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Cambios en la microarquitectura ósea en la artritis reumatoide. Estudio mediante microCT

ORIGINALES ( PDF )   Rev Osteoporos Metab Miner 2011 3;1:9-16

García Miguel J1, Wright A3, Pérez-Edo L2, Blanch J2, Carbonell J2, Wehrli F3

1 Servicio de Reumatología - Hospital Universitari Sagrat Cor de Barcelona
2 Servicio de Reumatología - Hospital del Mar de Barcelona - IMAS
3 Laboratory for Structural NMR Imaging - University Hospital of Pennsylvania – Philadephia

PALABRAS CLAVE: Artritis reumatoide, Microarquitectura, Hueso, Tomografía computadorizada.


Introducción: El objetivo de este estudio es analizar la microarquitectura ósea en la artritis reumatoide (AR) en una serie de biopsias de cresta ilíaca ósea previamente realizadas en pacientes sin tratamiento previo con glucocorticoides, utilizando análisis mediante microCT.
Material y método: Se obtuvieron 14 especímenes óseos extraídos de la cresta ilíaca de pacientes con AR sin tratamiento previo con glucocorticoides. Ninguno de ellos estaba diagnosticado de enfermedades o tomaba medicaciones que pudieran comprometer al metabolismo mineral óseo. Se les realizó una historia clínica completa y análisis sanguíneo, incluyendo el factor reumatoide. Los especímenes fueron incluidos en metil-metacrilato y estudiados con un scanner microCT eXplorer Locus SP. Los parámetros de adquisición fueron: 80 kVp/80 ?A, grosor del filtro de aluminio: 10-3 pulgadas, FOV ? 2x2 cm, modo de adquisición de 360°, 720 views, 4 frame averages/view, tiempo de exposición 1.700 ms, voxel resolution: 28 ?m. Se seleccionó una Región de Interés (ROI) mediante interpolación, evitando el hueso cortical. Se utilizó un proceso automático de segmentación (thresholding) para diferenciar y segmentar el tejido óseo del hematopoyético. Los parámetros microarquitecturales se generaron automáticamente por ordenador utilizando algoritmos parallel-plate. Los resultados fueron comparados con 14 especímenes procedentes de controles sanos de similar edad y sexo utilizando t de Student para muestras no pareadas. La significancia estadística se fijó en p< 0,05.
Resultados: La fracción de volumen óseo (BV/TV) fue significativamente menor en los pacientes con AR que en los controles sanos (p< 0,05). El grosor trabecular (Tb.Th) fue mayor en los controles. La separación trabecular (Tb.Sp) fue mayor en los especímenes con AR (p< 0,05). La conectividad trabecular (Tb.N) fue significativamente mayor en los especímenes control (p< 0,05).
Conclusiones: Los pacientes con AR tienen una peor calidad ósea trabecular y una baja conectividad trabecular. El escáner microCT es una herramienta rápida y potente para el estudio de la microestructura trabecular.

