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Approccio alla fisica e alla biologia delle onde d’urto

foto russoDott. Sergio Russo, Università degli Studi di Napoli Federico II, Dipartimento di Chirurgie Specialistiche, Nefrologia.

Le onde d’urto, impulsi pressori della durata di microsecondi, vengono generate, in un mezzo fluido, da apparecchiature denominate “litotritori” (etimologicamente il termine indica l’azione di “sbriciolare le pietre”). Questi impulsi vengono focalizzati in un’area precisa del corpo del paziente, con l’aiuto di un apparecchio di puntamento a raggi X o ad ultrasuoni.

I primi studi sulle possibili applicazioni di questa metodica in campo medico risalgono ai primi anni ’70, quando Haussl e Kiefer dimostrarono che le onde di pressione potevano distruggere i calcoli renali. Nel ’79 sono stati pubblicati i primi lavori relativi all’applicazione clinica delle onde d’urto nel trattamento dei calcoli renali. A partire dagli inizi degli anni ottanta e per circa un decennio l’utilizzo delle onde d’urto è rimasto confinato al campo urologico.

Solo all’inizio degli anni ’90 sono stati resi noti i primi risultati dell’impiego di questo trattamento nelle patologie dell’osso e del sistema muscolo-scheletrico.

I primi studi nel nostro Dipartimento sono iniziati nel 1992 con esperimenti preliminari condotti su cavie.

Macchinari

I litotritori, oggi in commercio, sono di tre categorie: elettroidraulico, piezoelettrico ed elettromagnetico.

Il litotritore elettroidraulico utilizza un elettrodo immerso in un mezzo acquoso attraverso i cui poli vengono generate delle violentissime scariche elettriche. Si generano in tal modo onde di pressione (onde d’urto) attraverso la brusca variazione termica dell’acqua e la sua subitanea vaporizzazione. L’elettrodo è localizzato sul primo fuoco (f1) di un riflettore a sezione ellittica eccentrica che raccoglie e convoglia gli impulsi divergenti in un secondo fuoco (f2) che, in corso di terapia, si fa coincidere alla sede anatomica che si vuole trattare.

È questo il primo modello di litotritore utilizzato nella storia della medicina. La semplicità concettuale del principio di produzione si abbina a limiti oggi ampiamente superati da tecnologie più moderne.

Nel litotritore piezoelettrico la sorgente di energia è rappresentata da cristalli di piezoceramica posti sulla superficie di un riflettore sferico. Il passaggio di energia elettrica determina la dilatazione del riflettore (esso consiste in un disco sferico di metallo). Questo evento genera uno spostamento rapido dei liquidi circostanti il riflettore con formazione di onde di pressione. Anche in questo caso le onde vengono fatte convergere in un punto preciso detto punto focale.

Il litotritore elettromagnetico piatto sfrutta una membrana metallica a contatto con un fluido ed un avvolgimento elettrico montato vicino alla membrana. L’elevata corrente elettrica erogata, determina la dilatazione della membrana. Ciò, a sua volta, provoca la formazione di un onda di pressione nel fluido in cui è immersa la stessa membrana. L’impulso di pressione è successivamente convogliato nel punto focale per mezzo di una lente acustica.

Un limite di questa tecnologia è rappresentato proprio dalla lente acustica. Questa, infatti, in corso di terapie consecutive, tende a deformarsi per l’effetto termico prodotto e di conseguenza a perdere la precisione della convergenza sul fuoco, nonché ad andare incontro a rottura.

Il litotritore elettromagnetico a bobina rappresenta l’ultimo nato nella famiglia dei litotritori. Il principio è esattamente lo stesso del precedente (elettromagnetico piatto) ma la membrana e la resistenza elettrica assumono forma di cilindro cavo (bobina). Questa genera onde d’urto cilindriche che vengono raccolte da un riflettore acustico e convogliate così nel fuoco.

È pertanto possibile, sfruttando la finestra rappresentata dalla cavità della bobina, avere una visione in line sia per la ricognizione ecografica che per quella radiologica. Il fuoco si presenta di elevata stabilità e di piccole dimensioni. Questo in campo ortopedico può, in alcuni casi, rappresentare un fattore importante in quanto consente di colpire in sicurezza il bersaglio, muovendo il fuoco con estrema precisione tra strutture anatomiche e mezzi di sintesi metallici spesso presenti nell’area di trattamento.

Basi fisiche

Gli effetti biologici delle onde d’urto sono il risultato di due precisi fenomeni fisici che avvengono durante l’applicazione delle onde d’urto.

Il primo è rappresentato dalla formazione di fronti d’onda che, generati in rapida successione, si muovono alla velocità del suono nel mezzo in cui si produce.

I fronti d’onda più tardivi viaggiano ad una velocità superiore a quella dei fronti d’onda formatisi in precedenza, sicché tendono a fondersi con i primi producendo un’elevata forza di pressione. Le onde vengono concentrate da vari sistemi in un punto focale dove si può registrare il massimo livello energetico.

Il fronte d’onda, così indotto, determina nei tessuti che attraversa una fase di compressione seguita da una di stiramento della durata di 1 micro-secondo ciascuno.

