Comportamiento morfológico del cartílago de crecimiento sometido a diferentes condiciones mecánicas (compresión, tensión y neutralización). Estudio experimental en corderos

REVISTA DE ORTOPEDIA Y TRAUMATOLOGÍA

Volumen 43, pp 149-157

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ESTUDIO EXPERIMENTAL

Comportamiento morfológico del cartílago de crecimiento sometido a diferentes condiciones mecánicas (compresión, tensión y neutralización). Estudio experimental en corderos

Morphological behavior of the growth cartilage under different mechanical conditions (compression, tension and neutralization). Experimental study in lambs

ARRIOLA GÜENAGA, F. J.; FORRIOL CAMPOS, F., y CAÑADELL CARAFI, J.

Departamento de Cirugía Ortopédica y Traumatología. Clínica Universitaria. Facultad de Medicina. Universidad de Navarra. Pamplona.

Correspondencia:

Dr. F. J. ARRIOLA GÜENAGA.

Policlínica Guipúzcoa.

P.° Miramón, 174.

20001 San Sebastián.

II Premio SECOT Rhône-Poulenc-Rorer 1998.

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RESUMEN: Se ha estudiado el cartílago de crecimiento proximal de la tibia de las patas posteriores en 15 corderos jóvenes de 2 meses. Se sometió la pata izquierda a diferentes condiciones mecánicas (compresión, tensión y neutralización) mediante el uso de un fijador externo monotubo LC^®. El ritmo de distracción y el de compresión fue de 0,5 mm cada 3 días. La pata derecha fue utilizada como control. Se midió la longitud anteroposterior en radiografías de la tibias y se estudiaron los cambios histológicos, morfológicos e histomorfométricos de las fisis. En los cartílagos portadores de fijador externo se observó que los sometidos a tensión aumentaron la altura del cartílago a expensas de la capa hipertrófica y no por estímulo de la proliferación celular; los sometidos a compresión sufrieron una inhibición del cartílago de crecimiento, con descenso de la capa proliferativa y aumento de la hipertrófica. Los sometidos a neutralización presentaban una disminución de la capa proliferativa al igual que el resto de portadores de fijador externo, sin encontrarse diferencias significativas entre ellos debido a la ausencia de una carga intermitente que estimulase la proliferación celular.

PALABRAS CLAVE: Cartílago de crecimiento. Histomorfometría. Fijación externa. Estudio experimental.

ABSTRACT: A study was made of the proximal growth cartilage of the tibia of the hind legs of 15 two-month-old lambs. The left leg was exposed to different mechanical conditions (compression, tension and neutralization) using an LC^® monotube external fixator. The rate of distraction and compression was 0.5 mm every 3 days. The right leg was used as a control. We measured the anteroposterior length of the tibia in radiographs and studied the histological, morphological, and histomorphometric physeal changes. In the cartilages submitted to external fixation, tension on the cartilage increased cartilage height at the expense of hypertrophy rather than stimulation of cell proliferation. Compression of the cartilages produced inhibition of the growth cartilage, reduction of the proliferative layer and an increase in the hypertrophic layer. Neutralization of the cartilages reduced the proliferative layer, as in the other cartilages exposed to external fixation. There were no significant differences between them because of absence of an intermittent load that stimulates cell proliferation.

KEY WORDS: Growth cartilage. Histomorphometry. External fixation. Experimental study.

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La idea de que los efectos mecánicos afectan al esqueleto y a muchas de sus patologías comenzó con autores como Hueter,²⁵ Volkmann⁴⁹ y Wolff.⁵¹ Sin embargo, la naturaleza de esos efectos, cómo actúan y cómo afectan a su sano desarrollo o a su patología es todavía oscuro. Hueter²⁵ y Volkman⁴⁹ describieron el efecto inhibidor de la compresión y el efecto estimulador de la decompresión sobre el crecimiento longitudinal del hueso. La influencia de los factores mecánicos se manifiestan sobre el desarrollo del centro de osificación secundario, estableciéndose una hipótesis que defiende que las solicitaciones a cizallamiento intermitentes tienden a acelerar, mientras que las solicitaciones a compresión intermitentes tienden a inhibir el proceso de osificación encondral.²⁶