Introducción

La osteoporosis es un problema de salud a nivel mundial1. Ha sido definida por el National Institutes of Health como una "enfermedad caracterizada por una baja masa ósea y un deterioro de la microarquitectura del tejido óseo que conduce a un aumento de la fragilidad del hueso y a un consiguiente aumento del riesgo de fractura"2. Es por ello que alteraciones en el hueso trabecular no sólo se caracterizan por reducciones de la densidad mineral ósea (DMO), sino también por cambios en la calidad ósea, término que engloba a la microarquitectura, el recambio óseo, las microfracturas y la mineralización ósea3.
La artritis reumatoide (AR) es una enfermedad crónica inflamatoria de origen autoinmune y etiología desconocida que ataca principalmente la sinovial articular produciendo artritis. En los pacientes con AR se han descrito disminuciones de la DMO en dos formas: osteoporosis yuxta-articular (uno de las hallazgos más tempranos) y osteoporosis generalizada, en localizaciones a distancia de las articulaciones inflamadas. Hasta la fecha se han descrito diferentes series de pacientes con AR con una gran prevalencia de osteoporosis generalizada4-13,34, así como un incremento en el riesgo de fractura14-16. Los factores más determinantes en la pérdida de hueso en estos pacientes parecen ser la reducción de la actividad física en los estadíos más avanzados de la enfermedad10,11,17, así como el tratamiento con glucocorticoides de forma crónica7-9,18,19. Además, niveles bajos de vitamina D han sido asociados con el encamamiento prolongado, clases funcionales muy limitadas y con dietas pobres en calcio20,21,39,40. Por otra parte, en los últimos años cada vez se habla más del papel que juegan citocinas pro-inflamatorias como TNF-α e IL-1, que han demostrado incrementar la resorción osteoclástica por diferenciación de los macrófagos de la sinovial hacia osteoclastos22-26.
Hasta la fecha, se han llevado a cabo pocos estudios histomorfométricos en pacientes con AR. Mellish et al. estudiaron 48 especímenes óseos procedentes de pacientes con AR no tratados con corticoides, hallando una menor fracción de volumen óseo y un menor grosor trabecular que en los controles, hallazgos que sugieren que la AR no tratada con esteroides se asocia a pérdida de hueso prematura. Estos resultados sólo fueron significativos en mujeres35. Pérez-Edo et al. describieron una asociación entre la hipovitaminosis D y una disminución del recambio óseo en biopsias óseas transilíacas de pacientes con AR, confirmando los hallazgos publicados por Compston et al. en 199421,44. Hanyu et al. encontraron una disminución en el grosor trabecular y en la conectividad ósea en pacientes postmenopáusicas con AR al compararlas con controles de similar edad con osteopenia45. Laan et al. por su parte, estudió diferentes cohortes de pacientes con AR tratadas con esteroides, describiendo un descenso de DMO cortical y trabecular en columna lumbar parcialmente reversible al interrumpirse el tratamiento corticoideo29-31. Resumiendo, parece ser que el descenso de masa ósea en los pacientes con AR es de etiología multifactorial, destacando el efecto de las citocinas proinflamatorias y el tratamiento glucocorticoideo prolongado.
A pesar de que la histomorfometría convencional nos permite caracterizar este tipo de osteoporosis, se trata de una exploración invasiva, por lo que buscar otras alternativas no cruentas constituye un objetivo fundamental. Excepto los estudios con histomorfometría convencional, hasta la fecha no se han publicado estudios que hayan estudiado específicamente la microestructura trabecular en la osteoporosis mediante técnicas multiplanares tridimensionales tales como microCT o p-QCT (Peripheral Quantitative Computerized Tomography), técnica que permite la medida de los parámetros microarquitecturales trabeculares (y también corticales) a nivel de radio y tibia distal de manera no invasiva28.
El objetivo principal de este estudio es valorar la capacidad discriminativa del microCT a la hora de diferenciar entre pacientes con AR sin tratamiento corticoideo y controles sanos a partir de biopsias de cresta ilíaca previamente realizadas. Dichos especímenes óseos pertenecen al fondo documental de biopsias del servicio de Anatomía Patológica del Hospital del Mar. Nuestra hipótesis sostiene que las muestras óseas de los pacientes con AR reflejarán un deterioro de su calidad ósea.

Material y método

Un total de 66 pacientes que cumplían los criterios de la American Rheumatism Association de 1987 para el diagnóstico de AR36 fueron escogidos aleatoriamente desde el total de pacientes del Servicio de Reumatología de los Hospitales del Mar y de la Esperanza de Barcelona. Ninguno de ellos tenía otras enfermedades o tomaba medicación alguna que pudiera afectar el metabolismo óseo, a excepción de 22 pacientes que recibían tratamiento corticoideo oral a dosis bajas (< 8 mg/d prednisona) por un periodo de 47 ± 61,8 meses (rango 6-240 meses), con una dosis acumulada de 6,34 ± 8,76. En el resto de pacientes (44) jamás se inició tratamiento corticoideo. Todos los pacientes estaban en tratamiento con antiinflamatorios no esteroideos (AINEs) y un 67% estaba bajo tratamiento con fármacos antirreumáticos tipo DMARD (Disease-Modifying Anti-Rheumatic Drugs). A todos los pacientes se les realizó un mismo protocolo diagnóstico que incluyó una historia clínica completa, haciendo especial hincapié en la existencia de enfermedades que pudieran afectar el metabolismo óseo y el uso de fármacos tóxicos para el tejido óseo.
Se realizó un perfil bioquímico completo, incluyendo parámetros de actividad inflamatoria. El grado de funcionalidad se midió mediante el índice de funcionalidad de Steinbrocker37. Se midió la DMO a nivel de columna lumbar mediante densitometría (DXA)38 en 41 pacientes (34 mujeres y 7 hombres) utilizando un densitómetro Hologic QDR-1000 (Hologic Inc. Waltham, MA, USA). La precisión del aparato es de 0,45% con un coeficiente de variación in vivo de 1,2% en espina lumbar.
Los datos clínicos y epidemiológicos más relevantes del global de pacientes con AR inicialmente seleccionados para el estudio se muestran de manera retrospectiva en la Tabla 1.