Oltre a provocare i suddetti effetti, le onde d’urto svolgono anche un’azione di taglio dei tessuti che attraversano. Ciò è legato alle caratteristiche del fronte d’onda che non presenta una pressione uniforme lungo tutta la sua superficie, bensì è maggiore al centro e minore alle estremità.

L’effetto di taglio dipende dall’ampiezza del fronte d’onda secondo un rapporto di diretta proporzionalità. Nei tessuti eterogenei, dove il fronte d’onde presenta un ampiezza maggiore rispetto a quanto avviene in un tessuto omogeneo, questo effetto è più marcato.

Questo dato potrebbe spiegare le lesioni che si registrano a livello renale a seguito di ripetuti trattamenti con onde d’urto. Il parenchima renale è un tessuto molto eterogeneo essendo costituito da numerosi vasi sanguigni e tubuli che, inevitabilmente, vengono attraversati dal fronte d’onda. I vasi ed i tubuli agiscono come una lente divergente che amplia la superficie del fronte d’onda.

Il secondo fenomeno fisico che si sviluppa all’interno dei tessuti è quello della “cavitazione” .

La precisa comprensione di questo fenomeno è alquanto recente malgrado il fenomeno sia conosciuto fin dall’inizio del secolo come causa di erosioni e falle sulle eliche delle navi. La cavitazione descrive lo spostamento all’interno del mezzo liquido di bolle di gas o vapore.

Le onde d’urto inducono, infatti, la formazione di bolle di vapore nei liquidi che attraversano. All’interno delle bolle, così generate è presente una pressione negativa che tende ad indurne il collasso. Essa fa sì che le bolle, in presenza di variazioni di impedenza acustica del tessuto, oppure al sopraggiungere di nuove onde d’urto, si deformino in senso ellissoidale fino a implodere, emettendo un getto d’acqua (jet-stream) che viaggia a una velocità 2-3 volte superiore a quella del suono, essendo la velocità in funzione del raggio della bolla di cavitazione. La produzione delle bolle di cavitazione avviene massimamente nel punto focale e tende a diminuire in maniera inversamente proporzionale alla distanza da esso, fino a divenire insufficiente ai fini terapeutici al di fuori del “campo di pressione”.

Un importante quesito, cui solo recentemente è stata data una risposta, si chiede se le onde d’urto siano in grado o meno di sviluppare cavitazione all’interno dell’osso. Uno studio recente (S. Russo e E. Marlingahus) ha dimostrato che questa condizione si verifica ad alcune condizioni:

1. Una adeguata potenza.

2. Una geometria tridimensionale dell’osso che ne consenta la nascita e lo sviluppo

3. Una profondità del fuoco non superiore ai 2,5 cm al disotto della corticale

Attraverso un idrofono focalizzato sull’area di trattamento (una testa di femore ricoperta di gelatina ed immersa in acqua), collegato ad un idrofono per l’analisi computerizzata dei rumori di fondo generati nel fuoco dalle s.w., è stato possibile individuare, registrare ed analizzare gli spikes prodotti dall’oscillazione delle bolle di cavitazione generate. Sono quindi state testate varie potenze area per area, portando il fuoco dalla superficie corticale progressivamente all’interno della midollare.

E’ stato così passibile stabilire che:

• Non si osserva mai sviluppo di cavitazione all’interno della corticale. Le lamelle ossee sono troppo affastellate per la loro produzione e sviluppo (geometria negativa)

• Oltre i 2,5 cm di profondità, anche utilizzando la massima potenza dell’apparecchiatura sperimentale impiegata (1.266 mj/mm2) non si producono bolle di cavitazione per un fenomeno di assorbenza causato dal tessuto osseo.

• La potenza minima in grado di produrre l’effetto, in un area immediatamente sub corticale, è pari a 0.069 mj/mm2, cavitazione cosiddetta “efficace” ossia bolle di diametro adeguato a generare jet-streams ad alta velocità (800metri/sec)

Basi biologiche

Gli effetti delle onde d’urto sulle cellule dipendono direttamente dall’energia dell’impulso e dalla frequenza di scarica.

Steinbach et al., hanno misurato la soglia di danno alle onde d’urto per le diverse strutture della cellula. Questo studio ha dimostrato che la membrana cellulare è la struttura più sensibile (energie di 0.12 mj\mm2 sono sufficienti a causarne la rottura), mentre per ottenere degli effetti lesivi sulla membrana nucleare, sul citoscheletro o sui mitocondri, è necessario ricorrere ad energie superiori (0.5 mj\mm2).

Il danno indotto a livello della membrana cellulare si manifesta con un aumento della permeabilità della stessa. Molecole di destrano o di particolari coloranti messi in sospensione con cellule esposte ad onde d’urto, a differenza di quanto avviene in condizioni di non-esposizione, riescono facilmente a penetrare nel citoplasma.

Gambhiler ha evidenziato che le onde d’urto a determinati valori di energia sono capaci di indurre la morte cellulare.