La distracción fisaria ha sido utilizada para la corrección de dismetrías y deformidades angulares, si bien persisten dudas acerca del potencial de crecimiento de la fisis distraída. Ring³⁹ demostró que la distracción fisaria producía un rotura a través de la capa hipertrófica. Otros autores confirmaron que la elongación se obtenía por la distracción del callo fractuario.^27,33,34 Esta fractura requiere unas fuerzas elevadas^28,32 y el crecimiento puede inhibirse total o parcialmente tras las distracción.^8,18,24,33 En el conejo se ha observado una hiperplasia de la capa hipertrófica, sin fractura, tras ritmos lentos de distracción¹¹ que reducen el riesgo de afectación del crecimiento longitudinal¹⁴ y producen una elongación al causar una hipertrofia del cartílago de crecimiento.^11,50

Este tipo de hipercrecimiento sin fractura se denominó condrodiástasis.¹² Sledge y Noble⁴³ demostraron que ritmos lentos de distracción a una fuerza constante podían aumentar la longitud ósea con o sin fractura, encontrando un aumento de la actividad celular en el cartílago de crecimiento. El mecanismo fundamental del crecimiento óseo longitudinal es la producción de nuevos condrocitos en la capa proliferativa del cartílago de crecimiento.³¹ Sin embargo, el efecto de la distracción lenta y progresiva sobre el cartílago de crecimiento es incierto.

La compresión del cartílago de crecimiento produce un retardo transitorio o una detención permanente del crecimiento^21,22,40 y ha sido utilizada para la corrección de dismetrías;^4,21 sin embargo, pocos estudios experimentales han investigado su efecto sobre los condrocitos del cartílago de crecimiento.^48,50

El objetivo del presente trabajo es determinar el comportamiento morfológico del cartílago de crecimiento variando sus condiciones mecánicas mediante la utilización de la fijación externa a compresión, tensión y en neutralización.

Material y Método

Se emplearon 15 corderos de raza Churra de 2 meses de edad y 20 kg de peso en el momento de la intervención. La intervención se realizó en la pata izquierda, utilizando la contralateral como control. Los 15 corderos intervenidos fueron divididos en tres grupos atendiendo a la técnica quirúrgica realizada.

Los corderos fueron anestesiados con pentobarbital sódico (Tiobarbital^®) 1,5 mg/kg y bajo control radiológico se procedió a la colocación percutánea de los clavos APEX^® (Howmedica) de 5 mm de diámetro y con 50 mm de longitud de rosca mediante un mandril en «T» que permitió la correcta orientación de los mismos en el fémur y en la tibia, alejados del cartílago de crecimiento. La inserción de los clavos se realizó usando como guía el fijador externo (Monotubo LC^®, Howmedica, Suiza) en el siguiente orden: un clavo en la diáfisis distal del fémur, un clavo en la metáfisis distal del fémur, un clavo en la metáfisis proximal de la tibia y un clavo en la diáfisis proximal de la tibia.

En el grupo de corderos sometidos a tensión (Grupo A) se realizó en el postoperatorio inmediato una distracción de 2 cm. En el grupo sometido a compresión (Grupo B) se realizó una compresión de 1,5 cm, obteniendo una confrontación femorotibial que impedía continuar la compresión. En el tercer grupo portador de fijador externo (Grupo C) no se realizó ni tensión ni compresión con el objetivo de evitar la transmisión de fuerzas por el cartílago de crecimiento.

Se efectuó una distracción de 0,5 mm cada 3 días en el grupo sometido a tensión y una compresión de 0,5 mm cada 3 días en el grupo sometido a compresión.

Los animales fueron sacrificados a los 3 meses de la intervención mediante la inyección endovenosa de una sobredosis de tiobarbital y 40 mEq de cloruro potásico.

Una vez extraídas las piezas se realizaron radiografías convencionales de contacto en proyección AP y lateral de la tibia. Se midió la longitud de las tibias en la proyección AP, utilizando un calibre (exactitud: ± 0,05 mm).

En todos los casos se resecaron los extremos proximales de la tibia, fijándolos en Bouin y decalcificándolos con PVP-EDTA. Se incluyeron las muestras en parafina realizándose cortes de 4 mm teñidos con la tinción de azul alcian-PAS y tricrómico de Masson.

