten kan komma igång att träna rörlighet. När man sätter en skruv i ben, sker en snabb reaktion, så att man ibland redan efter 2 veckor kan se att nytt ben bildats runt skruven även i människor. Detta leder till en förstärkning av fixationen. Reaktionen kan också gå åt andra hållet, med en lika snabb upplösning av benet, så att hållfastheten blir kraftigt minskad. Denna upplösning kan komma spontant, som en reaktion på mikrosprickor i benmatrix. Vi har visat, att man kan blockera bennedbrytningen runt skruvar genom att tillföra bifosfonat lokalt, kemiskt bundet till metallytan. Märkligt nog leder detta inte bara till att benförlust förhindras, utan också till en kraftigt ökad benbildning runt skruven. Detta beror på att även ett litet benbildningssvar kan leda till mycket ben, om bara nedbrytningen förhindras. Samtidigt har vi visat att samma princip verkar gälla i människa, genom att påvisa bättre förankring av ledproteser efter lokal bifosfonatbehandling under operationen. Vår metod att sätta bifosfonater på metallytor (och en del annat) har lett till bildande av ett utvecklingsföretag (Bioimplant AB). Här nedan beskrivs den akademiska fortsättningen.

Aspenberg, planerad forskning 4 Pågående och planerade studier Experimentellt Vår standardmodell innebär att skruvar av rostfritt stål förses med en ytbeläggning med olika läkemedel. Skruvarna sätts i tibia på råttor och får läka fast. Efter en tid mäts hållfastheten med en materialtestmaskin. Försöken utvecklas och varieras enligt följande: 1. Vi ska jämföra olika bifosfonatdoser och olika typer av bifosfonater, för att se om det finns ett dos-responsförhållande. 2. Vi har utvecklat en metod för att bekläda titanskruvar med calciumfosfat. Opublicerade data visar att även denna sitter bättre fast i benet. Vi tror att mekanismerna är olika och tänker jämföra denna yta och den bifosfonatbeklädda, med hypotesen att bifosfonateffekterna ses på större avstånd från ytan. Detta kan få stor klinisk betydelse. 3. Grupper av råttor ska få skruvar beklädda med radioaktivmärkt bifosfonat (C14- alendronat). Vi studerar med autoradiografi hur bifosfonaten spritt sig ut i det omgivande benet efter olika tidpunkter. Preliminära data antyder att bifosfonaten ses på större avstånd från implantatytan i ett senare skede, och sedan försvinner. Detta ska också göras i större djur. 4. Nanopartiklar av hydroxylapatit fästes löst mot metallytan via silaner med fosfatfrupper. Detta har vi redan lyckats med. Partiklarna ska coatas med bioaktiva substanser, lossna och transporteras ut i omgivningen innan substanserna avges. Detta blir ett sätt att pröva olika substanser i en generell modell. Vi tänker börja med bifosfonater, men också med en ny sorts Bone Morphogenetic Protein som gjorts resistent mot sin antagonist (noggin) genom en punktmutation. Vi har redan sett att detta protein fungerar in vivo, i en sen-modell. 5. Skruvmodellen ska användas för att testa flera olika substanser som de senaste åren kommit fram både i industrin (sclerostinantikroppar, osteoprotegerin) och akademiskt. Samarbetsavatal angående sclerostin har upprättats. Tillsammans med Dick Heinegård (Lund) ska vi testa ett antal nya peptider med benstimulerande effekter (Chondroadherinfragment). Kliniskt Vid frakturer på övre delen av lårbenet sätts en stor skruv genom lårbenshalsen upp i lårbenshuvudet. Hållfastheten är här ett problem. Skruven kan skära igenom benet och tränga ut ur lårbenshuvudet. Vi ska därför studera hur väl skruven sitter fast med hjälp av röntgenstereometri (RSA). Detta har aldrig tidigare gjorts. I en först studie ska 12 patienter opereras som vanligt, fast med tantalkulor, och det postoperativa förloppet följas med stereoröntgen efter 2,6 och 12 veckor. På grundval av resultaten bestäms sedan parametrarna för det skarpa försöket (power, gruppstorlek, mättidpunkt), som innebär att patienterna randomiseras blindat till att en svamp indränkt i ibandronat-lösning (1mg) förs in i borrhålet i lårbenshuvudet. Svampen trycks där samman på så sätt att bifosfonatlösningen pressas ut i det omgivande benet. Kontrollerna får koksalt. Dosen är densamma som visade sig fungera för protesfixation. En liknande studie för fixation av höftledsproteser planeras också. RSA-data analyseras tillsammans med statistiker i Lund med en ny metod, frekvensanalys, som gör det möjligt att hitta dikotomier i skenbart kontinuerliga fördelningar. Metoden utvecklas vidare. Vi har funnit en dikotomi mellan bifosfonatbehandlade proteser och övriga. Vi skapar alltså ett nytt biologiskt förlopp, och inte bara en gradskillnad i förankringen. Vi har opererat 5 pilotpatienter med Brånemarkskruvar coatade med bifosfonat. Varje patient fick dessutom 6 skruvar utan bifosfonat. Protesfixationen mättes med en välkänd teknik som bygger på vibrationsresonansfrekvens. I samtliga patienter fick den bifosfonatbehandlade skruven det högsta värdet. Vi har nu satt igång en randomiserad dubbelblindad studie av bifosfonatbehandlade skruvar jämfört med standardskruvar.

