Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de génie biomédical IGBM (Laboratoire de biomécanique en orthopédie EPFL-HOSR LBO-EPFLHOSR)

Orthopedic implants used as drug delivery systems : numerical, in vitro and in vivo studies

Peter, Bastian ; Pioletti, Dominique (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3044.

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    Summary
    Total Hip Replacement (THR) is today a routine procedure executed more than 800'000 times per year worldwide. THR gives generally satisfactory results, although the quality of outcome is inversely proportional to the age of the patient. In parallel, there is a trend to propose cementless THR to patients younger than 60 years. These patients have more demanding physical activity resulting in a significant increased failure rate of the implants. In particular for these patients, the desired service life of the implant should be extended. Proximal peri-implant bone loss is generally observed during the first two years following the implantation. This bone loss may lead to aseptic loosening, the major cause of THR failure. In order to control peri-implant bone remodeling and in particular the proximal bone loss, we developed the innovative concept of using the orthopedic implant as drug delivery system (DDS). The cementless stem of a hip implant would be coated with hydroxyapatite (HA) and bisphosphonate, a drug affecting bone resorption. The basic idea is to biologically reduce the initial peri-implant bone loss by decreasing the osteoclastic bone resorption activity. This approach could significantly increase the THR outcome. Pre-clinical tests were performed to numerically validate this new concept. An existing bone remodeling model was modified to take into account the bisphosphonate effect. The outcome of a THR was evaluated with different simulated bisphosphonate concentrations. Results of the simulations showed that the implant used as a drug delivery system would increase bone density around the implant and decrease, at the same time, the micromovements between the implant and the surrounding bone tissue. Therefore, the evolution towards peri-implant bone loss and fibrous tissue development at the bone-implant interface would be delayed, which could positively influence the THR outcome. Pre-clinical tests allowed us to verify that a partial proximal coating of the stem would result in a homogeneous bone remodeling, a situation biomechanically more favorable than the simulated situation obtained with a full coating of the stem. Despite a numerically observed positive concentration effect, it was noted that the decrease of peri-implant bone loss was most notably affected with the intermediate simulated bisphosphonate concentration. Based on these positive pre-clinical results, in vitro and in vivo experiments were performed to further validate the concept of orthopedic implant used as drug delivery system. As bisphosphonates were developed for systemic delivery, little information was available regarding the bisphosphonate concentrations which could be safely used for a local delivery application. It was especially important to quantify the bisphosphonate concentration osteoblasts could be exposed to without harmful effect for the bone formation process. We challenged osteoblasts from human and murine origins to different concentrations of the choosen bisphosphonate (Zoledronate from Novartis). As wear particles are inevitably present in the peri-implant bone, we also added titanium particles to quantify the eventual synergetic negative effect between Zoledronate and particles on osteoblast behavior. In this in vitro study, we showed that Zoledronate did not impair proliferation of human osteoblasts when used at concentrations lower or equal to 1 µM, while murine cells could be exposed to concentrations up to 10 µM. A concentration of 0.01% of titanium particles did not impair proliferation of either cell line. Zoledronate affected, through a chelation phenomenon, ALP activity of murine osteoblasts, whereas the presence of titanium particles strongly decreased the ALP activity of murine osteoblasts. We did not detect any synergic effect of Zoledronate and titanium particles on neither human and murine osteoblast behavior. Those results allowed us to conclude that 1 µM and 10 µM Zoledronate concentrations for human and murine respectively, could be used in the proposed drug delivery system. The basic idea behind the drug delivery system is that the bisphosphonate will stay