Se realizó un estudio morfológico de todas las preparaciones observando las proporciones de las distintas capas y la disposición regular o irregular de las columnas y de las fibras de colágeno. El análisis histomorfométrico de las dimensiones de las capas del cartílago de crecimiento se efectuaron con el sistema de análisis de imagen Leica Q500MC (Leica Cambridge Ltd., Cambridge, UK) conectado por una cámara de televisión al microscopio óptico (Nikon Optiphot 2, Nikon, Japan). Los aumentos utilizados en el microscopio fueron de 100*, siendo la magnificación del sistema de análisis de imagen de 10*. La unidad de medida fue el pixel, que equivale a 0,82 mm. Se midieron la altura y el área de las capas de reserva, proliferativa e hipertrófica en cinco campos distintos de cada muestra. La media de esas cinco medidas se consideró como la altura y el área de esa capa del cartílago de crecimiento en la muestra correspondiente.

Se realizaron 46 medidas de altura por campo, sumando 230 medidas por capa y muestra, midiéndose una muestra de cada uno de los dos cartílagos de crecimiento de los 15 corderos de los tres grupos, obteniendo en total 6.900 mediciones de altura en relación a cada capa. Se realizó una medida de área por campo, sumando cinco medidas por campo y muestra, midiendo una muestra de cada uno de los dos cartílagos de crecimiento de los 15 corderos, obteniendo en total 150 mediciones de áreas por cada capa. Posteriormente se obtuvieron los porcentajes de área correspondientes a cada capa respecto al área total equivalente a la suma de las áreas.

Para la comparación de grupos independientes se utilizó el ANOVA de un factor, controlando además la homogeneidad de varianzas mediante el test de Lavene. Como test de comparaciones múltiples se utilizaron contrastes no ortogonales para las comparaciones de interés entre grupos.

Para la comparación de datos pareados (intervenidos vs control) se realizaron test de «t» de Student de muestras pareadas dentro de cada grupo de intervención.

Resultados

Estudio radiológico

En las radiografías de los huesos tras el sacrificio no se han observado angulaciones, fracturas ni epifisiolisis. No hubo diferencias significativas entre las medidas de las tibias de los diferentes grupos.

Estudio histológico (morfológico)

No se observó evidencia de epifisiolisis en los animales sometidos a tensión. Sí se objetivó una hiperplasia del cartílago de crecimiento con columnas regulares, sin observar la presencia de fisis accesorias ni de puentes óseos. No se hallaron anastomosis entre la circulación epifisaria y metafisaria, si bien en un caso se observó la presencia de capilares penetrando en la capa proliferativa. El pericondrio y el periostio permanecieron intactos en todos los animales.

En los animales sometidos a compresión se observó que la zona metafisaria distal del fémur parece estar abrazada en sus extremos por la fisis. Las columnas de condrocitos se hallan distorsionadas, observándose condrocitos hipertróficos degenerados. Se evidenció un estrechamiento de la fisis, sin la presencia de puentes óseos en ninguna de las muestras. No se hallaron alteraciones de la vascularización ni tampoco en el anillo pericondral de Ranvier.

Los animales que llevaron el fijador externo en neutralización presentaron un engrosamiento del cartílago de crecimiento con presencia de columnas regulares. No se hallaron ni epifisiolisis, ni puentes óseos, ni alteraciones de la vascularización, ni del anillo pericondral de Ranvier.

Estudio histomorfométrico

Se realizó un estudio histomorfométrico de las alturas de las capas de reserva, proliferativa e hipertrófica en los distintos grupos. Los resultados obtenidos fueron los que se muestran en las Tablas 1 (alturas) y 2 (áreas). Se realizó el análisis estadístico de las alturas y de las áreas comparando el hueso intervenido con el hueso control en cada grupo y capa (Figs. 1-6).