Il danno indotto è di tipo acuto: le cellule che sopravvivono all’esposizione, continuano a proliferare in modo normale pur potendo presentare all’esame con il microscopio elettronico modificazioni della superficie o degli elementi subcellulari (F. Brummer).

Gli effetti sulle cellule si traducono in precise modifiche a livello tessutale :

1) Tessuto osseo

L’applicazione di onde d’urto su di un segmento scheletrico porta ad un ispessimento dello stesso per apposizione di nuova matrice osteoide che va in seguito incontro a un processo di mineralizzazione.

Questo fenomeno sarebbe il risultato della frammentazione a opera delle onde di pressione dei macrocristalli di idrossiapatite, con liberazione dei vari fattori di crescita, tra cui anche la Bone Morphogenetic Protein (B.M.P.), normalmente presente nei focolai di frattura nella fase acuta. L’azione della BMP è molteplice:

– stimola l’attività degli osteoblasti

– attiva la sintesi proteica

– promuove la neoangiogenesi

Il risultato finale consiste nella formazione di nuovo tessuto osseo.

Quest’ipotesi è suffragata da diversi dati: l’osservazione al microscopio elettronico dei microcristalli di idrossiapatite dopo l’utilizzo delle onde d’urto e la loro particolare disposizione spaziale, oppure il ritrovamento, con l’impiego di anticorpi monoclonali, di elevati livelli di BMP nelle aree trattate con la metodica.

2) Vasi

La risposta vascolare alle onde d’urto è di due tipi.

– Risposta immediata: “Vasoplegia transitoria”, dovuta ad un effetto simpaticoplegico temporaneo indotto dalle onde d’urto sulle terminazioni nervose simpatiche. Consiste in una vasodilatazione locale secondaria al rilascio degli sfinteri precapillari, in conseguenza delle modifiche di permeabilità cellulare indotte dalle s.w., con conseguente perdita transitoria del controllo degli sfinteri precapillari.

– Risposta “tardiva e permanente”. Segue la prima a distanza di alcuni giorni e consiste in un processo di neoangiogenesi.

Sembrerebbe che la formazione di nuovi vasi sia conseguente alla liberazione da parte dell’endotelio colpito con le onde d’urto, di un peptide a basso peso molecolare chiamato ESAF (endotelial stimulating angiogenetic factor). Si tratta di molecola proteica che agisce attraverso l’attivazione della collagenasi di tipo I. Questo enzima, a sua volta, agendo sul collagene della parete dei vasi, determina delle soluzioni di continuo nella membrana basale. La perforazione della membrana basale così generata, permette alle cellule endoteliali, non più trattenute dalla membrana stessa, di migrare negli spazi interstiziali e di proliferare, venendo così a formare delle nuove reti capillari.

A conferma di quest’ipotesi vi è uno studio condotto da Sield nel 1994. Lo studioso, esponendo un cordone ombelicale ad onde d’urto della potenza di 0.5 mj\mm2, ha riscontrato la scomparsa dell’endotelio dei capillari del cordone con perforazione della membrana basale [67]. Questo fenomeno si verificava in un’area circolare il cui centro corrispondeva al punto focale ed il cui diametro era uguale a 6mm.

Per quanto attiene i meccanismi alla base della liberazione dell’ESAF, diverse sono le teorie proposte.

Una prima ipotesi prevede che le onde d’urto determinino il distacco delle cellule endoteliali dalla parete vasale con ostruzione dei capillari e secondario aumento della pressione endoluminale. La liberazione dell’ESAF dall’endotelio sarebbe così una risposta dell’organismo ad una “trombosi” localizzata a valle del punto di applicazione delle onde d’urto.

Un’altra ipotesi suggerisce che sia la comparsa, dopo l’applicazione delle onde d’urto, di fibrille di actina (chiamate da Seidl “stress fibers” nelle cellule endoteliali) a indurre la liberazione dell’ESAF: la retrazione di queste fibre determinerebbe il rilascio del fattore angiogenetico contenuto nelle cellule.

Allo stato attuale sono in corso studi volti a dimostrare l’aumento distrettuale dei livelli dell’ESAF dopo l’applicazione di onde d’urto. Il problema principale è rappresentato dal bassissimo peso molecolare di questo fattore che ne rende difficile il dosaggio.

Va anche considerato un meccanismo diretto prodotto dalle s.w. a più alta potenza che si traduce in una perforazione diretta, non enzimatica.

Ossido nitrico ed onde d’urto

Gli studi sull’efficacia clinica delle onde d’urto hanno portato ad evidenziare un effetto di “rigenerazione tissutale” particolarmente evidente a carico dei cosiddetti tessuti molli, e questo andava ben al di là di un semplice effetto antalgico-antinfiammatorio. Questa via rigenerativa sembra coinvolgere la produzione di radicali liberi ed eventi di rivascolarizzazione, ma l’ipotesi più affascinante era quella che le s.w. potessero sviluppare ossido nitrico nel tessuto trattato.