around the implant where its effect on bone resorption is needed. Since the drug is directly brought into contact with the endosteal bone, it was necessary to study the bisphosphonate diffusion in bone. The in vitro measured Zoledronate diffusion profile in the bone showed that the bisphosphonate entered the bone and diffused from the endosteal bone towards the periosteal bone. The drug accumulated in the first millimeter of the endosteal bone. This meant that the Zoledronate would stay in the peri-implant bone and would not reach regions which are not influenced by the presence of the implant. Based on the in vitro results for Zoledronate concentrations effect on osteoblast and diffusion in bone, an in vivo experiment was designed to demonstrate the proof of concept of orthopedic implant used as drug delivery system. Several Zoledronate quantites were grafted to hydroxyapatite (HA) coatings of titanium implants. The implants were inserted in rat condyles for 3 weeks. Bone density, histomorphometric and biomechanical measurements were performed on the collected rat femurs. A concentration-dependent effect was observed on the peri-implant bone density and on different histomorphometric parameters. The Zoledronate coated implant positively influenced the structure of the trabecular bone. Biomechanical pull-out tests confirmed the higher peri-implant bone quality of Zoledronate coated implant. Interestingly, this in vivo study highlighted the existence of a window of Zoledronate coating concentration in which the mechanical fixation of the implant was increased. A similar result was suggested with the pre-clinical testing. The in vivo study allowed the demonstration of proof-of-concept for orthopedic implant used as drug delivery system to control peri-implant bone remodeling. The results obtained in this thesis might then open the way of an easy transformation of currently existing HA coated implants. By grafting bisphosphonate onto the implant HA coating, the peri-implant bone loss might be reduced which would increase the service life of a THR. This approach is especially interesting for patient younger than 60 years.
    Résumé
    Le remplacement total de la hanche (RTH) est aujourd'hui une procédure de routine, effectuée plus de 800'000 fois par an à travers le monde. Malgré les résultats satisfaisants de la RTH, la durée de vie de la prothèse est inversément proportionnelle à l'âge du patient. De plus, la tendance actuelle est de proposer des implants non-cimentés à des patients de moins de 60 ans. Ces patients ont une activité physique plus exigeante résultant en un taux d'échec plus élevé. Pour cette catégorie de patients en particulier, la durée de vie de l'implant devrait être allongée. Une perte osseuse péri-implant au niveau proximal est généralement observée durant les deux premières années suivant la pose de l'implant. Cette perte osseuse peut mener au descellement aseptique de l'implant, cause principale d'échec de la RTH. Afin de contrôler le remodeling osseux péri-implant et en particulier celui de l'os proximal, nous avons développé un concept innovatif utilisant l'implant orthopédidque comme système de relargage de médicament (Drug Delivery System, abbr. DDS). La tige non-cimentée d'un implant de hanche pourrait être revêtue d'hydroxyapatite et d'un bisphosphonate, qui est un médicament affectant la résorption osseuse. L'idée de base est de réduire biologiquement la perte osseuse péri-implant en diminuant l'activit é de résorption osseuse des ostéoclastes. Cette approche pourrait significativement améliorer les résultats des RTH. Des tests précliniques ont été effectués afin de valider numériquement ce nouveau concept. Un modèle numérique de remodelage osseux existant a été modifié pour prendre en compte l'effet du bisphosphonate. Les résultats des RTH ont été évalués avec différentes concentrations simulées de bisphosphonates. Les résultats des simulations ont montré que l'implant utilisé comme DDS augmente la densité osseuse autour de l'implant et diminue, en même temps, les micromouvements entre l'implant et le tissus osseux environnant. Ainsi, l'évolution vers une perte osseuse péri-implant et une formation de tissu fibreux à l'interface os-implant seraient retardées, ce qui pourrait influencer positivement les résultats obtenus avec la RTH. Les tests précliniques ont permis de vérifier qu'un revêtement proximal générerait un remodelage osseux plus homogène, c'est-à-dire une situation biomécaniquement plus favorable que la situation obtenue avec la simulation