Realización de biopsia ósea: Se obtuvieron catorce biopsias óseas de pacientes (4 hombres, 10 mujeres) diagnosticados de AR sin tratamiento glucocorticoideo procedentes del fondo documental de biopsias del servicio de Anatomía Patológica. Dichos especímenes óseos son los mismos que utilizaron Pérez-Edo et al.21 en su estudio. No hubo diferencias significativas entre estos pacientes y el resto de pacientes que sí habían seguido tratamiento esteroideo en cuanto a la edad (59,1 ± 10,7 vs. 59,9 ± 12,6 años; p< 0,05) e índice de Steinbrocker (2,2 ± 0,6 vs. 2,4 ± 0,6; p< 0,05). Cada biopsia ósea transilíaca se obtuvo mediante anestesia local con un trepano Bordier-Meunier de 8 mm de diámetro interior (Lepine, Lyon-Cedek, Francia)32. Cada espécimen fue fijado en etanol al 70%, deshidratado en concentraciones decrecientes de alcohol etílico e incluido en un cilindro de metil-metacrilato de 2 cm de diámetro. Se obtuvieron secciones de 5 µm de grosor mediante microtomía (Supercut2050, Reichert Jung, Alemania), posteriormente teñidas con Von Kossa y tricrómico de Goldner.
Finalmente se calcularon los siguientes parámetros estáticos histomorfométricos: volumen óseo trabecular (BV/TVH; %) y grosor trabecular medio (Tb.ThH; μm) mediante medida microscópica directa. Parámetros derivados tales como la densidad trabecular media (Tb.NH; μm-1) y la separación trabecular media (Tb.SpH; μm) se calcularon de acuerdo a las siguientes fórmulas22:

……..Tb.N= (BV/TV)/Tb.Th…….
.........Tb.Sp= (1/Tb.N) – Tb.Th…

Describimos de manera retrospectiva los valores histomorfométricos obtenidos de los 14 especímenes con AR: BV/TVH (%): 13,52 ± 5,39; Tb.ThH (μm): 152,44 ± 37,87; Tb.SpH (μm): 1157,3 ± 639,84 y Tb.NH (μm-1): 0,8650 ± 0,2617.

Adquisición de imágenes mediante microCT: Los especímenes óseos incluidos en metal-metacrilato fueron introducidos en el cilindro de muestras, fijándolos con una tira de espuma de polietileno para asegurar su inmovilización. La captación de imágenes se realizó con el microCT para especímenes eXplore Locus SP (GE Healthcare). La adquisición de datos se utilizó los siguientes parámetros: voltaje del tubo: 80 kVp, corriente del tubo: 80 μA, grosor del filtro de aluminio: 0,010 pulgadas, FOV ≈ 2x2 cm2 –dependiendo del tamaño del espécimen–, modo de adquisición en 360°, 720 views (proyecciones), incremento de 0,5° entre cada proyección, 4 imágenes/proyección, tiempo de exposición: 1.700 ms. El tiempo de escaneado para cada espécimen fue de aproximadamente 2 horas, más un tiempo de reconstrucción de 1 hora.
Los datos volumétricos se reconstruyeron a una resolución de 28-μm voxels isotrópicos (2,2 x 10-5 mm3 por voxel) mediante el algoritmo cónico de Feldkamp. Se eligió 28 μm con el objetivo de mejorar el cociente señal-ruido de las imágenes obtenidas, reducir el tiempo de escaneado y aligerar el volumen de datos obtenido. El análisis de imágenes y la generación de los parámetros microarquitecturales se realizó mediante software MicroView© (GE Healthcare).
Debido a que la cantidad de volumen óseo trabecular tiende a variar espacialmente, decreciendo en profundidad desde la superficie endosteal, la región de interés (region of interest) (ROI) a cuantificar se seleccionó en hueso trabecular usando dos métodos diferentes: uno restringiendo el análisis a sólo las trabéculas centrales de la muestra biopsiada, y otro incluyendo todas las trabéculas desde la superficie endosteal. El primer método empleó un ROI cilíndrico alineado paralelamente a las superficies corticales externas de un diámetro exactamente el 50% entre ambas superficies endosteales. En el segundo método se utilizó un trazado curvo (spline fitting draw) que englobaba el conjunto de trabéculas en cada uno de los cortes, creando posteriormente el ROI mediante interpolación. El hueso cortical fue excluido del análisis en ambos métodos. Para evitar artefactos se omitieron del estudio las secciones o slices cercanas a los bordes de corte.
Para cada ROI, el tejido óseo se segmentó de la médula ósea mediante una aplicación informática que diferencia la intensidad de cada uno de los voxels (bimodal histogram thresolding). Los parámetros microarquitecturales BV/TVCIL, Tb.ThCIL, Tb.SpCIL y Tb.NCIL (para ROI cilíndrico) y BV/TVSPL, Tb.ThSPL, Tb.SpSPL y Tb.NSPL (para ROI curvo) se calcularon automáticamente usando los mismos algoritmos parallel-plate descritos anteriormente para histomorfometría convencional, recalcando que Tb.Th fue determinado mediante un algoritmo procesador de imágenes incluído en MicroView©. Los pasos en la adquisición y procesamiento de las imágenes se resumen en la Figura 1.
El número de Euler-Poincaré y el volumen de Euler (EulerVCIL and EulerVSPL) también fueron calculados. Todos los resultados histomorfométricos y de microCT de los pacientes con AR fueron comparados con un grupo control de similar sexo y edad formado por biopsias óseas procedentes de 14 donantes sanos procedentes del fondo documental de biopsias del servicio de Anatomía Patológica.
Análisis estadístico: Los datos se compilaron en una hoja de cálculo (Microsoft Excel 2002) y se analizaron estadísticamente mediante JMP software (versión 5.1.2, SAS Institute Inc. Cary, NC, USA). Se realizó un estudio estadístico descriptivo básico, aplicando el test de normalidad de Shapiro-Wilk para variables continuas (tamaño muestral ≤ 2000). La significación estadística se fijó en p< 0,05, y los resultados se expresaron como media ± DE. La comparación de datos microarquitecturales obtenidos en pacientes con AR y en donantes sanos se realizó mediante el test t de Student no pareado para múltiples comparaciones.