Fino a 20 anni fa si riteneva che l’ossido nitrico fosse presente solo nell’aria inquinata. In seguito, si è scoperto che l’ossido nitrico (NO) è sintetizzato enzimaticamente dalle cellule (prevalentemente dalle endoteliali) e che è presente non solo nei vertebrati, ma anche negli invertebrati; inoltre, non è da escludere la presenza anche nelle specie vegetali. Sebbene i ruoli fisiologici esercitati dal NO come la vasodilatazione e la neurotrasmissione suonavano estremamente innovativi, ancora ci sorprendono le evidenze che indicano il coinvolgimento dell’NO in numerosi eventi come la modulazione della forza e dello sviluppo della contrazione muscolo scheletrica, il controllo del contenuto totale corporeo di sodio e 1’omeostasi dei fluidi corporei, nonché la funzione sessuale maschile.

Di seguito si descrive brevemente il ruolo biologico dell’NO e del possibile meccanismo molecolare che è alla base dell’azione antinfiammatoria delle onde d’urto, puntando l’attenzione sulla modulazione della produzione dell’NO da parte delle onde d’urto nell’ infiammazione acuta.

Caratteristiche fisico-chimiche dell’ NO

L’ossido nitrico è una delle più piccole molecole composte da un singolo atomo di azoto e di ossigeno sotto forma di radicale libero allo stato gassoso. Nell’organismo l’NO, una volta prodotto, diffonde liberamente attraverso le membrane grazie alla sua piccole dimensioni e alle sue proprietà lipofiliche. Sebbene l’NO non è una molecola altamente reattiva per se stessa, all’interno della cellula reagisce con un certo numero di composti come ioni metallici, sulfidrilici e superossido. La nitrossilazione di emoproteine come la mioglobina e la guanilato ciclasi solubile (sGC) media un numero di funzioni biologicamente importanti. La nitrossilazione della mioglobina nella muscolatura cardiaca e scheletrica potrebbe funzionare come una trappola intracellulare di NO. L’attivazione di sGC per mezzo della nitrossilazione ed il successivo aumento intracellulare dei livelli di GMPc sottolinea un numero di eventi critici come la vasodilatazione e la neurotrasmissione. La nitrossilazione dei residui di cisteina presenti nel dominio catalitico di enzimi quali la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, un enzima chiave della glicolisi, modifica drasticamente l’attività catalitica dell’enzima .

Le informazioni sull’emivita dell’NO nell’organismo (un paio di secondi) riflette la sua reattività con i composti sopra descritti.

L’NO prodotto dalla NO-sintetasi costitutiva (LNO) è prodotto nella cellula da due tipi di sintetasi (NOS): NOS costitutiva e inducibile (rispettivamente cNOS e iNOS). Sebbene entrambi i tipi di NOS catalizzano la sintesi di NO a partire da L-arginina, in presenza di cofattori come NADPH, FAD, tetraidrobiopterina e calmodulina, cNOS richiede in più Ca per la sua attività catalitica. cNOS, che comprende sia la NOS neuronale (nNOS) che quella endoteliale (eNOS), è espressa normalmente in un certo numero di cellule come i neuroni, gli astrociti, le cellule endoteliali, i cardiomiociti, le cellule mesangiali e le cellule gastrointestinali. cNOS produce normalmente bassi livelli di NO, sebbene, in condizioni patologiche come i danni neuronali causati da alti livelli di glutammato, nNOS produce temporaneamente una quantità massiva di NO. L’attività catalitica di cNOS e l’ammontare di NO prodotto da cNOS fluttua, normalmente, a livelli nM a seconda non soltanto delle concentrazioni del substrato, ma anche dei cofattori. NO prodotto dalle cellule endoteliali delle vene da eNOS agisce come un potente vasodilatatore, modificando la guanilato ciclasi solubile (GC) presente nelle vene delle cellule muscolari lisce ed è un potente induttore dell’ angiogenesi. NO sintetizzato nei neuroni da nNOS, agendo su GC, modula i canali cationici inducendo la formazione di potenziali d’azione.

Quando c’è una stimolazione durante un processo infiammatorio, l’iNOS (NO sintetasi inducibile), normalmente assente, produce un massivo ammontare di NO (fino a pM), virtualmente in tutti i tipi di cellule. La produzione di NO da parte di iNOS continua, indipendentemente dalla presenza di Ca2, per diverse ore o giorni. Il massivo ammontare di NO se da una parte è benefico, comportandosi come agente anti-batterico, anti-virale, anti-parassitario ed anti-tumorale (principalmente grazie alla formazione di radicali perossinitriti ed idrossilici altamente reattivi), dall’altra, per la stessa ragione, potrebbe essere potenzialmente nocivo per il tessuto ospite a causa degli effetti dannosi che provoca. Pertanto, non è sorprendente constatare che l’induzione dell’espressione del gene di iNOS è finemente controllata in modo da garantirne una funzione corretta nel tempo e nello spazio. Nella fase iniziale del processo infiammatorio, 1’interferone-y (IFN-y ) circolante, il fattore di necrosi tumorale-a (TNF-a) e 1’interleuchina 1-3 (IL-1R) insieme con il lipopolisaccaride (LPS), provocano l’induzione dell’espressione di iNOS. L’azione della maggior parte di questi composti, eccetto IFN-y, è mediata dalla rapida attivazione del fattore nucleare NF-xB. I trasduttori del segnale e gli 1 (STATI) mediano esclusivamente l’azione di IFN-y. Un’ottima induzione dell’espressione del gene di iNOS è acquisita per mezzo di una duplice azione di questi fattori. Comunque, la corretta espressione del gene di iNOS non è regolata soltanto dai composti sopra descritti ma anche da altri composti che esercitano un’azione soppressiva sull’espressione di iNOS. Sia i composti endogeni – come minerali e glucocorticoidi – estrogeni – come il glutammato, il fattore (3 di trasformazione di crescita (TGF-R), il fattore di crescita base dei fibroblasti (bFGF) – sia le sostanze esogene come il desametasone e gli ionofori del calcio decrementano l’espressione del gene di iNOS. L’azione concertata di tutti questi composti regola la corretta espressione, nello spazio e nel tempo, del gene di iNOS nei processi infiammatori.

