Autologous bone marrow aspirate concentrate in the treatment of early-stage avascular necrosis of the femoral head

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: The use of bone marrow aspirate concentrate in the treatment of avascular necrosis improves outcomes and may delay or prevent joint replacement. However, the method of preparation of bone marrow aspirate concentrate determines both the cellular composition and treatment outcomes.

AIM: This study aimed to assess the efficacy and safety of a novel method for obtaining bone marrow aspirate concentrate for the treatment of early-stage avascular necrosis of the femoral head (ANFH).

METHODS: The study included 35 patients (64 hip joints) with ARCO stage II–IIIA ANFH. Treatment at the N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics involved core decompression combined with administration of bone marrow aspirate concentrate obtained using an original method. The follow-up period was 12 months. Functional outcomes (HHS, WOMAC), pain (VAS), quality of life (SF-36), and ANFH stage and activity (MRI of both joints ≥1.5 T before and 3, 6, and 12 months after treatment; CT before and 6 and 12 months after treatment) were assessed.

RESULTS: The proposed method significantly increased cell yield in the bone marrow aspirate concentrate after centrifugation compared to native bone marrow. Following treatment, HHS and WOMAC scores improved significantly, as did pain intensity according to VAS. Progression from stage II to IIIA by ARCO was observed in 4 hips (4 patients), and from stage IIIA to IIIB by ARCO in 5 hips (4 patients). After 12 months, the necrotic lesion size remained stable in all joints. Total hip arthroplasty was required in 4 patients (5 hips; 7.7% of all joints).

CONCLUSION: The proposed method for obtaining bone marrow aspirate concentrate enables the injection of the desired amount of cells into the femoral head, restoring normal cellular composition. The efficacy of bone marrow aspirate concentrate has been demonstrated in early-stage avascular necrosis of the femoral head (ARCO stage II), which was observed in the majority of patients in our cohort.

About the authors

Alina R. Baikova

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: alinazakirova30@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-8986-7272
SPIN-code: 3382-2346

MD

Russian Federation, 10 Priorova st, Moscow, 127299

Alexander N. Torgashin

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Author for correspondence.
Email: alexander.torgashin@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2789-6172
SPIN-code: 8749-3890

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 10 Priorova st, Moscow, 127299

Sergey A. Rodionov

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: rodionov_085@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4785-2940
SPIN-code: 6861-3133

MD

Russian Federation, 10 Priorova st, Moscow, 127299

Svetlana S. Rodionova

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: rod06@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-2726-8758
SPIN-code: 3529-8052

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, 10 Priorova st, Moscow, 127299