Resultados

Finalmente se incluyeron un total de 14 muestras óseas procedentes de 10 mujeres y 4 hombres. No se hallaron diferencias significativas en edad entre los pacientes y los donantes sanos (p< 0,05). Si bien el volumen de las ROI generadas fue entre 5-5,4 veces más grande en el trazado curvo que en el cilíndrico, se halló una concordancia excelente ambos métodos (ROICIL and ROISPL) para todos los parámetros microarquitecturales (r2= 0,83-0,91), especialmente para Tb.Sp y Tb.N (r2= 0,91). Todos los resultados obtenidos mediante microCT en pacientes y controles para cada modelo de ROI se describen a continuación en la Tabla 2.
La masa ósea trabecular medida mediante los dos métodos (BV/TVCIL y BV/TVSPL) en los pacientes con AR fue significativamente más baja que en el grupo control (p< 0,05). Tb.ThCIL en los especímenes con AR fue menor que el grupo control, pero esta diferencia no fue significativa (p= 0,083). De todas maneras, al calcular Tb.ThSPL el resultado estuvo al borde de la significación estadística (p= 0,06), probablemente debido a la inclusión de trabéculas periféricas más gruesas en el momento de la selección de la ROI. Es probable que ello justifique unos valores ligeramente superiores (aunque no significativos) para BV/TV y Tb.Th cuando se analiza un mismo espécimen utilizando ambos modelos de selección de ROI.
Como era de esperar, los especímenes con AR obtuvieron mayores valores para Tb.SpCIL y Tb.SpSPL que los controles sanos (p= 0,028 y p= 0,013, respectivamente). Tb.N, o número trabecular, es un parámetro que representa el número medio de trabéculas por μm. Como se esperaba, los controles obtuvieron valores mayores para este parámetro, pero esta diferencia sólo fue estadísticamente significativa cuando se utilizó el modelo con ROI curvo (p= 0,027). Las reconstrucciones volumétricas de tres cores cilíndricos óseos procedentes de dos paciente con AR y de un sujeto control ejemplifican visualmente el predominio de la estructura trabecular en cada grupo (Figura 2).
Como se ha mencionado anteriormente, el Volumen de Euler mide la conectividad por unidad de volumen. Tal y como se esperaba, los controles sanos tuvieron volúmenes de Euler mayores que los pacientes con AR en ambos modelos (EVCIL p< 0,01; EVSPL p= 0,031). En los especímenes con AR, se halló una relación moderada-alta entre EVSPL y Tb.NSPL (r2= 0,69; p< 0,01).




