Effecten van EMV op de beenderen

Stel, er gebeurt een ongeval op een bepaald ogenblik tijdens een voetbalwedstrijd: het scheenbeen van beide pechvogels is gebroken! Wat gebeurt er daarna?

Gelukkig voor hen zijn het eenvoudige fracturen, zonder botverschuiving. Een operatie is niet nodig. Beide pechvogels moeten wel in het gips. Ze krijgen het advies om te rusten en 6 weken met krukken te lopen.

Wat gebeurt er op de plaats van de fractuur? De genezing van een fractuur vereist een complex proces van celproliferatie en -differentiatie. Ze kan in drie belangrijke fasen worden ingedeeld:

• De ontstekingsfase is gekenmerkt door het ontstaan van een hematoom en fysicochemische fenomenen die leiden tot de migratie van de herstelcellen. Deze cellen zullen zich differentiëren in gespecialiseerde cellen die nieuw bot- (cellen die osteoblasten worden genoemd) en kraakbeenweefsel (cellen die chondroblasten worden genoemd) aanmaken.
• De herstelfase is gekenmerkt door callusvorming. De callus is samengesteld uit chondroblasten en osteoblasten die zich in de fractuur vermenigvuldigen. De oorspronkelijke callus is tamelijk week en biedt enige stevigheid aan de botstukken. Na een tijdje verkalkt deze callus en wordt het bot harder.
• De remodelleringsfase is gekenmerkt door het herstel van de normale grootte, vorm en sterkte van het gebroken bot. Dit kan maanden tot jaren duren.

Waarom? Er worden verscheidene oorzaken aangehaald voor hypertrofische non-union, zoals bijvoorbeeld instabiliteit onder het gips. Wat zijn de opties? Hoe botten doen herstellen?

Magnetische velden kunnen een rol spelen bij de callusconsolidatie! Het is niet de enige optie (een autotransplantaat, een allotransplantatie of chirurgische fixatie zijn andere opties) maar kan werken onder specifieke omstandigheden.

Verrassend? Niet noodzakelijk, als we teruggaan in het verleden en kijken naar de geschiedenis van de orthopedische traumatologie (*):

Reeds in het begin van de 19^de eeuw werden elektrische schokken toegepast bij de behandeling van pseudoartrose van het scheenbeen. De technieken zijn verbeterd en in 1861 bijvoorbeeld bestonden de stimulaties uit gelijkstromen die op de plaats van de fractuur werden toegediend door middel van naalden, maar hiervoor bestaat geen wetenschappelijke rechtvaardiging.

Tijdens de 18e en de 19e eeuw breidde de kennis over elektriciteit uit. Omdat dit het tijdperk was van de ontdekking van de eigenschappen van elektriciteit en EM-velden, waren de eerste therapeutische toepassingen van elektriciteit veeleer “magisch” dan wetenschappelijk.

Hoe kwam men op het idee om elektriciteit te gebruiken en hoe werd het onderzoek wetenschappelijker? Dit kan in drie hoofdfasen worden samengevat:

Een mechanisch belast bot (bijvoorbeeld tijdens het stappen) maakt botweefsel aan (osteogenese). Een bot dat daarentegen niet wordt belast atrofieert (bijvoorbeeld bij langdurige bedlegerigheid, een gipsverband, microzwaartekracht, …) en veroorzaakt rustosteoporose.

Parallel hebben experimenten op botten aangetoond dat de verdeling van elektrische ladingen aan beide zijden van een bot verschillen volgens de mechanische vervorming.  Dit effect was eerst vergelijkbaar met een piëzo-elektrisch effect, zoals bijvoorbeeld in droge omstandigheden waargenomen op mineralen zoals kwarts (zie afbeelding hieronder).

In 1953 stelden wetenschappers elektrische potentiaalvariaties vast aan het oppervlak van een mechanisch vervormd bot. Deze variaties komen voor tijdens de dynamische fase van de vervorming en neutraliseren wanneer de vervorming is verkregen.

In levende botten echter (vochtige omstandigheden), is het voornamelijk de migratie van ionen tijdens de mechanische vervorming die een stromingspotentiaal produceertdat verantwoordelijk is voor de elektrische potentiaalvariaties aan het oppervlak van botten.

Met deze resultaten in gedachte formuleerden een aantal auteurs de hypothese dat het aanleggen van een extern magnetisch veld zal leiden tot elektrische potentiaalvariaties aan het oppervlak van botten en de fysiologische processen zoals osteogenese zullen nabootsen.

Tegenover de vroegere “historische” therapeutische technieken (vb. elektrische stromen toegediend door middel van naalden op de plaats van de fractuur), zijn externe magnetische velden niet-invasief: ze worden aangelegd door middel van twee spoelen (zie onderstaande afbeelding).

