Stimulation of Distraction Osteogenesis in Limb Lengthening: Our Concept

Cover Page

Abstract

Background. Currently, limb lengthening is a widespread operation used in clinical and cosmetic practice. However, in the process of implementing this technology, its main drawbacks were revealed: the duration of treatment and the slowing down of the process of osteogenesis in the elongation zone. Rapid distraction in the external fixator or with an intramedullary rod can lead to a slowdown in osteogenesis and soft tissue complications, including neuropathy and soft tissue eruption.

The aim — to develop a present its own concept of stimulating distraction osteogenesis in limb elongation, based on many years of clinical experience.

Materials and Methods. This study is based on the long-term experience of the Ilizarov Center in limb lengthening (using data from clinical and experimental studies performed in the institution: more than 200 animals and 8000 patients), as well as literature data.

Results. The introduction of the considered methods of stimulation of osteogenesis made it possible to significantly reduce the treatment time of patients and thereby reduce the number of possible complications characteristic of transosseous osteosynthesis. Systemic diseases, congenital malformation of the segment can negatively affect the quality of the new bone.

Conclusions. The use of methods of stimulation of osteogenesis allows to reduce treatment time and increase osteogenesis when limb lengthening, which allows, if necessary, to provide re-lengthening of the segment without increasing treatment time.

About the authors

V. I. Shevtsov

Ural State Medical University

Author for correspondence.
Email: shevtcovvladimir3012@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-7051-8065

Vladimir I. Shevtsov — Dr. Sci. (Med.), Professor, Corresponding Member of Russian Scientific Academy, Chief Researcher

