IN VIVO CHARACTERIZATION OF A NEW TRANSPEDICULAR APPROACH TO THE INTERVERTEBRAL DISC IN A LARGE ANIMAL MODEL

Back pain (BP) is a common clinical condition that leads to high morbidity with significant psychosocial and economic effects. It is the leading cause of disability in people under 45 years of age, and it results in enormous national economic losses in developed countries. The wide majority of BP is associated with degenerative changes of the intervertebral disc (IVD). 
Intervertebral disc degeneration (IVDD) is an age-related chronic process that is characterized by a progressive reduction of proteoglycans and water content in the nucleus pulposus (NP) with loss of the IVD's ability to resist compressive forces. Current treatment options for BP and IVDD range from conservative measures to invasive procedures however, these treatment modalities have limited efficacy and do not produce predictable and reliable outcomes. Therefore, there is a clear need for more effective early treatments of BP that may prevent, slow down, or reverse the degenerative changes. To evaluate the efficacy of novel IVD regenerative treatments, prior to translation into humans, ex vivo and in vivo animal model systems are needed. In the present study, a novel transpedicular approach to the IVD has been validated in 12 sheep. Under fluoroscopy, a 2-mm Kirshner wire was introduced through the vertebral body with a inclination of approximately 45° in all plans direction to reach the center of the NP. In each animal, four IVDs, from L1 to L5, were addressed by performing different surgical techniques respectively: (I) nucleotomy, (II) tunnel, (III) nucleotomy + polyurethane (PU) scaffold, and (IV) tunnel + PU scaffold. Intact IVDs (L5-6) were used as controls. Intra- and post-surgical morbidity rates were low; CSF leakage was recorded in two spinal segments whereas discospondylitis and vertebral luxation occurred respectively at L1-2 and L3-4 in two different animals. The quantitative and qualitative analysis of MRI, radiologic, histologic and macroscopic data, collected at four different time points (before and 1, 3 and 6 months after surgery), suggested that the injury induced in the present model represents a reliable method for initiating a progressive IVDD process, obtaining different degrees of IVDD depending on the type of lesion performed. The endplate damage itself, caused by the realization of the transpedicular tunnel, led to IVD degenerative changes, although to a lesser extent than those caused by performing nucleotomy. Furthermore, the sealing of the tunnel with the PU scaffold resulted in a lack of cells leakage throughout the tunnel. The transpedicular approach represents a feasible alternative route to the IVD, without causing damage to the annulus fibrosus. This new pathway to the IVD provides a new valid model to study biologic and biomechanical alterations in relation to both IVD degenerative processes and potential NP regenerative therapies.

La lombalgia è una condizione clinica molto frequente associata ad elevata morbidità, con effetti sia dal punto di vista psicosociale che della spesa sanitaria nazionale. La lombalgia é la principale causa di disabilità nella popolazione al di sotto dei 45 anni e rappresenta una della principali voci di spesa nei paesi sviluppati. La grande maggioranza dei casi di lombalgia è associata alla degenerazione del disco intervertebrale (IVDD).
 L'IVDD è un processo cronico età-correlato caratterizzato da una progressiva riduzione del contenuto di proteoglicani ed acqua nel nucleo polposo (NP), con perdita della capacità del disco di resistere a forze compressive. Le attuali opzioni di trattamento disponibili per lombalgia e IVDD comprendono sia approcci conservativi che procedure invasive. Tuttavia, queste modalità di trattamento hanno un' efficacia limitata e non producono risultati prevedibili e riproducibili. Per queste ragioni, vi è una evidente necessità di trattamenti che siano efficaci nel prevenire, rallentare o invertire le modificazioni degenerative causate dal processo di IVDD. Al fine di valutare l’efficacia di nuove tecniche di rigenerazione discale e prima di trasferirle all’uomo, é necessario testarle su modelli animali ex vivo ed in vivo. In questo studio, un nuovo approccio al disco intervertebrale (IVD) per via transpeduncolare, é stato valicato in 12 pecore. Tramite guida fluoroscopica, un filo di Kirshner di 2-mm di diametro é stato introdotto attraverso il corpo vertebrale con un’ inclinazione di circa 45° in tutti i piani dello spazio, tale da raggiungere il centro del NP. In ciascun animale sono stati trattati quattro IVD, da L1 a L5, effettuando in ciascuno una diversa tecnica chirurgica: (I) nucleotomia, (II) tunnel, (III) nucleotomia + scaffold in poliuretano (PU) e (IV) tunnel + scaffold PU. I dischi non trattati (L5-6) sono stati considerati come gruppo controllo. Le percentuali di morbiditá intra- e post-operatoria si sono rivelate basse; in due occasioni é stata riportata fuoriuscita di liquor in fase chirurgica, inoltre lussazione di L3-4 e discospondilite a livello di L1-2 si sono verificate in due soggetti. Le analisi quantitative e qualitative, effettuate sui dati ricavati in quattro diversi time point (prima e 1, 3 e 6 mesi dopo la chirurgia) dalle immagini radiografiche, di risonanza magnetica e dai campioni macroscopici e istologici, hanno rivelato l’efficacia del metodo presentato nell’ottenere un modello progressive di IVDD. Attraverso l’approccio transpeduncolare é stato possibile ottenere diversi gradi di IVDD, dipendentemente dalla tipologia di lesione effettuata. Il solo danno al piatto vertebrale ha determinato alterazioni degenerative del IVD, tuttavia inferiori rispetto a quelle causate effettuando la nucleotomia. Inoltre, l’utilizzo dello scaffold in PU per sigillare il tunnel é servito a prevenire la fuoriuscita di cellule attraverso il tunnel. L’approccio transpeduncolare rappresenta una via alternativa per raggiungere il IVD, senza danneggiare l’anello fibroso. Questa nuova tecnica fornisce un nuovo modello per lo studio di alterazioni biologiche e biomeccaniche in relazione sia ai processi di IVDD sia a potenziali terapie regenerative.