Aspenberg, planerad forskning 5 Unikt och nytt 1. Kliniska studier med implantat som klätts med bifosfonater. 2. Nanopartiklar som läkemedelsbärare, löst fixerade till metallytor. 3. Noggin-resistent GDF-5, som kan bli ett super-bmp. 4. Molekyler från Wnt-systemet i ortopediska modeller (Sclerostin-antikroppar, till att börja med). 5. Frekvensanalys av medicinska data (en ny matematisk metod med stora möjligheter). Frakturläkning En internationell randomiserad multicenterstudie av stimulering av frakturläkning med PTH har just avslutats i regi av ett läkemedelsföretag. Jag initierade studien och skriver nu manus. Resultaten visar att läkningstiden förkortats. Nu initieras en studie på höftfrakturer, där vi kan mäta livskvalitet och gångförmåga Bifosfonatbehandling minskar benvävnadens omsättning. Om benet inte byts ut kan det bli sprött med tiden. Ett par fall av typiska försprödningsfrakturer (tvärs av, mitt på låret) har nu inträffat i Sverige efter lång bifosfonatbehandling. Denna sällsynta biverkan kan skrämma kollegor från att ordinera bifosfonater. Vi har nu satt igång en registrering av dessa frakturer och ska relatera förekomsten till prevalensen av långvarig bifosfonatbehandling i socialstyrelsens läkemedelsregister. Unikt och nytt 1. Första gången frakturläkning påskyndats med läkemedel (PTH) i människa. Proteslossning Bakgrund I Sverige lossnar mer än 2 000 knä- och höftledsproteser varje år. En utbytesoperation av en protes är komplicerad. Risken att drabbas av ny lossning ökar med varje operation. Man vågar därför inte sätta in proteser i unga patienter, fast de har ont. Protesen lossnar för att benet som den sitter i bryts ned. Orsaken är oklar. Nedbrytningen anses av många vara orsakad av slitagepartiklar, vilket leder till en kronisk inflammation. Nya data tyder dock på att vätsketryck och vätskeflöde i benvävnaden är viktigare. Vi vill undersöka vätsketrycksorsakad bennedbrytning för att kunna förebygga eller motverka proteslossning. Märkligt nog har tryckutlöst bennedbrytning knappast studerats alls. Ett skäl kan vara avsaknaden av experimentella modeller. Vårt projekt bygger på att vi har lyckats utveckla en djurmodell. Pågående och planerade försök Vi utvecklade tidigt en djurmodell som kunde bekräfta konceptet. Denna har nu gjorts om för att möjliggöra kvantitativa studier. Vi mäter nu tryck och lokala flödeshastigheter i vävnaden. Dessa relateras till resorptionen och uttryck av inflammatoriska och resorptionsassocierade gener. Preliminärt ger partikelutlöst och tryckorsakad resorption olika uttrycksmönster. Kartläggning med mikroct görs vid Hospital for Special Surgery i New York. Resultaten ligger till grund för matematiska modelleringar (påbörjade) som utförs på tekniska fakulteten. Kliniska mätningar i samband med revisionsoperationer kommer att innefatta lokala flödeshastigheter som relateras till kontrollerade belastningar. Syftet är att validera de teoretiska modellerna mot verkligheten. Experiment i datorn ska sedan jämföras med djurförsök. En ökad förståelse av vilken inverkan ett ökat vätsketryck har för proteslossning skulle kunna leda tillbättre kirurgi och förbättrade proteser med större livslängd.

Aspenberg, planerad forskning 6 Vi har försökt hämma redan pågående proteslossning med bifosfonater (även lokalt insprutade) utan framgång i patienter. En viss osteoklastaktivitet fordras faktiskt för att bifosfonaten ska tas upp och göra verkan. De nya RANKL-antikropparna (Denosumab), däremot, hämmar osteoklastens differentiering (i stället för aktiviteten). De skulle därför kunna bli effektiva motmedel mot etablerad proteslossning. Vi planerar nu djurförsök om detta tillsammans med tillverkaren. Unikt och nytt 1. Denosumab som behandling vid proteslossning (i stället för operation?).