References

  1. Mont MA, Cherian JJ, Sierra RJ, Jones LC, Lieberman JR. Nontraumatic osteonecrosis of the femoral head: Where do we stand today? A ten-year update. J Bone Joint Surg Am. 2015;97(19):1604–1627. doi: 10.2106/jbjs.o.00071
  2. Hernigou P, Beaujean F. Treatment of osteonecrosis with autologous bone marrow grafting. Clin Orthop Relat Res. 2002;(405):14–23. doi: 10.1097/00003086-200212000-00003
  3. Torgashin AN, Rodionova SS, Shumsky AA, et al. Treatment of aseptic necrosis of the femoral head. Clinical recommendations. Scientific and practical rheumatology. 2020;58(6):637–645. (in Russ.). doi: 10.47360/1995-4484-2020-637-645
  4. Wang J, Xu P, Zhou L. Comparison of current treatment strategy for osteonecrosis of the femoral head from the perspective of cell therapy. Front Cell Dev Biol. 2023;11:995816. doi: 10.3389/fcell.2023.995816
  5. Wang X, Hu L, Wei B, Wang J, Hou D, Deng X. Regenerative therapies for femoral head necrosis in the past two decades: a systematic review and network meta-analysis. Stem Cell Res Ther. 2024;15(1):21. doi: 10.1186/s13287-024-03635-1
  6. Li J, Su P, Li J, Chen G, Xiong Y. Efficacy and Safety of Stem Cell Combination Therapy for Osteonecrosis of the Femoral Head: A Systematic Review and Meta-Analysis. J Healthc Eng. 2021;2021:9313201. doi: 10.1155/2021/9313201
  7. Pawar N, Vaish A, Vaishya R. Core decompression and bone marrow aspirate concentrate injection for Avascular Necrosis (AVN) of the femoral head: A scoping review. J Clin Orthop Trauma. 2021;24:101691. doi: 10.1016/j.jcot.2021.101691
  8. Mavrogenis AF, Karampikas V, Zikopoulos A, et al. Orthobiologics: a review. Int Orthop. 2023;47(7):1645–1662. doi: 10.1007/s00264-023-05803-z
  9. Caradonna E, Mormone E, Centritto EM, et al. Different methods of bone marrow harvesting influence cell characteristics and purity, affecting clinical outcomes. JVS Vasc Sci. 2023;4:100130. doi: 10.1016/j.jvssci.2023.100130
  10. Hegde V, Shonuga O, Ellis S, et al. A prospective comparison of 3 approved systems for autologous bone marrow concentration demonstrated nonequivalency in progenitor cell number and concentration. J Orthop Trauma. 2014;28(10):591–8. doi: 10.1097/BOT.0000000000000113
  11. Patent RUS № 2827075/ 23.09.2024. Torgashin AN, Rodionova SS, Rodionov SA, Zakirova AR. Method of producing autologous bone marrow aspirate concentrate. Available from: https://patents.google.com/patent/RU2827075C1/ru (In Russ.). EDN: JDEQRH
  12. Hauzeur JP, De Maertelaer V, Baudoux E, et al. Inefficacy of autologous bone marrow concentrate in stage three osteonecrosis: a randomized controlled double-blind trial. Int Orthop. 2018;42(7):1429–1435. doi: 10.1007/s00264-017-3650-8
  13. Cavallo C, Boffa A, de Girolamo L, et al. Bone marrow aspirate concentrate quality is affected by age and harvest site. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2023;31(6):2140–2151. doi: 10.1007/s00167-022-07153-6
  14. Hyer CF, Berlet GC, Bussewitz BW, et al. Quantitative assessment of the yield of osteoblastic connective tissue progenitors in bone marrow aspirate from the iliac crest, tibia, and calcaneus. J Bone Joint Surg Am. 2013;95(14):1312–1316. doi: 10.2106/JBJS.L.01529
  15. Davies BM, Snelling SJB, Quek L, et al. Identifying the optimum source of mesenchymal stem cells for use in knee surgery. J Orthop Res. 2017;35(9):1868–1875. doi: 10.1002/jor.23501
  16. Narbona-Carceles J, Vaquero J, Suarez-Sancho S, Forriol F, Fernandez-Santos ME. Bone marrow mesenchymal stem cell aspirates from alternative sources: is the knee as good as the iliac crest? Injury. 2014;45(Suppl 4):S42–47. doi: 10.1016/S0020-1383(14)70009-9
  17. Pierini M, Di Bella C, Dozza B, et al. The posterior iliac crest outperforms the anterior iliac crest when obtaining mesenchymal stem cells from bone marrow. J Bone Joint Surg Am. 2013;95(12):1101–1107. doi: 10.2106/JBJS.L.00429
  18. Gaul F, Bugbee WD, Hoenecke HR Jr, D’Lima DD. A Review of Commercially Available Point-of-Care Devices to Concentrate Bone Marrow for the Treatment of Osteoarthritis and Focal Cartilage Lesions. Cartilage. 2019;10(4):387–394. doi: 10.1177/1947603518768080
  19. Schäfer R, DeBaun MR, Fleck E, et al. Quantitation of progenitor cell populations and growth factors after bone marrow aspirate concentration. J Transl Med. 2019;17(1):115. doi: 10.1186/s12967-019-1866-7
  20. Hernigou P, Poignard A, Beaujean F, Rouard H. Percutaneous autologous bone-marrow grafting for nonunions. Influence of the number and concentration of progenitor cells. J Bone Joint Surg Am. 2005;87(7):1430–7. doi: 10.2106/JBJS.D.02215
  21. Mantripragada VP, Boehm C, Bova W, Briskin I, Piuzzi NS, Muschler GF. Patient Age and Cell Concentration Influence Prevalence and Concentration of Progenitors in Bone Marrow Aspirates: An Analysis of 436 Patients. J Bone Joint Surg Am. 2021 Sep 1;103(17):1628-1636. doi: 10.2106/JBJS.20.02055. PMID: 33844657
  22. Cucchiarini M, Venkatesan JK, Ekici M, Schmitt G, Madry H. Human mesenchymal stem cells overexpressing therapeutic genes: from basic science to clinical applications for articular cartilage repair. Biomed Mater Eng. 2012;22(4):197–208. doi: 10.3233/BME-2012-0709
  23. Lim YW, Kim YS, Lee JW, Kwon SY. Stem cell implantation for osteonecrosis of the femoral head. Exp Mol Med. 2013;45:e61. doi: 10.1038/emm.2013.128
  24. Li R, Lin QX, Liang XZ, et al. Stem cell therapy for treating osteonecrosis of the femoral head: From clinical applications to related basic research. Stem Cell Res Ther. 2018;9(1):291. doi: 10.1186/s13287-018-1018-7
  25. Hernigou P, Beaujean F, Lambotte JC. Decrease in the mesenchymal stem-cell pool in the proximal femur in corticosteroid-induced osteonecrosis. J Bone Joint Surg Br. 1999;81(2):349-355. doi: 10.1302/0301-620x.81b2.8818
  26. Hernigou P, Homma Y, Hernigou J, et al. Mesenchymal Stem Cell Therapy for Bone Repair of Human Hip Osteonecrosis with Bilateral Match-Control Evaluation: Impact of Tissue Source, Cell Count, Disease Stage, and Volume Size on 908 Hips. Cells. 2024;13(9):776. doi: 10.3390/cells13090776
  27. de Girolamo L, Bertolini G, Cervellin M, Sozzi G, Volpi P. Treatment of chondral defects of the knee with one step matrix-assisted technique enhanced by autologous concentrated bone marrow: in vitro characterisation of mesenchymal stem cells from iliac crest and subchondral bone. Injury. 2010;41(11):1172–7. doi: 10.1016/j.injury.2010.09.027
  28. Lana J, da Fonseca LF, Macedo RDR, et al. Platelet-rich plasma vs bone marrow aspirate concentrate: an overview of mechanisms of action and orthobiologic synergistic effects. World J Stem Cells. 2021;13(2):155–167. doi: 10.4252/wjsc.v13.i2.155
  29. Ziegler CG, Van Sloun R, Gonzalez S, et al. Characterization of Growth Factors, Cytokines, and Chemokines in Bone Marrow Concentrate and Platelet-Rich Plasma: A Prospective Analysis. Am J Sports Med. 2019;47(9):2174–2187. doi: 10.1177/0363546519832003
  30. Patent RUS № 2816790/ 05.04.2024. Torgashin AN, Rodionova SS, Zakirova AR. Method of treating aseptic necrosis of femoral head using osteotropic and vascular therapy in combination with tunnelling of lesions and introduction of autologous bone marrow concentrate. Available from: https://patents.google.com/patent/RU2816790C1/ru (In Russ.). EDN: FBJZOI