Yekaterinburg

Russian Federation

S. S. Leonchuk

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopedics

Email: leon4yk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0883-9663

Sergey S. Leonchuk — Cand. Sci. (Med.), Head of the Orthopedic Department

Kurgan

Russian Federation

References

  1. Илизаров Г.А., Девятов А.А. Оперативное удлинение голени с одновременным устранением деформаций. Ортопедия, травматология и протезирование. 1969;(3):32-37.
  2. Илизаров Г.А. Основные принципы чрескостного компрессионного и дистракционного остеосинтеза. Ортопедия, травматология и протезирование. 1971;(11):7-15.
  3. Ilizarov G.A. The tension-stress effect on the genesis and growth of tissues. Part I: the influence of stability of fixation and soft-tissue preservation. Clin Orthop Relat Res. 1989;(238):249-281.
  4. Sheridan G.A., Fragomen A.T., Rozbruch S.R. Integrated Limb Lengthening Is Superior to Classical Limb Lengthening: A Systematic Review and Meta-analysis of the Literature. J Am Acad Orthop Surg Glob Res Rev. 2020;4(6):e20.00054. doi: 10.5435/JAAOSGlobal-D-20-00054.
  5. Burghardt R.D., Manzotti A., Bhave A., Paley D., Herzenberg J.E. Tibial lengthening over intramedullary nails: A matched case comparison with Ilizarov tibial lengthening. Bone Joint Res. 2016;5(1):1-10. doi: 10.1302/2046-3758.51.2000577.
  6. Farsetti P., De Maio F., Potenza V., Efremov K., Marsiolo M., Caterini A., Ippolito E. Lower limb lengthening over an intramedullary nail: a long-term follow-up study of 28 cases. J Orthop Traumatol. 2019;20(1):30. doi: 10.1186/s10195-019-0538-y.
  7. Dammerer D., Kirschbichler K., Donnan L., Kaufmann G., Krismer M., Biedermann R. Clinical value of the Taylor Spatial Frame: a comparison with the Ilizarov and Orthofix fixators. J Child Orthop. 2011;(5):343-349. doi: 10.1007/s11832-011-0361-3.
  8. Шевцов В.И., Ирьянов Ю.М. Остеогенез и ангиогенез при дистракционном остеосинтезе. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1995;119(7):95-99.
  9. Шевцов В.И. Регенерация и рост тканей в условиях воздействия на них дозированных направленных механических нагрузок. Вестник Российской Академии медицинских наук. 2000;(2):19-23.
  10. Горбач Е.Н., Кононович Н.А. Внутрикостная гемо- динамика большеберцовой кости при автоматическом удлинении голени с темпом 3 мм в сутки за 120 приемов. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2017;103(11):1303-1314.
  11. Горбач Е.Н., Ступина Т.А., Варсегова Т.Н., Степанов М.А., Горбач Е.С. Особенности фор- мирования костного регенерата, структурных изменений суставного хряща и большеберцового нерва в условиях автоматического удлинения голени по Илизарову с темпом 3 мм с при- менением ахиллотомии (экспериментальное исследование). Гений ортопедии. 2018;24(4):507-514. doi: 10.18019/1028-4427-2018-24-4-507-514.
  12. Шевцов В.И., Асонова С.Н., Наумов А.Д., Ерофеев С.А., Гордиевских Н.И., Кузнецова Л.С., Филимонова Г.Н. Состояние сосудистого бассейна мышц конечности при разных режимах удлинения (морфо-функциональное исследование). Гений орто- педии. 1997;(2):5-11.
  13. Новиков К.И., Климов О.В. Компактизация дистракционного регенерата при удлинении длинных трубчатых костей методом дистракционного остеосинтеза. Гений ортопедии. 2007;(3):19-21.
  14. Шевцов В.И. Чрескостный остеосинтез по Илизарову: теория и практика. Palmarium academic publishing; 2018. Т. 3. 430 с.
  15. Шевцов В.И, Новиков К.И., Менщикова Т.И., Аранович А.М. Использование фармакологической коррекции в процессе удлинения конечностей у больных ахондроплазией. Гений ортопедии. 2002(1):15-18.
  16. Ghiasi M.S., Chen J., Vaziri A., Rodriguez E.K., Nazarian A. Bone fracture healing in mechanobiological modeling: A review of principles and methods. Bone Rep. 2017;6:87-100. doi: 10.1016/j.bonr.2017.03.002.
  17. Kiely P., Ward K., Bellemore M.C., Briody J., Cowell C.T., Little D.G. Bisphosphonate rescue in distraction osteogenesis. A case series. J Pediatr Orthop. 2007;27(4):467-471. doi: 10.1097/01.bpb.0000271326.41363.d1.
  18. Alp Y.E., Taskaldiran A., Onder M.E., Karahan S., Kocyigit I.D., Atil F., Tekin U. Effects of Local Low-Dose Alendronate Injections Into the Distraction Gap on New Bone Formation and Distraction Rate on Distraction Osteogenesis. J Craniofac Surg. 2017;28(8):2174-2178. doi: 10.1097/SCS.0000000000002615.
  19. Григорьян А.С., Брайловская Т.В., Варда Н.С., Гурин А.Н. Новообразование костной ткани в критических дефектах свода черепа крыс под влиянием комплекса, содержащего бисфосфонат алендронат натрия. Стоматология. 2017;96(1):8-11
  20. Song M.H., Kim T.J., Kang S.H., Song H.R. Lowintensity pulsed ultrasound enhances callus consolidation in distraction osteogenesis of the tibia by the technique of lengthening over the nail procedure. BMC Musculoskelet Disord. 2019;20(1):108. doi: 10.1186/s12891-019-2490-7.
