Stressfrakturer: Mekanik och biologi

Vad är det egentligen som händer när en stressfraktur uppstår? Vi vet en hel del om stressfrakturer i andra material än ben, och vi vet litegrann om biomekaniken i de kliniska stressfrakturerna. Om man sätter samman dessa kunskaper, kan man resonera sig fram till en del principer för hur de ska behandlas. Men först en liten återblick:

Utmattningsbrott och tågolyckor

År 1842 välte plötsligt loket som drog ett tåg från Versailles till Paris i den svindlande farten av 40 km i timmen. De efterföljande vagnarna, som var av trä, fulla av firande människor, fortsatte rakt in i loket och fattade eld. Över 50 människor dog (Bild 1). Det visade sig att olyckan berodde på att en av hjulaxlarna till loket gått tvärs av på mitten. Det var tjocka axlar av järn: Hur var det möjligt? Man insåg att axeln var konstruerad så att spänningen i materialet hade varit störst där det gick av, men ändå? Liknande olyckor inträffade här och var i Europa med jämna mellanrum och problemet fick stor uppmärksamhet. De flesta forskare lutade åt en teori om att järn spontant kunde utveckla någon sorts kristallstruktur, som gjorde det sprött.

Problemet löstes under 1850-talet av August Wöhler, en ung ingenjör som avancerade till chef för det tyska järnvägsnätet (Bild 2). Han byggde upp ett laboratorium och gjorde försök i full skala, med hjulaxlar som fick rotera under belastning tills de brast (Bild 3). Försöken ledde fram till den bland ingenjörer välkända Wöhlerkurvan, som visar hur länge ett material tål cykliska belastningar. Ju större last, dess färre cykler behövs. Förhållandet är ofta i stort sett logaritmiskt, så att om belastning minskas från 90 % av vad materialet maximalt håller för, till 80 %, så ökar antalet cykler innan det brister mångfaldigt.

Wöhler genomdrev att man i Tyskland förde bok över hur långt varje vagn hade rullat, och sedan i god tid bytte ut hjulaxlarna. Än idag kan man se utbytta hjulaxlar (med hjul) i buskagen runt gamla järnvägsstationer i Sverige. Så sent som 2010 inträffade dock en svår tågolycka i Kanada, där en hjulaxel gick av precis som Wöhler skulle ha förutspått (Bild 4).

Vidare beskrev han att utmattningsbrotten börjar vid brottanvisningar, små materialfel eller skavanker, som leder till en lokal koncentration av spänningen (”kraftflödet”)  i materialet. Små, små sprickor bildas där. Vid sprickans spets koncentreras spänningen ytterligare, så att materialet brister just där vid nästa belastningscykel, och sprickan växer några tusendels millimeter. Sprickan växer sedan allt fortare, så att varje belastning leder till allt större skada, tills hjulaxeln, eller flygplansvingen, eller vad det nu är, går av. Om materialet är benet i en löpares skenben, går det oftast inte av, eftersom smärtan hindrar honom från de där sista, skadligaste belastningscyklerna.

Inom ortopedin är utmattningsbrott i osteosyntesmaterial inte ovanligt. Jag hade det tveksamma nöjet att identifiera ett tillverkningsfel i en serie höftproteser på 1980-talet som ledde till att proteshalsen utmattades och brast 1. Med elektronmikroskopikunde vi se det typiska vågmönster i brottytan, som uppstår när sprickan avancerar en liten bit för varje belastningscykel, alltså varje steg patienten tagit (Bild 5).

Utmattningsbrott i ben

Hur mycket av kunskaperna från 1800-talets alltjämt giltiga hållfasthetslära kan överföras till människans ben? Förmodligen ganska mycket, om man nöjer sig med att resonera om kompakt, kortikalt ben, såsom stressfrakturerna på skenbenets framsida. Det finns en hel del djurförsök, där man utsatt rörben i främst råttor för cykliska belastningar i en maskin, som automatiskt stannat när benets materialegenskaper börjat förändras som tecken på att frakturen är på väg 2. Några tusen cykler brukar vara lagom 3. Djuren var förstås sövda under tiden. Sedan har man undersökt benet direkt, eller låtit djuret leva, för att studera läkningen.

Skadorna man finner i benet är inte så koncentrerade som i idealfallet ovan, utan man ser mikrosprickor här och var, och även en diffus förändring av små områden 3. Cellerna i benet, osteocyterna, har långa utskott som penetrerar allt benmaterial. När dessa skadas av sprickorna dör cellerna. Men de tör inte tyst och stilla, utan skriker på hjälp i högan sky, genom att skicka ut biokemiska signaler som sätter fart på de oskadade cellerna i grannskapet 2 . Dessa i sin tur sänder ut signaler (RANKL) till benmärgen, som kommer att bilda ben-nedbrytande celler, osteoklaster, som bryter sig in i benet i riktning mot det skadade området. På så sätt kommer materialutmattade områden selektivt att tas bort. Sedan ersättas de med nytt ben på samma sätt som vid vanlig benomsättning. Detta kallas målstyrd benremodellering 4.  Man har kunnat påverka processen med läkemedel. Bisfosfonater, som hämmar osteoklasternas aktivitet, fördröjer läkningen. Parathormon, som ökar osteoblasternas benuppbyggnad, påskyndar den 5.

Stressfrakturer hos människa förekommer inte bara bland idrottare, dansare och soldater, utan också bland äldre damer som äter bisfosfonater. Detta har uppmärksammats de senaste åren och lett till väldiga skadeståndsanspråk i USA, med ty åtföljande processer, vilka verkar ha påverkat hederligheten bland forskare med anknytning till läkemedelsindustrin. Den gängse förklaringen till stressfrakturerna i samband med bisfosfonater bygger på att de minskar skelettomsättningen generellt. Därmed skulle benet ha fått en högre genomsnittsålder, så att ackumulationen av mikrosprickor hunnit bli för stor innan benet bytts ut 6. Med tanke på skelettets långsamma omsättning skulle detta ta många år, och ett kortvarigt bruk av bisfosfonater vara ofarlig. Vi har dock i en stor svensk studie visat att detta ät fel: Risken kan kopplas till pågående bruk av bisfosfonater, alltså inte till att benet är för gammalt 7. Uppenbarligen ligger faran med bisfosfonater i att man hämmar den riktade omsättningen som jag beskrev ovan. Sprickorna verkar alltså uppstå normalt även i äldre damer, men hinner tas om hand innan de ger symptom, utom i ibland, om man tar bisfosfonater. Rimligen betyder det att idrottare får mängder av mikrosprickor hela tiden, men om det inte blir mer än vad den riktade remodelleringen hinner med, blir det inga bekymmer.

Vi har lyckats samla in några biopsier som innefattar själva skadan vid bisfosfonat-associerade stressfrakturer i patienter (Bild 6). Det finns goda teoretiska skäl att tro att dessa ser likadana ut som stressfrakturerna i idrottare, men detta återstår att visa (vi har ännu ingen bra biopsi från idrottare). Själva sprickan är tunn, omkring en tiondels mm vid. Makroskopiskt är den alldeles rak, vinkelrät mot dragkrafterna i benet, men mikroskopiskt vindlar den sig fram, men många små förgreningar 8 . Likheten med utmattningssprickor i metaller är slående. Själva sprickan är inte tom, utan innehåller ett amorft material, som vi inte vet vad det är: Troligen proteinutfällningar, men det kan också vara krossat ben. Runt sprickan ser vi en dramatisk benomsättning med nedbrytande och uppbyggande celler, men i själva sprickan bara detta amorfa material. Varför inga celler??

Förklaringen finns att hämta hos Perren et al. och deras frakturläkningsforskning i Davos på 70-talet. De påpekade att om en frakturpalt är tunn, så kommer mycket små rörelser, orsakade av benets eller frakturfixationens elasticitet, att leda till kraftiga deformationer i sprickan 9. En vidgning från 0.1 till 0.2 mm låter försumbart, men det betyder en deformation på 100 %, vilket sliter sönder alla celler som vågat sig in i sprickan (Bild 7). Ett sätt för kroppen att hantera situationen är att ta bort benet runt sprickan, så att den blir vid och deformationerna därför tolerabla. I våra fåtaliga biopsier har vi inte sett någon sådan process, men däremot i våra djurförsök.

Ett annat sätt för kroppen att läka sprickan är att bygga en kraftig benpålagring utanpå det skadade området, en periostal kallus. Så sker också, och vi har sett det i biopsierna. Emellertid verkar detta ben inte alltid styvt nog, utan kan fjädra, så att sprickan fortsätter att röra sig och därmed inte kunna läka (Bild 8). Vi har också sett att sprickan växer in i det nybildade benet (opublicerat material).

Behandlingsrekommendationer vid stressfraktur

Vilka behandlingsråd för stressfrakturer i kortikalt ben kan man nu resonera sig fram till på grundval av ovanstående?

När den kliniska diagnosen är uppenbar, med lokal ömhet i förening med reaktioner i benmärgen på MR eller benpålagringar som ger en lokal förtjockning på röntgen, då har man också en spricka (eller i enstaka fall flera). Eftersom de är så tunna, kan man inte förvänta sig att se dem på röntgen. När de ändå syns, senare i förloppet, beror det sannolikt på att benet alldeles intill sprickan undergår en kraftig remodellering som minskar röntgentätheten.

Med fortsatt träning är det osannolikt att sprickan läker. Det är också påvisat att spricktillväxten i kortikalt ben, i motsats till metaller, fortsätter även vid låga belastningar; fast långsammare förstås. När benpålagringarna blivit tillräckligt stora och styva, kan man förvänta sig att sprickan elimineras genom den normala benomsättningen, vilket tar åratal. Kanske slutar den ge symptom tidigare, dock.

Allt detta talar för att utmattningsbrott i kortikalt ben, t ex på skenbenets framsida, bör opereras så fort diagnosen är klar. Operationen kan innebära att man sätter in en märgspik. Det är ett omfattande ingrepp, som kan medföra problem vid inslagsstället för spiken vid knäet. Om spiken ger fullständig stabilitet, kan man förvänta sig att sprickan slutar röra sig och göra ont. Den försvinner förmodligen långsamt.

En hypotetisk, alternativ lösning skulle vara om man tar fasta på att hjälpa kroppens eget sätt att hantera situationen genom målstyrd benremodellering (se ovan). Lösningen är helt enkelt att borra ett eller flera hål, som måste träffa sprickan. Därmed förvandlas sprickan från en 0.1 mm spalt, till ett mycket vidare hål. Det leder till att deformationerna minskas från storleksordningen 100 % till värden som cellerna tål. Hålet kan då fyllas med nytt ben genom de vanliga benläkningsprocesserna. Och de är rätt snabba.

En svårighet med metoden skulle vara att pricka rätt: Man ser inte alltid frakturen med blotta ögat i såret, och hål som missar sprickan gör ingen nytta. Men om man bara kan se den på röntgen, finns lösningar. Jämfört med märgspikning är det ett litet harmlöst ingrepp som jag tycker det är väl värt att pröva.

Än så länge bygger denna behandling på teoretiska resonemang, men Hanna Isaksson i Lund arbetar med att påvisa hållbarheten i vår teori genom att simulera den i datormodeller med virtuella ben med sprickor. Till syvende och sist finns dock bara ett sätt att ta reda på om behandlingen är bra: Att prova. Vi tar gärna emot dessa patienter på ortopeden i Linköping.

 

Referenser

  1. Aspenberg P, Kolmert L, Persson L, Onnerfalt R. Fracture of hip prostheses due to inadequate welding. Acta Orthop Scand 1987;58:479-82.
  2. Kennedy OD, Herman BC, Laudier DM, Majeska RJ, Sun HB, Schaffler MB. Activation of resorption in fatigue-loaded bone involves both apoptosis and active pro-osteoclastogenic signaling by distinct osteocyte populations. Bone 2012;50:1115-22.
  3. Kidd LJ, Stephens AS, Kuliwaba JS, Fazzalari NL, Wu AC, Forwood MR. Temporal pattern of gene expression and histology of stress fracture healing. Bone 2010;46:369-78.
  4. Burr DB. Why bones bend but don’t break. Journal of musculoskeletal & neuronal interactions 2011;11:270-85.
  5. Sloan AV, Martin JR, Li S, Li J. Parathyroid hormone and bisphosphonate have opposite effects on stress fracture repair. Bone 2010;47:235-40.
  6. Shane E, Burr D, Ebeling PR, et al. Atypical subtrochanteric and diaphyseal femoral fractures: report of a task force of the American Society for Bone and Mineral Research. Journal of bone and mineral research : the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 2010;25:2267-94.
  7. Schilcher J, Michaelsson K, Aspenberg P. Bisphosphonate use and atypical fractures of the femoral shaft. The New England journal of medicine 2011;364:1728-37.
  8. Aspenberg P, Schilcher J, Fahlgren A. Histology of an undisplaced femoral fatigue fracture in association with bisphosphonate treatment. Frozen bone with remodelling at the crack. Acta Orthop 2010;81:460-2.
  9. Perren SM. [Optimizing the degree of fixation stability based on the strain theory]. Der Orthopade 2010;39:132-8.
  10. Tidigare publicerat i Läkartidningen

Producerad av Wedholm Webb & SEO AB