Tabla 1. Altura de las capas en los grupos de animales con fijador externo (mm).
	Tensión						Compresión						Neutralización
	Reserva		Prolife- rativa		Hiper- trófica		Reserva		Prolife- rativa		Hiper- trófica		Reserva		Prolife- rativa		Hiper- trófica
	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­		x­	DS	x­	DS	x­	DS
Tibia derecha	90,14	22,30	147,41	30,06	113,95	12,78	85,98	26,77	123,76	25,13	88,29	27,59	81,74	17,36	124,18	16,17	92,75	27,19
Tibia izquierda	88,41	22,77	88,90	23,25	168,82	42,30	93,29	36,07	85,20	25,55	113,09	34,88	90,13	20,29	84,81	16,43	142,04	39,18

Tabla 2. Área de las capas en los grupos de animales con fijador externo (%).
	Tensión						Compresión						Neutralización
	Reserva		Prolife- rativa		Hiper- trófica		Reserva		Prolife- rativa		Hiper- trófica		Reserva		Prolife- rativa		Hiper- trófica
	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS	x­	DS
Tibia derecha	26	3,32	41	3,60	33	2,82	29	3,80	42	4,18	29	4,01	26	3,07	42	2,87	32	2,82
Tibia izquierda	26	5,44	24	3,24	50	4,28	31	7,20	29	4,88	40	7,45	27	3,28	26	4,26	47	5,28

Altura capa de reserva tibia (micras)

Figura 1. Grupo A: Fijador externo a tensión. Grupo B: Fijador externo a compresión. Grupo C: Fijador externo en neutralización.

Altura capa proliferativa tibia (micras)

Figura 2. Grupo A: Fijador externo a tensión. Grupo B: Fijador externo a compresión. Grupo C: Fijador externo en neutralización.

Altura capa hipertrófica tibia (micras)

Figura 3. Grupo A: Fijador externo a tensión. Grupo B: Fijador externo a compresión. Grupo C: Fijador externo en neutralización.

Área capa de reserva tibia (%)

Figura 4. Grupo A: Fijador externo a tensión. Grupo B: Fijador externo a compresión. Grupo C: Fijador externo en neutralización.

Área capa proliferativa tibia (%)

Figura 5. Grupo A: Fijador externo a tensión. Grupo B: Fijador externo a compresión. Grupo C: Fijador externo en neutralización.

Área capa hipertrófica tibia (%)

Figura 6. Grupo A: Fijador externo a tensión. Grupo B: Fijador externo a compresión. Grupo C: Fijador externo en neutralización.

La comparación de las alturas y de las áreas de las capas de los huesos intervenidos entre los distintos grupos se realizó mediante ANOVA de un factor. No hubo diferencias significativas entre los distintos grupos tanto en la capa de reserva como en la capa proliferativa.

En los animales portadores de fijador externo a tensión se observó un descenso de la capa proliferativa y un aumento de la capa hipertrófica, siendo esta última significativamente mayor que en los sometidos a compresión (p < 0,001) y en neutralización (p < 0,01). En los animales sometidos a compresión la capa proliferativa fue significativamente menor y la capa hipertrófica mayor. Los portadores de fijadores externos en neutralización presentaron una disminución significativa de la capa proliferativa, sin encontrarse diferencias significativas con los portadores de fijador externo a tensión y a compresión y un aumento significativo de la capa hipertrófica, si bien fue menor que en los sometidos a tensión y mayor que en los sometidos a compresión (Fig. 7).

A

 B

 C

 D

Figura 7. Imágenes de cartílago de crecimiento sometido a diferentes solicitaciones mecánicas con fijador externo: A: control; B: a tensión de 1 mm/semana durante 6 semanas; C: a compresión de 1 mm/semana durante 6 semanas, y D: en neutralización. Obsérvese el aumento de altura del cartílago de crecimiento sometido a tensión comparado con el de otras solicitaciones (azul alcián-PAS; 100*).

Discusión

La distracción fisaria se utiliza para la elongación ósea o corrección de deformidades, si bien existe discusión acerca de la capacidad de crecimiento de la fisis distraída. En modelos animales se ha demostrado que la distracción a ritmo lento aumenta la longitud mediante hiperplasia del cartílago de crecimiento sin fractura a nivel de la fisis.^12,50 Sledge y Noble⁴³ demostraron que ritmos lentos de distracción podían elongar el hueso sin asociar una epifisiolisis con un aumento de la actividad celular fisaria. Sin embargo, cuando se realiza una distracción fisaria en clínica siempre tiene como objetivo conseguir una separación entre la metáfisis y la epífisis para conseguir corrección axial o corregir una dismetría.