Hierna volgen enkele proefnemingen bij dieren:

Versnelde ontwikkeling van primaire ossificatiecentra bij kippenbotten onder in-vivoblootstelling aan EM-velden (zie groter rood gebied onder stimulatie)

Bij een recente fractuur wordt de werking van externe magnetische velden gekenmerkt door een versnelde callusverharding in de eerste fasen van de genezing en de afwezigheid van periostale callus. Dit heeft evenwel geen significante invloed op de totale genezingstijd van nieuwe, recente fracturen.

Hoewel in de huidige stand van het onderzoek een iets kortere genezingstijd wordt waargenomen, volstaat dit niet voor toepassing bij de mens.
Er wordt evenwel een wijziging van het genezingsproces waargenomen en verder onderzoek om het cellulaire werkingsmechanisme van het EM-veld te verduidelijken zou de behandeling van fracturen kunnen verbeteren.
Wat kunnen onze pechvogels verwachten?

Bij hypertrofische pseudoartrose ontstaat een grote botcelproliferatie gewoonlijk door overmatige mobilisatie van de botfragmenten en is er een grote maar niet geconsolideerde botcallus. In deze omstandigheden blijkt dat een elektromagnetisch veld de genezing zou kunnen bevorderen door een versnelde maturatie van de kraakbeencallus die zijn ossificatie verbetert.

Momenteel blijkt dat met stimulaties moet worden gestart wanneer de callus reeds goed ontwikkeld is: tijdens zijn laatste genezingsfasen heeft de callus baat bij MV-stimulatie door het versnellen van de kraakbeenverbening. Een te vroeg gestarte magnetische behandeling zou kunnen leiden tot een sneller mechanisch rigide maar minder stevige callus.

Botherstel wordt beïnvloed door mechanische factoren die externe magnetische velden lijken na te bootsen.

Botstimulatie door specifieke externe magnetische velden versnelt de botweefseldifferentiatie (osteogenese). Met andere woorden: het belangrijkste effect is een versnelling van de celdifferentiatie. Dit effect wordt alleen waargenomen bij gevoelige weefsels, bijvoorbeeld, fractuurweefsels en genezende of groeiende weefsels.

Behandelingen door magnetische stimulaties zijn aangewezen bij duidelijk gedefinieerde gevallen van hypertrofische pseudoartrose en ischemische necrose.

Hinsenkamp M., Collard J.-F.
Growth factors in orthopaedic surgery: demineralized bone matrix versus recombinant bone morphogenetic proteins.
International Orthopaedics. 39(1):137-47, 2015.

Hinsenkamp M., Collard J.-F.
Bone Morphogenic Protein–mRNA upregulation after exposure to low frequency electric field. International Orthopaedics.
35(10):1577-81, 2011.

Hinsenkamp M
Effets des champs électriques et électromagnétiques sur la différenciation cellulaire et leur intérêt en chirurgie orthopédique et traumatologique.
Bulletin et mémoires de l’Académie royale de médecine de Belgique, 166(7-8-9): 307-16, 2011.

Hinsenkamp M, Collard J.-F.
Bone Morphogenic Protein–mRNA upregulation after exposure to low frequency electric field.
Int Orthop, 35(10):1577-81, 2011.

Hinsenkamp M.
Influence des facteurs physiques sur la consolidation osseuse. 
Bulletin et mémoires de l’Académie Royale de Médecine de Belgique, 151(12): 517-526, 1996.

Hinsenkamp M. Stimulation électromagnétique de l’ostéogénèse et de la consolidation des fractures. Académie Royale de Belgique, Classe des Sciences, Bruxelles, 336 pages, 1994.

Hinsenkamp M.
15 Years Experience in electromagnetic stimulation of bone growth and repair.
J. Jpn. Bioelect. Res. Soc., 8: 1-10, 1994.

Hinsenkamp M.
Clinical studies of the effects of electromagnetic fields on bone tissues.
Cost 244: Biomedical effects of electromagnetic fields. (Ed.: Simunic D.) EU. DG XII: 114-119, 1994.

Hinsenkamp M., Hauzeur J.P., Sintzoff S. Jr.
Preliminary results in electromagnetic field treatment of osteonecrosis.
Bioelectroch. Bioener., 30: 229-235, 1993.

Hinsenkamp M., Heenen M., Dierickx M., Lifschitz L.
Effects of electrical stimulation on wound healing.
Final report contract EC n ° CI1-0348-B, complementary to: CI1-0349-YU: pp. 46, 1993.

Information sur les Effets des champs sur les os en PDF (562 Ko)

• Utilisation des propriétés électromagnétiques – Comment fonctionnent nos appareils électriques? A partir des exemples décrits, nous aurons un aperçu général du fonctionnement d’appareils qui transforment l’énergie électrique en énergie thermique et/ou mécanique ou qui utilisent les propriétés de l’électrostatique et de l’électromagnétisme.
• Trajet de l’électricité – Comment fonctionne le réseau électrique? Les caractéristiques des réseaux de transport et de distribution et les principaux éléments d’un circuit électrique domestique, dont le câblage monophasé et les méthodes de protection.