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Surgical table with consumables required for bone marrow aspiration and concentrate preparation.

Download (217KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Bone marrow aspiration technique: a, marking the bony landmarks of the posterior iliac crest and sacroiliac joint; b, palpation of the intervention site; c, local anesthesia; d, heparinized syringes; e, skin incision using a lancet scalpel; f, insertion of trephine biopsy needle into the bone marrow cavity of the posterior iliac crest; g, bone marrow aspiration using a 50 mL syringe; h, 100 mL of aspirated bone marrow.

Download (260KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Bone marrow aspirate concentrate preparation technique: a, transferring bone marrow into 50 mL centrifuge tubes; b, first centrifugation at 400g for 2 minutes, repeated 2 to 6 times; c, removal of erythrocyte sediment (20–25 mL); d, centrifugation at 1000g for 15 minutes; e, removal of the upper plasma layer from each tube; f, collection of the bone marrow aspirate concentrate into two 10 mL syringes

Download (116KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Median cell count in bone marrow aspirate before and after centrifugation (blue bar: before centrifugation; red bar: after centrifugation).

Download (140KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Bone marrow aspirate samples: a, before centrifugation; b, after centrifugation. Romanowsky–Giemsa stain, ×200.

Download (461KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Hip joint function assessment before and 12 months after core decompression with bone marrow aspirate concentrate according to the Harris Hip Score.

Download (84KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Hip joint function assessment before and 12 months after core decompression with bone marrow aspirate concentrate according to the WOMAC index.

Download (78KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Pain assessment using a visual analog scale before and 12 months after core decompression with bone marrow aspirate concentrate.

Download (68KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Quality of life assessment using the SF-36 before and 12 months after core decompression with bone marrow aspirate concentrate.

Download (97KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Radiographic progression of avascular necrosis of the femoral head according to the ARCO classification after treatment.

Download (99KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Total hip arthroplasty as a treatment outcome for avascular necrosis of the femoral head within 12 months after core decompression with bone marrow aspirate concentrate.

Download (93KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».