Confronto tra NOS costitutiva ed inducibile

Secondo recenti conoscenze, NO prodotto da cNOS mantiene soppressa normalmente l’induzione dell’espressione di iNOS. Questo effetto inibitorio dei bassi livelli di NO (nM) è attribuito all’inattivazione NO-mediata di NF-xB tramite due distinti meccanismi:

1) soppressione dell’attivazione di NF-xB, induzione e stabilizzazione dell’inibitore di IxB-a, ed interferenza con la fosforilazione di IxB

2) la nitrosilazione diretta del residuo di cisteina della subunità p50 di NF-xB. Le citochine pro-infiammatorie come IFN-y e TNF-a rapidamente diminuiscono l’attività catalitica di nNOS negli astrociti umani portando ad un livello molto basso di NO intracellulare (meno di nM) che potrebbe essere insufficiente a sopprimere l’attivazione di NF-xB, creando così le condizioni favorevoli per la successiva induzione dell’espressione di iNOS. Molti composti che agiscono sopprimendo l’espressione di iNOS accentuano l’attività catalitica di cNOS (30). Nella cellula, quindi, NO prodotto da cNOS potrebbe regolare l’induzione dell’espressione di iNOS ed i modulatori positivi e negativi dell’espressione di iNOS potrebbero regolare positivamente e negativamente l’attività catalitica di cNOS.

La modulazione sia dell’attivazione che dell’induzione dell’espressione di iNOS da parte del NO endogeno è stata recentemente indicata, in vivo ed ex vivo, nei modelli animali. Il controllo a lungo termine di L-NAME, un potente inibitore dell’attività catalitica di NOS, ha indotto un attivazione di NF-xB nel fegato, indicando che quantità molto basse nel corpo del ratto hanno creato le condizioni favorevoli per far attivare NF-xB senza induttori esogeni dell’espressione di iNOS. La super-induzione dell’espressione di iNOS è stata osservata nel fegato di topi knockout eNOS in seguito ad ischemia e riperfusione del fegato confermando, nuovamente, che la diminuita produzione di NO ha favorito l’induzione dell’espressione di iNOS.

Durante il processo infiammatorio un massivo ammontare di NO prodotto da iNOS potrebbe, come descritto sopra, esercitare sia un’azione benefica che dannosa. Durante un’infiammazione acuta, l’espressione di iNOS è spesso coinvolta nei danni tissutali come l’ulcera. La rapida caduta del quantitativo di NO causato dalle citochine pro-infiammatorie potrebbe essere un evento cardine nella fase precoce della flogosi. Qualsiasi trattamento per contrastare la caduta dei livelli di NO nella fase iniziale dell’infiammazione potrebbe essere un potenziale rimedio contro i danni tissutali.

Sintesi non enzimatica di NO mediata da onde d’urto

Recentemente è stata avanzata l’ipotesi che gli effetti benefici del trattamento con onde d’urto osservati clinicamente siano dovuti, in parte, all’immediata sintesi di NO. Il trattamento con onde d’urto (500-1500 colpi a 0.890 mJ/mm2) di una soluzione, contenente 10 mM di L-arginina ed 1mM di perossido di idrogeno (H202), che mima le condizioni pro-infiammatorie in vivo, ha portato alla sintesi non catalitica di nM di NO, concentrazione compatibile con i livelli fisiologici di NO nella cellula. Sebbene le condizioni usate potrebbero essere tossiche nel corpo, questa è la prima dimostrazione della possibilità che le onde d’urto, nelle fasi iniziali del processo infiammatorio, potrebbero provocare la sintesi non enzimatica di quantità molto basse di NO.