Discusión

Hasta la fecha, estudios previos habían demostrado claramente la asociación entre la AR y una densidad mineral ósea disminuida, pero ninguno de ellos había examinado directamente los cambios microarquitecturales en humanos mediante una técnica como el microCT. En este estudio hemos utilizado esta técnica tridimensional para determinar si la microestructura trabecular de biopsias transilíacas de pacientes con AR difiere de aquellas procedentes de donantes sanos. Los resultados muestran una menor fracción de volumen óseo trabecular (BV/TV) y un menor grosor trabecular medio (Tb.Th) en los especímenes con AR en comparación con los controles, así como una mayor separación trabecular media (Tb.Sp) para ambos modelos de selección de ROI. Respecto a los parámetros de conectividad, los especímenes de control mostraron mayores valores de densidad trabecular y de volúmenes de Euler. Dichos hallazgos son consistentes con la existencia de una osteoporosis trabecular avanzada en estos pacientes libres de tratamiento con esteroides, y reflejan una calidad ósea alterada y una pobre conectividad trabecular relacionada con el estímulo inflamatorio continuo que ocurre en la AR.
Se decidió seleccionar dos ROI diferentes (cilíndrica y de trazado curvo) para cada espécimen ya que en publicaciones previas no existía ninguna preferencia por ninguno de los dos tipos. Los dos ROI modelos fueron útiles, pero el de trazado curvo alcanzó mejores niveles de significación estadística debido a la inclusión del volumen trabecular entero (es decir, no se restringió el análisis a sólo el core de la biopsia). Este hecho sugiere que la región central trabecular del ROI cilíndrico no refleja los cambios microestructurales de la osteoporosis adecuadamente, y que se deben considerar las regiones trabeculares periféricas en este tipo de estudios ya que también son importantes a la hora de estudiar la microarquitectura.
No obstante, nuestra mayor limitación en este estudio fue el pequeño número de pacientes y controles, debido a la dificultad inherente de obtener biopsias óseas. Por ello, probablemente las diferencias entre los valores de algunos parámetros microarquitecturales entre muestras de pacientes y control sanos sólo muestran una tendencia estadística, y no una significación estadística clara. Ésta es una limitación ya conocida en este tipo de estudios, debido a que este tipo de biopsias son difíciles de obtener ya que los pacientes no tienden a aceptar de buen grado procedimientos invasivos como una biopsia. Otra limitación importante fue la generación del ROI de trazado curvo basado en un método de interpolación a partir de una selección de mano alzada en cada uno de los cortes realizados. Sin embargo, creemos que éste es un problema relativo considerando que se trata de una metodología necesaria a la hora de evitar la inclusión de hueso cortical.
En conclusión, creemos que el microCT es una técnica de imagen relativamente nueva que permite una cuantificación plena de la microestructura trabecular, siendo más rápida que la histología convencional y permitiendo un examen no destructivo del espécimen óseo previo al análisis patológico. No obstante, quizá la más importante de sus limitaciones es que, si bien permite el examen no destructivo del espécimen óseo, aún sigue siendo una técnica invasiva para el paciente pues no permite realizar diagnósticos ni seguimientos post-tratamiento de manera rutinaria en la vida real. Por ello, creemos importante el papel jugado por una técnica no invasiva como la p-QCT, al haber demostrado discriminar in vivo entre pacientes osteoporóticos y controles sanos, predecir el riesgo de fractura en pacientes con osteoporosis y haber demostrado excelentes correlaciones con resultados obtenidos mediante microCT47-49. Cabe mencionar, por otra parte, la ausencia de estudios específicos acerca de la microarquitectura ósea mediante p-QCT en pacientes adultos con AR.
Por ello, hacemos hincapié en el deterioro de la microestructura ósea en los pacientes con AR, ya que: 1) son pacientes que acostumbran a tratarse con glucocorticoides, hecho que agrava más en deterioro óseo; y 2) se ha de tener en cuenta el incremento de riesgo de fractura de cadera y/o vertebral, ya que cuando ocurren son un agravante más para un paciente ya limitado funcionalmente debido a su enfermedad de base. Asimismo, creemos que son necesarios más estudios en el futuro debido a la incidencia en la población de las fracturas óseas y las implicaciones económicas que ello conlleva, y que dichos estudios deberían ser llevados a cabo utilizando técnicas tridimensionales multiplanares como microCT o p-QCT, pues ambas han demostrado caracterizar la microarquitectura ósea adecuadamente.




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