La respuesta de la fisis a la distracción se concretó con un aumento de su anchura^{8,11,13,14,24,32,35,43,44} y puede ser explicado parcialmente por producirse una hiperplasia celular.^{11,14,32,35,43} Kenwright y cols.³² señalaron un aumento en el número de columnas de las capas proliferativas e hipertróficas, pero sin aportar datos cuantitativos.

En este trabajo se ha observado un aumento en la anchura de la fisis en todos los animales sometidos a tensión, la cual se ha realizado bajo ritmos lentos de distracción y con pequeñas fuerzas.^{13,37,43,44,50} En este estudio se observó el aumento en la capa hipertrófica, si bien otros autores lo han descrito también en las capas proliferativa e hipertrófica.^11,43Así, pensamos que el aumento en la altura fisaria puede deberse a una afectación de la irrigación metafisaria^8,13,14 al acumularse condrocitos en la capa hipertrófica sin aporte vascular y, por tanto, sin llegada de células óseas, debido a la isquemia metafisaria. Trueta y Amato⁴⁷demostraron que la oclusión de las arterias metafisarias producía una acumulación de condrocitos hipertróficos. Noguchi y cols.³⁶ señalaron que la interrupción del flujo vascular metafisario producía, además de una ausencia de calcio en los condrocitos hipertróficos, una inhibición de la reabsorción. De Bastiani y cols.¹¹ sugirieron que la causa podía ser la afectación de la maduración de los condrocitos. La hipovascularización metafisaria probablemente afecte la calcificación de la matriz, lo cual explica el aumento de la anchura de la capa hipertrófica. La epifisiolisis en la unión de la capa hipertrófica con las zonas de calcificación primaria afecta también a los vasos metafisarios. Asimismo, en la distracción sin separación, como ocurre en este trabajo, al producirse una elongación se puede alterar el flujo de los vasos metafisarios,² lo cual explica que la capa hipertrófica sea mayor que en los portadores de fijador externo a compresión y en neutralización. Desde nuestro punto de vista, al efectuar una tensión aunque sea muy pequeña se produce una separación entre la capa hipertrófica y la metáfisis, lo que hace que los vasos tengan que realizar un mayor recorrido hasta alcanzar la capa hipertrófica del cartílago de crecimiento, con el consiguiente estiramiento de los vasos, que disminuyen su díametro y también su flujo sanguíneo.

La ausencia en el cartílago de crecimiento de áreas de necrosis, puentes óseos y epifisiolisis sugieren que la técnica de distracción que se utilizó en este estudio no lesiona la viabilidad del cartílago de crecimiento.

La proliferación celular en la fisis se produce mayoritariamente en la capa proliferativa,^3,17,29,30 siendo esporádica en la capa de reserva.^3,17,29,30 Los condrocitos basales de la capa hipertrófica son metabólicamente activos,¹⁶si bien no suelen proliferar, salvo en aquellas circunstancias en las cuales la maduración ósea se halle afectada. Alberty y Peltonen¹hallaron proliferación celular en los condrocitos hipertróficos sin encontrar cambios en la capa proliferativa.

El presente estudio demuestra que el aumento en la anchura de la fisis producido por la distracción no se debe a la proliferación celular en la capa proliferativa. No se observó evidencia de proliferación celular anómala ni en la capa de reserva ni en la capa hipertrófica. El aumento en la anchura de la fisis se debe probablemente al retraso en la mineralización de los condrocitos hipertróficos, lo cual produce una mayor acumulación de los mismos, aunque otros autores^11,43 han interpretado erróneamente el aumento en la anchura fisaria producido por la distracción como el resultado de un incremento de la actividad celular.

El estrechamiento de la fisis durante la compresión estática ha sido demostrado en muchos estudios.^4,7,9,19,23 Tras la compresión dinámica, Trueta y Trías⁴⁸ demostraron un aumento transitorio de la altura fisaria. En este estudio se observó una reducción de la zona proliferativa y un aumento de la zona hipertrófica, con una desorganización progresiva de las capas y de las columnas de condrocitos, hallazgo concordante con otros trabajos.^9,19,40,48 La pérdida de la distribución columnar y la fusión de las capas se debe probablemente a la presión que se ha ejercido sobre la fisis. Así, la hipótesis de que el estrechamiento de la fisis es el resultado de un cese o disminución en la proliferación de los condrocitos de la capa proliferativa, junto con una disminución de la calcificación en la capa hipertrófica y con la consiguiente acumulación de los condrocitos hipertróficos, parece la más probable y aceptada.^9,19,40,48