Effetti delle onde d’urto sull’attività catalitica di eNOS nelle cellule endoteliali di cordone ombelicale umano (HUVEC)

Al fine di esaminare ulteriormente l’ipotesi che il trattamento con onde d’urto potrebbe causare la sintesi rapida di NO in condizioni di infiammazione acuta, l’attività catalitica di eNOS presente nelle HUVEC è stata stimata dopo il trattamento delle cellule con onde d’urto, sia in assenza che in presenza di LPS e di IFN-Y che potrebbero mimare la fase precoce dell’infiammazione acuta. L’attività catalitica di eNOS in HUVEC trattate con 1500 colpi di onde d’urto è risultata incrementata. Prescindendo dal fatto che l’attività enzimatica di eNOS potrebbe portare ad un veloce aumento dei quantitativi di NO, l’osservazione clinica, indicante l’aumento nel volume di sangue anche nel tessuto normale dopo il trattamento con onde d’urto, sembra compatibile con il rapido incremento dell’attività di eNOS provocato da onde d’urto. Il trattamento di HUVEC con LPS insieme ad IFN-y ha prodotto velocemente una drastica diminuzione dell’attività di eNOS, come precedentemente osservato in altri modelli di cellule. Poiché questa situazione potrebbe mimare la fase precoce dell’infiammazione acuta nel tessuto come descritto sopra, ciò comporterebbe l’attivazione di NF-xB e STATI e la successiva induzione dell’espressione di iNOS che potrebbe essere potenzialmente tossica per il tessuto. Il trattamento con onde d’urto di HUVEC, dopo la regolazione di LPS e di IFN-7, ha restaurato parzialmente l’attività catalitica di eNOS. Ciò indica che il trattamento con onde d’urto potrebbe contrastare l’effetto inibitorio di LPS e di IFN-‘y sull’attività eNOS, suggerendo anche una possibile diminuzione dei livelli di NO nella fase precoce del processo infiammatorio. Il mantenimento dei livelli di NO potrebbe essere benefico nella down-regulation della produzione di livelli massivi di NO potenzialmente tossici sintetizzati da iNOS. L’effetto benefico per il tessuto delle onde d’urto, specialmente nella fase precoce dell’infiammazione acuta potrebbe, almeno parzialmente, essere dovuto al fatto che riesce a mantenere i livelli fisiologici di NO.

Conclusioni

Le vie chimiche modificate dallo stress fisico non sono un fenomeno raro. Per esempio, è ben documentato che lo share-stress induce un cambiamento in un certo numero di vie chimiche nel sistema circolatorio. Comunque, nonostante le consistenti prove sull’effetto benefico delle onde d’urto sui tessuti infiammati, nessun articolo è presente sul possibile meccanismo molecolare degli effetti vasodilatatori ed angiogenici, eccetto un lavoro recente sulla sintesi non catalitica di NO per mezzo delle sw in presenza di L-arginina e perossido d’idrogeno.

Il presente studio descrive la possibilità che gli effetti benefici delle onde d’urto osservati clinicamente, potrebbero essere collegati alle loro capacità nel mantenere i livelli di NO nella fase iniziale dell’infiammazione, così da contrastare l’attivazione di NF-KB potenzialmente riconducibile a situazioni dannose per il tessuto.

Ulteriori e recenti studi pongono però l’attenzione su una catena di eventi ben più complessa che comprende i suddetti meccanismi e li arricchisce con la tecnica dell’attivazione dei corpuscoli alfa delle piastrine. La conseguente liberazione dei fattori di crescita in essi contenuti, responsabili della risposta riparativa tissutale attraverso la stimolazione fibroblastica , osteoblastica e neo angiogenica verrebbe quindi ad interagire con i meccanismi precedentemente descritti.

Un ruolo fondamentale in tutto questo complesso meccanismo svolge l’ossido di azoto (NO), la cui produzione nell’area di trattamento è forse il fattore più importante in quanto è posto a monte di tutti i meccanismi enzimatici descritti. L’importanza dell’argomento ne richiede un particolareggiato approfondimento.

Produzione diretta ed indiretta di monossido d’azoto

Da questi studi conseguono alcune considerazioni pratiche ai fini terapeutici.

1. L’effetto cavitazionale non è assolutamente indispensabile in tutti i processi riparativi; ad esempio, nelle lesioni infiammatorie dei tessuti molli può addirittura risultare dannoso per l’elevato potere necrotizzante sulle cellule. Quando richiesto, (come nel caso delle calcificazioni sub acromiali) l’utilizzo di un fuoco piccolo e stabile consente di sviluppare cavitazione solo nell’area del target lasciando indenni i tessuti e le strutture circostanti, questo a condizione che il puntamento sia perfetto ed il paziente del tutto immobile.

2. Quando si lavora sul tessuto osseo, come per esempio nella pseudoartrosi, potenze medie e medio/basse sono sufficienti a indurre una produzione enzimatica di monossido d’azoto e quindi la catena di eventi a essa correlata, ma potenze più alte sono in grado di determinare anche la formazione di un significativo ematoma nell’area di pseudoartrosi. Il ruolo di quest’ultimo nel processo riparativo indotto dalle s.w. è attualmente oggetto di studio. I più recenti dati di laboratorio (S. Russo – 2002) indicherebbero un ruolo chiave sviluppato dai fattori di crescita presenti nei corpuscoli alfa delle piastrine presenti nell’ematoma. Tali fattori, in presenza di microschegge d’osso prodotte dalle s.w. sui monconi di pseudoartrosi attiverebbero una intensa risposta cellulare di tipo osteoblastico, pre-osteoblastico, fibroblastico e pre-fibroblastico. Il tutto regolato dalla catena di eventi indotti dal monossido d’azoto