  21. Leppik L., Oliveira K.M.C., Bhavsar M.B., Barker J.H. Electrical stimulation in bone tissue engineering treatments. Eur J Trauma Emerg Surg. 2020;46(2):231-244. doi: 10.1007/s00068-020-01324-1.
  22. Raza H., Saltaji H., Kaur H., Flores-Mir C., El-Bialy T. Effect of low-intensity pulsed ultrasound on distraction osteogenesis treatment time: a metaanalysis of randomized clinical trials. J Ultrasound Med. 2016;35(2):349-358. doi: 10.7863/ultra.15.02043.
  23. Шеин А.П., Ерохин А.Н., Новиков К.И. Влияние электростимуляции на произвольную и вызванную биоэлектрическую активность мышц при удлинении нижних конечностей у больных с ахондроплазией. Гений ортопедии. 1995;(2): 23-26.
  24. Илизаров Г.А., Палиенко Л.А., Переслыцких П.Ф., Галанова Р.И, Толмачева С.В. К вопросу об участии стромальных клеток-предшественников костного мозга и регенерации кости при чрескостном остеосинтезе. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1980;89(4):489-490.
  25. Шевцов В.И., Ерофеев С.А., Мигалкин Н.С., Осипова Е.В. Стимуляция костным мозгом остеогенеза в дистракционном регенерате (экспериментальное исследование). Гений ортопедии. 2003;(3):131-137.
  26. Ali A.M., El-Alfy B., Amin M., Nematalla M., El-Shafaey S.A. Can platelet-rich plasma shorten the consolidation phase of distraction osteogenesis? An experimental study. Eur J Orthop Surg Traumatol. 2015;25(3):543-548. doi: 10.1007/s00590-014-1542-9.
  27. Jin Y.Z., Lee J.H. Mesenchymal Stem Cell Therapy for Bone Regeneration. Clin Orthop Surg. 2018;10(3):271-278. doi: 10.4055/cios.2018.10.3.271.
  28. Harford J.S., Dekker T.J., Adams S.B. Bone Marrow Aspirate Concentrate for Bone Healing in Foot and Ankle Surgery. Foot Ankle Clin. 2016;21(4):839-845. doi: 10.1016/j.fcl.2016.07.005.
  29. Cuthbert R.J., Jones E., Sanjurjo-Rodríguez C., Lotfy A., Ganguly P., Churchman S.M. et al. Regulation of Angiogenesis Discriminates Tissue Resident MSCs from Effective and Defective Osteogenic Environments. J Clin Med. 2020;9(6):1628. doi: 10.3390/jcm9061628.
  30. Гребнева О.Л., Самусенко Д.В., Ковинька М.А., Лунева С.Н. Компоненты фракционированной плаз- мы крови и их роль в механизме оптимизации репаративного остеогенеза. Гений ортопедии. 2013; (2):102-105.
  31. Склянчук Е.Д., Зоря В.И., Гурьев В.В., Васильев А.П. Остеогенные потенции нативного аутогенного костного мозга, индуцированного кристаллическим химотрипсином, при лечении посттравматических нарушений костной регенерации. Травматология и ортопедия России. 2009;(1):42-49.
  32. Bier A.. Über Knochenregeneration, über Pseudarthrosen und über Knochentransplantate. Langenbecks Arch Klin Chir. 1923;127:1-136. (In German).
  33. Hvid I., Horn J., Huhnstock S., Steen H. The biology of bone lengthening. J Child Orthop. 2016;10(6):487-492. doi: 10.1007/s11832-016-0780-2.
  34. Илизаров Г.А., Сойбельман Л.М. Некоторые клинико-экспериментальные данные бескровного удлинения нижних конечностей. Экспериментальная хирургия и анестезиология. 1969;4:27-32.
  35. Moore D.C., Leblanc C.W., Muller R., Crisco J.J. 3rd, Ehrlich M.G. Physiologic weight-bearing increases new vessel formation during distraction osteogenesis: a micro-tomographic imaging study. J Orthop Res. 2003;21(3):489-496.
  36. Илизаров Г.А. Возможности управления регенеративным и формообразовательным процессами в костной и мягкой тканях. В кн.: Проблемы чрескостного остеосинтеза в ортопедии и травматологии : сборник научных трудов. Курган; 1982. Вып. 8. с. 5-18.
  37. Стецула В.И., Пустовойт М.И., Бруско А.Т. Экспериментальное обоснование управляемых динамических нагрузок в активизации перестройки дистракционного регенерата. Ортопедия, травматология и протезирование. 1987;(10):70-72.
  38. Соломин Л.Н. Общие принципы ведения послеоперационного периода. В кн.: Основы чрескостного остеосинтеза / под ред. Л.Н. Соломина. Москва : БИНОМ; 2015. Т. 3. С. 1421-1441.
  39. Shevtsov V., Popkov A., Popkov D., Prévot J. [Reduction of the period of treatment for leg lengthening. Technique and advantages]. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot. 2001;87(3):248-256. (In French).
  40. Borzunov D.Y., Shastov A.L. Mechanical solutions to salvage failed distraction osteogenesis in large bone defect management. Int Orthop. 2019;43(5):1051-1059. doi: 10.1007/s00264-018-4032-6.
  41. Makhdom A.M., Cartaleanu A.S,. Rendon J.S., Villemure I., Hamdy R.C. The Accordion Maneuver: A Noninvasive Strategy for Absent or Delayed Callus Formation in Cases of Limb Lengthening. Adv Orthop. 2015;2015:912790. doi: 10.1155/2015/912790.
  42. Sun X., Wei Y. The role of hypoxia-inducible factor in osteogenesis and chondrogenesis. Cytotherapy. 2009;11(3):261-267. doi: 10.1080/14653240902824765.
