Development of a large animal model for percutaneous vertebroplasty for in vivo evaluation of a new injectable cement

Abstract

The present work aimed to test in vivo a new biomaterial for vertebral augmentation. Vertebral compression fractures not healing with conservative management are treated through minimally invasive surgical techniques. Presently, most of the cements used in percutaneous bone interventions are based on a polymeric non-resorbable matrix. However, they can present some complications. Calcium suphate-based cements are effective bone substitutes. Disadvantages include their limited shear and compressive strength. To go beyond the state of the art, a new bioactive calcium sulphate-based cement was developed - Spine-Ghost. To test the suitability of the injectable cement for percutaneous vertebroplasty, a preclinical study was mandatory. A new large animal model for percutaneous vertebroplasty was developed in sheep. In the ex vivo model, bone defects were created in the cranial hemivertebrae through a bilateral modified parapedicular approach, and mechanical tests were performed. The ex vivo model is reproducible, and safe under physiological loads. In the in vivo study, two groups of Merino sheep were defined (n=8): a) the control group, injected with a commercial ceramic cement; and b) the experimental group, injected with Spine-Ghost. Of the first interventioned animals, two presented cardiorespiratory distress during the cement injection, and one had mild neurologic deficits in the hindlimbs. All sheep survived and completed the 6-month implantation period. After sacrifice, the samples were assessed by micro-computed tomography, histological, histomorphometric, and immunohistological studies. There was no evidence of cement leakage into the vertebral foramen. No signs of infection or inflammation were observed. Most importantly, there was cement resorption and new trabecular bone formation in the bone defects of all sheep. The model of percutaneous vertebroplasty is considered suitable for preclinical in vivo studies, mimicking clinical application. Spine-Ghost proved to be an adequate material for percutaneous vertebroplasty, with a biological response identical, if not superior, to the one elicited by the available commercial control; Desenvolvimento de modelo animal superior para vertebroplastia percutânea para avaliação in vivo de um novo cimento injetável. Sumário: O trabalho aqui apresentado teve por objetivo a avaliação in vivo de um novo biomaterial injetável para vertebroplastia a cifoplastia percutâneas. As fraturas de compressão vertebral com indicação cirúrgica são tratadas com recurso a técnicas minimamente invasivas. Presentemente, a maioria dos cimentos utilizados baseiam-se numa matriz polimérica não reabsorvível. Podem, no entanto, causar algumas complicações. Os cimentos à base de sulfato de cálcio são substitutos ósseos eficazes, cujas desvantagens incluem resistência limitada a esforços de corte e compressão. Um novo cimento bioativo de sulfato de cálcio - Spine-Ghost - foi desenvolvido. Para testar a sua aplicabilidade na vertebroplastia percutânea, tornou-se imperativo um estudo pré- clínico. Para o efeito, um novo modelo animal para vertebroplastia percutânea foi desenvolvido em ovinos e sujeito a ensaios mecânicos. No modelo ex vivo, foram criados bilateralmente dois defeitos ósseos interligados, nas hemivértebras craniais, através de uma abordagem parapedicular modificada. O modelo ex vivo é reprodutível e seguro sob cargas fisiológicas. No estudo in vivo, definiram-se dois grupos de ovelhas Merino (n=8): a) grupo controlo, injetado com cimento comercial de base cerâmica; b) grupo experimental, injetado com Spine-Ghost. Nos primeiros animais intervencionados, dois apresentaram alterações cardiorrespiratórias durante a injeção de cimento, e um défices neurológicos ligeiros nos membros pélvicos. Todos os animais sobreviveram e completaram o período de implantação de 6 meses. Após a ocisão, as amostras foram avaliadas por microtomografia computorizada, histologia, histomorfometria e imunohistoquímica. Não se observou derrame de cimento para o canal vertebral, nem sinais de infeção ou inflamação. Ademais, verificou-se a reabsorção do cimento e a neoformação de tecido ósseo trabecular no interior dos defeitos ósseos, em todos os animais. O modelo de vertebroplastia percutânea é considerado adequado para estudos pré- clínicos, mimetizando a aplicação clínica. O Spine-Ghost demonstrou ser um biomaterial adequado para vertebroplastia percutânea, com uma resposta biológica idêntica, se não superior, à elicitada pelo controlo comercial.