3. Nel caso delle osteonecrosi va sottolineato come esista una notevole disparità di risposte alla terapia, non sempre correlabili al grado di compromissione, quanto – per gli stadi avanzati – alle dimensioni e alla profondità del focolaio. Evidentemente l’elevato coefficiente di assorbimento dell’osso, impedendo lo sviluppo di cavitazione oltre i 2/2.5 cm di profondità al di sotto della corticale, rende impossibile la rottura lamellare e la decompressione del “core” osteonecrotico. Va, altresì, considerato che lo sviluppo di monossido d’azoto in area francamente necrotica può avvenire solo per le alte potenze mediante produzione diretta non enzimatica; ma, se questo anche avvenisse, non potrebbe sviluppare le sue attività biologiche per mancanza di substrati cellulari viventi sui quali agire. Per tali motivi il fuoco delle s.w. dovrà essere sempre puntato sulle aree “borderline” tra tessuto sano ed ischemico e, da qui, mosso in progressione tra le varie sedute, nel senso della profondità. Il processo di recupero vascolare avverrà in tal modo in senso centripeto rispetto alla lesione. Nelle aree più periferiche e superficiali si otterrà decompressione per rottura lamellare da effetto cavitazionale e sviluppo di NO sia diretto che indiretto; nelle aree più profonde si avrà una risposta solo dopo aver attivato un processo biologico ripartivo; in quelle limitrofe più superficiale. In questo caso la riparazione tissutale sarà prevalentemente promossa dal monossido d’azoto prodotto con meccanismo sia diretto che indiretto.

Gli effetti biologici descritti giustificano l’impiego delle onde d’urto anche in altri campi d’applicazione

  • Calcificazioni periarticolari

I meccanismi chiamati in causa sono in linea teorica la frantumazione diretta della calcificazione, in analogia a quanto avviene in campo urologico per i calcoli renali, e il successivo riassorbimento di essa attraverso l’incremento della vascolarizzazione locale.

Nella realtà le calcificazioni non posseggono quasi mai un’impedenza (resistenza all’avanzamento delle s.w.) tale da subire una rottura diretta. L’azione allora si esplica prevalentemente attraverso le modifiche del metabolismo locale indotte dall’incremento ematico e la successiva solubilizzazione del contenuto minerale della calcificazione nel torrente sanguineo.

  • Patologie infiammatorie e degenerative dei tessuti molli

Nel trattamento di queste forme (epicondiliti, tendiniti dell’achilleo o della zampa d’oca, periartropatie scapolo-omerali), la terapia con onde d’urto consente di ottenere due importanti risultati: da un lato un miglioramento del trofismo dei tessuti sofferenti, dall’altro un’analgesia loco-regionale dell’area trattata.

I meccanismi alla base dell’analgesia non sono noti con esattezza.

Diverse ipotesi sono state formulate:

– le onde d’urto inibirebbero i nocicettori locali che non sarebbero più in grado di trasmettere gli impulsi della sensibilità dolorifica;

– le onde d’urto stimolerebbero i nocicettori a generare treni di impulsi che bloccherebbero la trasmissione del segnale ai livelli superiori (gate control theory);

– le onde d’urto potrebbero determinare il rilascio locale di sostanze ad azione analgesica (endorfine);

– la metodica determinerebbe un vero e proprio lavaggio tessutale (wash-out) allontanando tutte le sostanze liberate nel corso del processo infiammatorio. Tra queste, oltre alle molecole istamino-simili, compare la bradichinina, nonapeptide di derivazione dal chininogeno (per azione della callicreina plasmatica), che corrisponderebbe alla luce delle attuali conoscenze, al fattore P descritto da Lewis. L’importanza di questa molecola risiede nel suo ruolo di mediatore periferico del dolore.

Il miglioramento del trofismo tissutale, che si ottiene con le onde d’urto, è il risultato dell’incremento della vascolarizzazione distrettuale a cui consegue un maggiore apporto di nutrienti ai tessuti sofferenti e una più efficace rimozione da essi dei prodotti del proprio catabolismo.

Questi effetti non sono di alcuna utilità per quei tessuti che all’esame clinico e strumentale risultano oramai irrimediabilmente lesi (questa situazione si presenta, ad esempio, nel caso di soluzioni di continuo a tutto spessore della cuffia dei rotatori; tali lesioni rendono del tutto inefficace la terapia con onde d’urto nel trattamento delle periartriti scapolo-omerali).