Christensen⁹ señaló que tras el grapado la fisis persistía en su estructura cartilaginosa durante un largo período sin observar puentes óseos hasta 45 días tras el cese del crecimiento. La fisis eventualmente puede destruirse y desarrollarse una epifisiodesis si la duración de la compresión es lo suficientemente larga,^4,9,41,48 si bien no se conoce la duración exacta de la compresión para que esto se produzca.^{9,19,22,40,48} La formación de puentes óseos en el cartílago de crecimiento es el resultado de la invasión vascular del área lesionada del cartílago de crecimiento al establecerse anastomosis entre la vascularización metafisaria y epifisaria.^10,41,47,48 En la mayoría de los animales el crecimiento se reanuda una vez que se retira la compresión estática,^19,21,22 siendo aplicado este principio en la practica clínica para conseguir ceses temporales del crecimiento mediante grapado.^4,5

El efecto de fuerzas bajas de compresión sobre la fisis es controvertido. Así, algunos autores no creen que fuerzas pequeñas inhiban el crecimiento,^4,21,45 si bien Peruchon y cols.,³⁸ estudiando el efecto de pequeñas fuerzas de compresión sobre la fisis, demostraron que a medida que aumentaba la presión el crecimiento disminuía.

A pesar de la desorganización de la distribución columnar y el estrechamiento observado en este estudio no se ha observado la presencia de puentes óseos ni signos indicativos de cierre fisario. A la vista de los resultados, la fisis parece ser una estructura bastante resistente a la compresión. Ello explica el potencial de recuperación de la fisis una vez que el mecanismo de compresión ha cesado. Así, la fisis se sitúa en un estado de latencia, el cual es reversible si la compresión cesa en el momento adecuado.

En los animales sometidos a neutralización radiológicamente no se ha observado un descenso en su crecimiento longitudinal con respecto a la pata no intervenida. Está demostrado que la carga dinámica puede estimular el crecimiento del cartílago fisario en los metatarsianos de las ratas, mientras que la carga estática inhibe el crecimiento fisario y una disminución en la compresión conlleva una aceleración del crecimiento.⁴² Por ello, tomando como grupo control de los animales portadores de fijador externo, el del fijador externo en neutralización (carga estática), se observó que dichas tibias no presentan diferencias significativas entre la tibia intervenida y el control, por lo cual el crecimiento longitudinal esquelético macroscópico era normal en el grupo de animales portadores de fijador externo en neutralización.^15,46 Si el crecimiento longitudinal esquelético estuviera predominantemente determinado por la carga ósea, los corderos portadores del fijador externo en neutralización deberían haber presentado un menor crecimiento en la pata intervenida respecto de la pata control.

Se ha observado un descenso de la capa proliferativa y un aumento de la capa hipertrófica que podrían explicarse por medio de dos teorías; una sería el posible estímulo vascular a nivel metafisario por la colocación de los clavos del fijador externo, y otra, la inhibición del crecimiento longitudinal por la descarga que conlleva el fijador externo.²⁰ La ausencia de diferencias significativas entre los distintos grupos portadores de fijadores externos en las capas de reserva y proliferativa nos induce a pensar que la disminución en la capa proliferativa estaría influenciada por la colocación del fijador externo y la consiguiente descarga de la extremidad, que junto con la ausencia de cargas intermitentes conllevaría una inhibición de la proliferación de la misma.^6,20,42

El aumento de la capa hipertrófica podría explicarse en parte por la afectación de la vascularización metafisaria por los clavos, si bien se observa una menor altura que en los sometidos a tensión (p < 0,01) y una mayor altura que en los sometidos a compresión, siendo la diferencia en estos últimos muy significativa (p < 0,01), lo cual se explicaría por una mayor afectación de la vascularización en los sometidos a tensión² y por la disminución de la proliferación celular en los sometidos a compresión.^9,19,40

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado dentro del marco Proyectos de Investigación de la Universidad de Navarra (PIUNA). Agradecemos la asistencia técnica en las preparaciones histológicas a la señorita Purificación Ripalda.

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