  43. Park K.M., Kim C., Park W., Park Y.B., Chung M.K., Kim S. Bone Regeneration Effect of Hyperbaric Oxygen Therapy Duration on Calvarial Defects in Irradiated Rats. Biomed Res Int. 2019;2019:9051713. doi: 10.1155/2019/9051713.
  44. Звягин Г.В., Зезикова Е.И., Ромасенко М.В. Организация и принципы работы отделения ГБО в структуре многопрофильного стационара скорой медицинской помощи. Многопрофильный стационар. 2019;6(1):23-26.
  45. Попков А.В., Сазонова Н.В., Кузнецова Л.С., Попков Д.А. Влияние гипербарической оксигенации на состояние биоэнергетических процессов при удлинении конечностей. Гений ортопедии. 2001;(4): 49-52.
  46. Аранович A.M., Сазонова Н.В. Особенности проведения ГБО при удлинении конечностей у детей с ахон- дроплазией. Гений ортопедии. 2005;(2):29-31.
  47. Шевцов В.И., Попков А.В., Ерофеев С.А., Чиркова А.М. Автоматический дистракционный остеосинтез. Анналы травматологии и ортопедии. 1995;(1):44-47.
  48. Shevtsov V.I., Popkov A.V., Popkov D., Yerofeev S., Prévot J., Lascombes P. [Elastic stable intramedullary nailing in Ilizarov bone lengthening]. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot. 2004;90(5):399-410. (In French).
  49. Шевцов В.И., Ерофеев С.А., Горбач Е.Н., Еманов А.А. Особенности костеобразования при удлинении голе- ни автоматическими дистракторами с темпом 3 мм за 180 приемов (экспериментальное исследование). Гений ортопедии. 2006;(1):10-16.
  50. Шевцов В.И., Попков А.В., Попков Д.А., Мурадисинов С.О. Удлинение нижних конечностей в автоматическом режиме. Гений ортопедии. 1999;(3): 20-24.
  51. Шевцов В.И., Ирьянов Ю.М., Петровская Н.В., Ирьянова Т.Ю. Влияние кальций-фосфатного покрытия спиц на процессы минерализации и активность остеогенеза при чрескостном дистракционном остеосинтезе. Морфологические ведомости. 2008;(3-4):231-234.
  52. Leonchuk S.S. Lengthening of femur by combined osteosynthesis: a case report. Med Clin Rev. 2017;(3):1. doi: 10.21767/2471-299X.1000045.
  53. Popkov D., Lascombes P., Journeau P., Popkov A. Current approaches to flexible intramedullary nailing for bone lengthening in children. J Child Orthop. 2016;10(6):499- 509. doi: 10.1007/s11832-016-0781-1.
  54. Popkov D., Popkov A., Haumont T., Journeau P., Lascombes P. Flexible intramedullary nail use in limb lengthening. J Pediatr Orthop. 2010;30(8):910-918. doi: 10.1097/BPO.0b013e3181f0eaf9.
  55. Popkov D., Journeau P., Popkov A., Haumont T., Lascombes P. Ollier’s disease limb lenghtening: should intramedullary nailing be combined with circular external fixation? Orthop Traumatol Surg Res. 2010;96(4):348-353. doi: 10.1016/j.otsr.2010.01.002.
  56. Popkov D.A., Popkov A.V., Kononovich N.A., Barbier D., Ceroni D., Journeau P., Lascombes P. Experimental study of progressive tibial lengthening in dogs using the Ilizarov technique. Comparison with and without associated intramedullary K-wires. Orthop Traumatol Surg Res. 2014;100(7):809-814. doi: 10.1016/j.otsr.2014.06.021.
  57. Horn J., Hvid I., Huhnstock S., Breen A.B., Steen H. Limb lengthening and deformity correction with externally controlled motorized intramedullary nails: evaluation of 50 consecutive lengthenings. Acta Orthop. 2019;90(1):81-87. doi: 10.1080/17453674.2018.1534321.
  58. Herzenberg J. E., Paley D. Tibial lengthening over nails (LON). Tech Orthop. 1997; 12(4):250-259.
  59. Szymczuk V.L., Hammouda A.I., Gesheff M.G., Standard S.C., Herzenberg J.E. Lengthening With Monolateral External Fixation Versus Magnetically Motorized Intramedullary Nail in Congenital Femoral Deficiency. J Pediatr Orthop. 2019;39(9):458-465. doi: 10.1097/BPO.0000000000001047.
  60. Bisaccia M., Rinonapoli G., Meccariello L., Caraffa A., Cukierman B., Iborra J.R. The Challenges of Monoaxial Bone Transport in Orthopedics and Traumatology. Ortop Traumatol Rehabil. 2017;19(4):373-378. doi: 10.5604/01.3001.0010.4646.
  61. Tosun H.B., Agir I., Gumustas S., Serbest S., Uludag A., Celik S. Tibial Lengthening Using a Fixator-Assisted Lengthening Plate: A New Technique. Trauma Mon. 2016;21(5):e25340. doi: 10.5812/traumamon.25340.
  62. Pesenti S., Iobst C.A., Launay F. Evaluation of the external fixator TrueLok Hexapod System for tibial deformity correction in children. Orthop Traumatol Surg Res. 2017;103(5):761-764. doi: 10.1016/j.otsr.2017.03.015.
  63. Horn J., Steen H., Huhnstock S., Hvid I., Gunderson R.B. Limb lengthening and deformity correction of congenital and acquired deformities in children using the Taylor Spatial Frame. Acta Orthop. 2017;88(3):334-340. doi: 10.1080/17453674.2017.1295706.

Statistics

Views

Abstract: 398

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c)



This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies