Osteoplasty of vertebral bone defects caused by pedicle screw loosening using orthobiological approaches: a pilot study of case series

Objective. To analyze the effectiveness and safety of using an orthobiological product in osteoplasty of bone defects of the vertebrae with simultaneous reosteosynthesis.

Material and Methods. The results of screw augmentation technology using thrombogel-enriched allogeneic bone were studied in a retrospective, single-center, non-randomized study, which included 17 patients (10 women, 7 men) with instability of the hardware in the form of screw loosening and osteolysis around screws. Results within 12 months were followed up in 17 patients (100 %). We compared preoperative and postoperative instrumental data, clinical parameters in dynamics.

Results. The mean age of the patients was 59 (43–75) years. The distribution of patients, according to the primary pathology, was as follows: 11 patients (64.7 %) had a degenerative-dystrophic pathology of the spine, 4 patients (23.5 %) had a traumatic injury, and 2 patients had a kyphotic deformity on the background of Bechterew’s disease (11.8 %). The mean time from primary to revision surgery was 7.06 months (3.1–12.1), mean CRP was 4.48 (0.5–15.0). When observing patients for 12 months, all patients showed a positive trend in the form of a statistically significant regression of back pain according to VAS from 7.0 (6.0; 7.3) to 1.0 (0.0; 1.0) points (χ² = 47.9, df  3, р < 0.0001). A positive trend was also noted in the form of a decrease in ODI indicators and an improvement in the quality of life of patients from 63.8 (57.1; 69.1) to 3.0 (2.0; 7.5) at 12 months. When comparing the parameters (VAS and ODI), the obtained differences before/after the operation were statistically significant, while these changes have a pronounced correlation. Postoperative CT studies (3, 6, 12 months) showed no instability of the screws.

Conclusion. Osteoplasty of vertebral bone defects and screw augmentation using orthobiological approaches have demonstrated their primary efficacy and safety. Further studies with a large sample size are needed to confirm the obtained results.

1. Pihlajamaki H, Myllynen P, Bostman O. Complications of transpedicular lumbosacral fixation for non-traumatic disorders. J Bone Joint Surg Br. 1997;79:183–189. DOI: 10.1302/0301-620x.79b2.7224.

2. Mohi Eldin MM, Ali AM. Lumbar transpedicular implant failure: a clinical and surgical challenge and its radiological assessment. Asian Spine J. 2014;8:281–297. DOI: 10.4184/asj.2014.8.3.281.

3. Яриков А.В., Смирнов И.И., Павлинов С.Е., Перльмуттер О.А., Липатов К.С., Магомедов С.А., Чапурин С.Е., Соснин А.Г., Фраерман А.П., Пардаев С.Н. Остеопороз позвоночника: эпидемиология, современные методы диагностики и принципы лечения // Врач. 2020. Т. 31. № 11. С. 21–28. [Yarikov A, Smirnov I, Pavlinov S, Perlmutter O, Lipatov K, Magomedov S, Chapurin S, Sosnin A, Pardaev S. Osteoporosis of the vertebral column: epidemiology, current diagnostic methods, and treatment principles. Vrach. 2020;31(11):21–28]. DOI: 10.29296/25877305-2020-11-04.

4. Лебедев В.Б., Епифанов Д.С., Кинзягулов Б.Р., Зуев А.А. Передний спондилодез из мини-инвазивного ретроперитонеального доступа при лечении пациентов с псевдоартрозом после декомпрессивно-стабилизирующих операций по поводу дегенеративно-дистрофических заболеваний поясничного отдела позвоночника // Хирургия позвоночника. 2023. Т. 20. № 2. С. 57–64. [Lebedev VB, Epifanov DS, Kinzyagulov BR, Zuev AA. Anterior spinal fusion through a minimally invasive retroperitoneal approach in the treatment of patients with pseudoarthrosis after decompression and stabilization surgeries for degenerative-dystrophic diseases of the lumbar spine. Khirurgiya Pozvonochnika (Russian Journal of Spine Surgery). 2023;20(2):57–64]. DOI: 10.14531/ss2023.2.57-64.

5. Леонова О.Н., Байков Е.С., Пелеганчук А.В., Крутько А.В. Плотность костной ткани позвонков в единицах Хаунсфилда как предиктор несостоятельности межтелового блока и проседания имплантата при круговом поясничном спондилодезе // Хирургия позвоночника. 2022;19(3):57–65. [Leonova ON, Baikov ES, Peleganchuk AV, Krutko AV. Vertebral bone density in Hounsfield units as a predictor of interbody non-union and implant subsidence in lumbar circumferential fusion. Khirurgiya Pozvonochnika (Russian Journal of Spine Surgery). 2022;19(3):57–65]. DOI: 10.14531/ss2022.3.57-65.

6. Бывальцев В.А., Калинин А.А. Возможности применения минимально инвазивных дорсальных декомпрессивно-стабилизирующих вмешательств у пациентов с избыточной массой тела и ожирением // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2018. Т. 82, № 5. С. 69–80. [Byval’tsev VA, Kalinin AA. Minimally invasive dorsal decompression-stabilization surgery in patients with overweight and obesity. Zhurnal Voprosy Neirokhirurgii Imeni N.N. Burdenko. 2018;82(5):69–80]. DOI: 10.17116/neiro20188205169.

7. Басанкин И.В., Пташников Д.А., Масевнин С.В., Афаунов А.А., Гюльзатян А.А., Тахмазян К.К. Значимость различных факторов риска в формировании проксимального переходного кифоза и нестабильности металлоконструкции при оперативном лечении взрослых с деформациями позвоночника // Хирургия позвоночника. 2021. Т. 18. № 1. С. 14–23. [Basankin IV, Ptashnikov DA, Masevnin SV, Afaunov AA, Giulzatyan AA, Takhmazyan KK. Significance of various risk factors for proximal junctional kyphosis and instability of instrumentation in surgical treatment for adult spinal deformities. Khirurgiya Pozvonochnika (Russian Journal of Spine Surgery). 2021;18(1):14–23]. DOI: 10.14531/ss2021.1.14-23.

8. Bokov AE, Bulkin AA, Bratsev IS, Kalinina SYa, Mlyavykh SG, Anderson DG. Augmentation of pedicle screws using bone grafting in patients with spinal osteoporosis. Sovrem Tekhnologii Med. 2021;13(5):6–10. DOI: 10.17691/ stm2021.13.5.01.

9. Hallab NJ, Cunningham BW, Jacobs JJ. Spinal implant debris-induced osteolysis. Spine. 2003;28:S125–S138. DOI: 10.1097/00007632-200310151-00006.

10. Pfeifer BA, Krag MH, Johnson C. Repair of failed transpedicular screw fixation. A biomechanical study comparing polymethylmethacrylate, milled bone, and matchstick bone reconstruction. Spine. 1994;19:350–353. DOI: 10.1097/00007632-199402000-00017.

11. Jia C, Zhang R, Xing T, Gao H, Li H, Dong F, Zhang J, Ge P, Song P, Xu P, Zhang H, Shen C. Biomechanical properties of pedicle screw fixation augmented with allograft bone particles in osteoporotic vertebrae: different sizes and amounts. Spine J. 2019;19:1443–1452. DOI: 10.1016/j.spinee.2019.04.013.

12. Lea MA, Elmalky M, Sabou S, Siddique I, Verma R, Mohammad S. Revision pedicle screws with impaction bone grafting: a case series. J Spine Surg. 2021;7:344–353. DOI: 10.21037/jss-20-684.

13. Воробьев К.А., Божкова С.А., Тихилов Р.М., Черный А.Ж. Современные способы обработки и стерилизации аллогенных костных тканей (обзор литературы) // Травматология и ортопедия России. 2017. Т. 23. № 3. С. 134–147. [Vorobyоv KA, Bozhkova SA, Tikhilov RM, Cherny AZh. Current methods of processing and sterilization of bone allografts (review of literature). Travmatologiya i Ortopediya Rossii (Traumatology and Orthopedics of Russia). 2017;23(3):134–147]. DOI: 10.21823/2311–2905-2017-23-3-134-147.

14. Шарипов О.И., Кутин М.А., Баюклин А.В., Имаев А.А., Абдилатипов А.А., Курносов А.Б., Фомичев Д.В., Михайлов Н.И., Калинин П.Л. Применение тромбоцитарного геля для пластики ликворной фистулы основания черепа (случай из практики и обзор литературы) // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2018. Т. 82. № 1. С. 86–92. [Sharipov OI, Kutin MA, Bayukin AV, Imaev AA, Abdilatipov AA, Kurnosov AB, Fomichev DV, Mikhailov NI, Kalinin PL. The use of platelet gel for repair of a cerebrospinal fluid fistula of the skull base (a case report and literature review). Zhurnal Voprosy Neirokhirurgii Imeni N.N. Burdenko. 20188;82(1):86–92]. DOI: 10.17116/neiro201882186-92.

15. Renner SM, Lim TH, Kim WJ, Katolik L, An HS, Andersson GB. Augmentation of pedicle screw fixation strength using an injectable calcium phosphate cement as a function of injection timing and method. Spine. 2004;29:E212–E216. DOI: 10.1097/00007632-200406010-00020.

16. Polly DW Jr, Orchowski JR, Ellenbogen RG. Revision pedicle screws. Bigger, longer shims--what is best? Spine. 1998;23:1374–1379. DOI: 10.1097/00007632-199806150-00015.

17. Hong SW, Oh TH, Jeon JM, Lee YS, Kim KT. Cardiac perforation caused by bone cements as a complication of cement augmented pedicle screw fixation using the fenestrated pedicle screw: a case report. Korean J Neurotrauma. 2020;16:337–342. DOI: 10.13004/kjnt.2020.16.e33.

18. Shen FH, Hayward GM, Harris JA, Gonzalez J, Thai E, Raso J, Van Horn MR, Bucklen BS. Impaction grafting of lumbar pedicle defects: a biomechanical study of a novel technique for pedicle screw revision. J Neurosurg Spine. 2022;38:313–318. DOI: 10.3171/2022.10. SPINE22351.

19. Малыгина М.А., Боровкова Н.В., Сахарова О.М., Пономарев И.Н. Применение богатой тромбоцитами плазмы при заболеваниях и повреждениях опорно-двигательного аппарата // Трансплантология. 2017. Т. 9. № 4. С. 325–334. [Malygina MA, Borovkova NV, Sakharova OM, Ponomarev IN. The use of platelet rich plasma in diseases and injuries of the musculoskeletal system. Transplantologiya. The Russian Journal of Transplantation. 2017;9(4):325–334]. DOI: 10.23873/2074-0506-2017-9-4-325-334.

20. Ваза А.Ю., Макаров М.С., Сластинин В.В., Боровкова Н.В., Клюквин И.Ю., Похитонов Д.Ю., Пономарев И.Н. Эффективность комбинации аллогенной богатой тромбоцитами плазмы с коллагеном при лечении дефектов бедренной кости у крыс // Трансплантология. 2016. № 2. С. 36–44. [Vaza AYu, Makarov MS, Slastinin VV, Borovkova NV, Klyukvin IYu, Pokhitonov DYu, Ponomarev IN. Efficiency of allogenic platelet-rich plasmsa, combined with collagen, in rat’s humerus injury healing. Transplantologiya. The Russian Journal of Transplantation. 2016;(2):36–44].

21. Пономарев И.Н., Савотченко А.М., Бородина Е.Н., Мигулева И.Ю., Файн А.М., Боровкова Н.В. Эффективность применения тромбоцитарного и тромбоцито-лейкоцитарного концентрата в составе коллагенового трансплантата при замещении дефекта кости. Экспериментальное исследование // III конгресс ОРТОБИОЛОГИЯ 2022 «От исследования к клинической практике»: сб. тезисов конференции (Москва, 15–16 апреля 2022 г.) / под ред. М.А. Страхова. Воронеж, 2022. С. 174–176. [Ponomarev IN, Savotchenko AM, Borodina EN, Miguleva IYu, Fain AM, Borovkova NV. The effectiveness of the use of platelet and platelet-leukocyte concentrate as part of a collagen graft in replacing a bone defect. Experimental study. In: From research to clinical practice: Abstracts of the 3rd Congress of ORTHOBIOLOGY 2022 (Moscow, 15–16 April 2022), ed. by M.A. Strakhov. Voronezh, 2022:174–176].

22. Кирилова И.А., Фомичев Н.Г., Подорожная В.Т., Этитейн Ю.В. Сочетанное использование остеопластики и обогащенной тромбоцитами плазмы в травматологии и ортопедии (обзор литературы) // Травматология и ортопедия России. 2008. № 3 (49). С. 63–67. [Kirilova IA, Fomichev NG, Podorozhnaya VT, Etitein YuV. The combined use of osteoplasty and platelet-rich plasma in traumatology and orthopedics (literature review). Travmatologiya i Ortopediya Rossii (Traumatology and Orthopedics of Russia. 2008;(3):63–67].

23. Бывальцев В.А., Калинин А.А., Оконешникова А.К., Сатардинова Э.Е. Анализ клинической эффективности применения PRP-терапии при лечении пациентов с изолированным фасеточным синдромом поясничного отдела позвоночника // Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2019. Т. 119. № 11. С. 27–31. [Byvaltsev VA, Kalinin AA, Okoneshnikova AK, Satardinova EE. Analysis of the clinical efficacy of platelet-rich plasma therapy in the treatment of patients with isolated facet-syndrome of the lumbar spine. Zhurnal Nevrologii i Psikhiatrii imeni S.S. Korsakova. 2019;119(11):27–31]. DOI: 10.17116/jnevro201911911127.

24. Oyama T, Nishimoto S, Tsugawa T, Shimizu F. Efficacy of platelet-rich plasma in alveolar bone grafting. J Oral Maxillofac Surg. 2004;62:555–558. DOI: 10.1016/j.joms.2003.08.023.

25. Самодай В.Г., Брехов В.Л., Гайдуков В.Е. Использование богатой тромбоцитами аутоплазмы (БОТП) в хирургическом лечении дефектов костной ткани с нарушением непрерывности кости // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2007. Т. 6. № 2. С. 493–495. [Samoday VG, Brekhov VL, Gaydukov VE. The use of platelet-rich autoplasma (PRP) in the surgical treatment of bone tissue defects with bone discontinuity // System analysis and management in biomedical systems. 2007;6(2):493–495].