I ritardi di consolidazione e pseudoartrosi restano comunque tra le indicazioni principe della terapia ad onde d’urto

Sono queste delle situazioni patologiche del processo riparativo delle fratture. Nei ritardi di consolidazione vanno inserite quelle fratture che non si sono consolidate nel periodo di tempo in cui prevedibilmente doveva consolidare una frattura di quel tipo. in quella sede ed in un paziente di quella età: i limiti temporali pertanto sono variabili (tre – sei mesi) ma l’esame radiografico mostra caratteristicamente un callo periostale modesto e di densità diversa in un’epoca in cui sarebbe dovuto essere voluminoso ed uniforme. Se tali segni radiografici mostrano una lenta evoluzione nella direzione di un aumento di volume e densità sia periostale che endostale, la sofferenza del callo riparativo è superata e la frattura è avviata alla guarigione. Se dopo alcuni mesi quest’evoluzione radiografica non si manifesta o, addirittura, l’immagine iniziale del callo si modifica mostrando addensamenti sclerotici maldistribuiti, margini sfumati dei frammenti, persistenza della rima di frattura e marcata osteoporosi loco-regionale, il processo di consolidazione va ritenuto spento e non più capace di ravviarsi spontaneamente realizzando così il quadro della pseudoartrosi. Fattori locali (scarsa vascolarizzazione, scarso contatto tra i frammenti, esposizione della frattura, immobilizzazione scorretta per modalità e durata) e generali (età avanzata, alcolismo, tabagismo, osteoporosi, arteriosclerosi, terapie corticosteroidee) ne costituiscono 1’eziopatogenesi. La quantità del callo definisce il tipo di pseudoartrosi: ipertrofiche, allorquando il callo periostale abbondante forma un manicotto “a zampa di elefante” intorno al focolaio di frattura mentre i margini contrapposti dei frammenti appaiono sclerotici; oligotrofiche, quando il callo periostale è molto scarso ma i margini dei frammenti sono discretamente accostati; atrofiche se, oltre alla completa assenza del callo, è presente anche un allontanamento dei frammenti e un riassorbimento osseo degli stessi. Le caratteristiche cliniche comuni a tutte le pseudoartrosi sono il dolore e la motilità preternaturale, maggiore quest’ultima nelle forme atrofiche rispetto a quelle ipertrofiche.

Le terapie tradizionali sono esclusivamente chirurgiche. Numerose le tecniche proposte: spongioplastica, cruentazione dei capi ossei, innesto cortico-spongioso, osteosintesi con placche e viti, sintesi endomidollare, fissatore esterno in compressione variamente abbinati tra loro.

Nessuna di queste garantisce un risultato sicuro e spesso è necessario intervenire più volte con decorsi molto prolungati e rischio di ulteriori complicanze.

L’indubbio vantaggio della terapia ad onde d’urto è rappresentato non solo dall’elevatissima percentuale di successo, ma anche dall’essere una sorta di chirurgia – non chirurgica – quindi assolutamente atraumatica.

Bibliografia

  1. Interactive Navigation System for Shock Wave Applications

Hagelauer U., Russo S., Gigliotti S., De Durante C., Corrado E.M., Computer Aided Surgery, 6:22 – 31 (2001)

  1. Trattamento delle calcificazioni periarticolari del gomito con onde d’urto

De Durante C., Gigliotti S., Russo S., Galasso O., Riv. Chir.Riab. Mano Arto Superiore., 35 (1) 1998 65-68

  1. Le onde d’urto nel trattamento delle pseudoartrosi: valutazione clinica e sperimentale della risposta neo-osteo-angiogenetica

Russo S., Marlinghaus E., Amelio E., Corrado B., Galasso O., Cugola L., G.I.O.T., 2002; 26 (Suppl.1):S&-S12

  1. Shock wave management of footballer’s tendinopathies

Russo S., De Durante C., Gigliotti S., Galasso O., Journal of Sports Traumatology, VOL. XX1 n.1 1999

  1. L’utilizzo delle onde d’urto nelle patologie muscolo scheletriche tipiche dei calciatori

Gigliotti S., Russo S., De Durante C., Canero R., Galasso O., Il medico del calcio, n. 1 15-19 1998

  1. Le onde d’urto nel trattamento dell’osteonecrosi della testa del femore agli stadi iniziali

Russo S., Galasso O., Corrado B., Andretta D., G.I.O.T. ,VOL XXV fasc. 2 Dicembre 1999

  1. Extracorporeal shock waves: from lithotripsy to anti-inflammatory action by NO production.

Mariotto S., Cavalieri E., Amelio E., Campa A., Marlinghaus E., Russo S., Suzuki H., Nitric Oxide, 12 (2005) 89-96

  1. Short-time non-enzymatic nitric oxide synthesis from L-Arginine and hydrogen peroxide induced by shock waves treatment

Gotte G., Amelio E., Russo S., Marlinghaus E., Musci G., Suzuki H., FEBS, Letters 520 (2002) 153-155

  1. Treatment of scaphoid non union by lithotripsy

Russo S., Briganti F., Gigliotti S., De Durante C., Peluso G.F., Corrado E.M., Reprinted from 6th Congress of the International Federation of societies for Surgery of the Hand – Helsinki (Finland), 3 luglio 1995, Monduzzi Editore

  1. La litrotrissia extracorporea nel trattamento delle pseudoartrosi ossee

Russo S., Amelio E., Galasso O., Corrado B., Cugola L., Minerva Ortopedica e Traumatologica , VOL 52 n6 261-267 (Dicembre 2001)