d'un remodelage osseux autour d'une tige totalement revêtue. Malgré un effet positif de la concentration du bisphosphonate, il a été noté que la diminution de perte osseuse péri-implant est la plus prononcée lors des simulations de concentrations intermédiaires. Des expériences in vitro et in vivo ont été effectuées pour valider le concept d'utiliser des implants orthopédiques comme DDS sur la base des résultats précliniques positifs. Comme les bisphosphonates ont été développés pour être administrés de manière systémique, peu d'informations étaient disponibles concernant les concentrations de bisphosphonates pouvant être utilisées de manière sûre lors d'une utilisation locale. Il était particulièrement important de quantifier la concentration de bisphosphonate à laquelle des ostéoblastes peuvent être exposés sans influencer négativement la formation osseuse. Nous avons exposé des ostéoblastes humains et de souris à diverses concentrations d'un bisphosphonate particulier (Zoledronate de Novartis). Comme des particules d'usure sont inévitablement présentes dans l'os péri-implant, nous avons ajouté des particules de titane pour quantifier une éventuelle synergie négative entre le Zoledronate et les particules sur les ostéoblastes. Dans cette étude in vitro, nous avons montré que le Zoledronate n'influence pas la prolifération des ostéoblastes humains lorsque des concentrations inférieures à 1 µM sont utilisées alors que les ostéoblastes de souris peuvent être exposés à des concentrations allant jusqu'caret 10 µM. Une concentration de 0.01% de particules n'a aucune influence sur les deux lignées cellulaires. Par un phénomène de chélation, l'activité de la phosphatase alkaline a été influencée par le Zoledronate. Par contre, la présence de particules a fortement diminué l'activité de la phosphatase alkaline. Aucune synergie n'a été mesur ée entre le Zoledronate et les particules de titane sur les deux lignées cellulaires. Ces résultats nous permettent de prédéterminer qu'une concentration de 1 µM de Zoledronate pourra être utilisée dans le DDS proposé pour des applications humaines et de 10 µM dans le cas de souris. L'idée à la base du DDS est que le bisphosphonate reste autour de l'implant, là où son effet sur la résorption osseuse est nécessaire. Comme le médicament est directement mis en contact avec l'os endostéal, il est nécessaire d'étudier la diffusion du bisphosphonate dans l'os. Le profil de diffusion du Zoledronate mesuré in vitro montre que le bisphosphonate pénètre l'os et diffuse depuis l'os endostéal vers l'os périostéal. Le médicament s'accumule dans le premier millimètre de l'os endostéal. Ceci signifie que le Zoledronate resterait dans l'os péri-implant et n'atteindrait pas des régions du squelette qui ne sont pas influencées par l'implant. Sur la base des résultats obtenus lors de l'étude in vitro de l'effet du Zoledronate sur les ostéoblastes et de l'étude de la diffusion du Zoledronate dans l'os, une étude in vivo a été con¸cue pour démontrer la validité du concept d'un implant orthop édique utilisé comme DDS. Diverses quantités de Zoledronate ont été greffées sur le revêtement d'hydroxyapatite d'implants en titane. Ces implants ont été insérés dans des condyles de rats pendant 3 semaines. La densité ainsi que des paramètres histomorphométriques ont été mesurés sur les fémurs de rats. Un effet dépendant de la quantité de Zoledronate a été mesuré sur la densité osseuse et sur certains param?tres histomorphométriques. Les implants revêtus de Zoledronate ont positivement influencé la structure de l'os trabéculaire. Des tests biomécaniques d'arrachage ont confirmé la meilleure qualité de l'os péri-implant autour des implants revêtus de Zoledronate. Il est intéressant de noter que cette étude in vivo souligne l'existence d'un intervalle de concentration de Zoledronate contenu dans les revêtements avec lesquel la fixation mécanique des implants est augmentée. Un résultat similaire a été suggéré par l'étude préclinique. L'étude in vivo permet de démontrer la validitité du concept d'utiliser l'implant orthopédique comme DDS pour le contrôle du remodelage osseux péri-implant. Les résultats obtenus durant cette thèse ouvrent le chemin pour une transformation simple d'implants orthopédiques revêtus d'hydroxyapatite. En greffant un bisphosphonate sur l'implant revêtu d'hydroxyapatite, la perte osseuse péri-implant pourrait être réduite et augmenterait ainsi la durée de vie des RTH. Cette approche est particuli?rement intéressante pour des patients de moins de 60 ans.