Cervical spine fractures in osteopetrosis: a case report and review of the literature

Abstract

While management of appendicular fractures has been well described in the setting of osteopetrosis, there is limited information on managing fractures of the axial spine. Here we present an osteopetrotic patient with multiple traumatic multiple, comminuted, unstable cervical spinal fractures managed with non-operative stabilization, and provide a review of the pathophysiology, genetic characteristics, and special considerations that must be explored when determining operative versus non-operative management of spinal injury in osteopetrosis. A PubMed query was performed for English articles in the literature published up to June 2016, and used the following search terms alone and in combination: "osteopetrosis", "spine", "fractures", "osteoclasts", and "operative management". Within four months after initial injury, treatment with halo vest allowed for adequate healing. The patient was asymptomatic with cervical spine dynamic radiographs confirming stability at four months. On four-year follow up examination, the patient remained without neck pain, and CT scan demonstrated partially sclerotic fracture lines with appropriate anatomical alignment. In conclusion, external halo stabilization may be an effective option for treatment of multiple unstable acute traumatic cervical spine fractures in patients with osteopetrosis. Given the challenge of surgical stabilization in osteopetrosis, further research is necessary to elucidate the optimal form of treatment in this select patient population.

Keywords

osteopetrosis / spine / fractures / osteoclasts / operative management

References

[1] Albers-Schonberg H. Roentgenbilder einer seltenen Knochennerkrankung[J]. Munch Med Wochenschr, 1904, 5: 365–368.

[2] Bollerslev J, Mosekilde  L. Autosomal dominant osteopetrosis[J]. Clin Orthop Relat Res, 1993, Sep(294): 45–51

[3] Marks SCJr. Osteopetrosis in the toothless (t1) rat: presence of osteoclasts but failure to respond to parathyroid extract or to be cured by infusion of spleen or bone marrow cells from normal littermates[J]. Am J Anat, 1977, 149(2): 289–297

[4] Marks SCJr, MacKay  CA, Seifert MF. The osteopetrotic rabbit: skeletal cytology and ultrastructure[J]. Am J Anat, 1987, 178(3): 300–307

[5] Szappanos L, Szepesi  K, Thomázy V. Spondylolysis in osteopetrosis[J]. J Bone Joint Surg Br, 1988, 70(3): 428–430

[6] Stark Z, Savarirayan  R. Osteopetrosis[J]. Orphanet J Rare Dis, 2009, 4: 5

[7] Bar-Shavit Z. The osteoclast: a multinucleated, hematopoietic-origin, bone-resorbing osteoimmune cell[J]. J Cell Biochem, 2007, 102(5): 1130–1139

[8] Anand JS. Osteopetrosis (Albers-Schonberg's Disease). Report of three cases in one sibship[J]. Indian J Pediatr, 1966, 33(221): 177–81.

[9] Westerlund LE, Blanco  JS, Chhabra A. Posterior spinal instrumentation and fusion of a neuromuscular scoliosis in a patient with autosomal dominant osteopetrosis[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2000, 25(2): 265–267

[10] Mohapatra B, Kishen  T, Diwan AD. Multiple lumbar pedicle fractures in osteopetrosis: a case report[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2010, 35(8): E311–E315

[11] Tolar J, Teitelbaum  SL, Orchard PJ. Osteopetrosis[J]. N Engl J Med, 2004, 351(27): 2839–2849

[12] Duong LT, Lakkakorpi  P, Nakamura I, Integrins and signaling in osteoclast function[J]. Matrix Biol, 2000, 19(2): 97–105

[13] Miyauchi A, Alvarez  J, Greenfield EM, Recognition of osteopontin and related peptides by an alpha v beta 3 integrin stimulates immediate cell signals in osteoclasts[J]. J Biol Chem, 1991, 266(30): 20369–20374

[14] Sly WS, Hewett-Emmett  D, Whyte MP, Carbonic anhydraseⅡdeficiency identified as the primary defect in the autosomal recessive syndrome of osteopetrosis with renal tubular acidosis and cerebral calcification[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 1983, 80(9): 2752–2756

[15] Silver IA, Murrills  RJ, Etherington DJ. Microelectrode studies on the acid microenvironment beneath adherent macrophages and osteoclasts[J]. Exp Cell Res, 1988, 175(2): 266–276

[16] Schlesinger PH, Blair  HC, Teitelbaum SL, Characterization of the osteoclast ruffled border chloride channel and its role in bone resorption[J]. J Biol Chem, 1997, 272(30): 18636–18643

[17] Landa J, Margolis  N, Di Cesare P. Orthopaedic management of the patient with osteopetrosis[J]. J Am Acad Orthop Surg, 2007, 15(11): 654–662

[18] Blair HC. How the osteoclast degrades bone[J]. Bioessays, 1998, 20(10): 837–846

[19] Sit C, Agrawal  K, Fogelman I, Osteopetrosis: radiological & radionuclide imaging[J]. Indian J Nucl Med, 2015, 30(1): 55–58

[20] Bénichou OD,  Laredo JD,  de Vernejoul MC. TypeⅡautosomal dominant osteopetrosis (Albers-Schönberg disease): clinical and radiological manifestations in 42 patients[J]. Bone, 2000, 26(1): 87–93

[21] Waguespack SG, Hui  SL, Dimeglio LA, Autosomal dominant osteopetrosis: clinical severity and natural history of 94 subjects with a chloride channel 7 gene mutation[J]. J Clin Endocrinol Metab, 2007, 92(3): 771–778

[22] Bollerslev J, Henriksen  K, Nielsen MF, Autosomal dominant osteopetrosis revisited: lessons from recent studies[J]. Eur J Endocrinol, 2013, 169(2): R39–R57

[23] Kovanlikaya A, Loro  ML, Gilsanz V. Pathogenesis of osteosclerosis in autosomal dominant osteopetrosis[J]. AJR Am J Roentgenol, 1997, 168(4): 929–932

[24] Casden AM, Jaffe  FF, Kastenbaum DM, Osteoarthritis associated with osteopetrosis treated by total knee arthroplasty. Report of a case[J]. Clin Orthop Relat Res, 1989, (247): 202–207

[25] de Palma L, Tulli  A, Maccauro G, Fracture callus in osteopetrosis[J]. Clin Orthop Relat Res, 1994, (308): 85–89

[26] Bollerslev J, Andersen  PE Jr. Fracture patterns in two types of autosomal-dominant osteopetrosis[J]. Acta Orthop Scand, 1989, 60(1): 110–112

[27] Sobacchi C, Schulz  A, Coxon FP, Osteopetrosis: genetics, treatment and new insights into osteoclast function[J]. Nat Rev Endocrinol, 2013, 9(9): 522–536

[28] de Vernejoul MC,  Kornak U. Heritable sclerosing bone disorders: presentation and new molecular mechanisms[J]. Ann N Y Acad Sci, 2010, 1192: 269–277

[29] Perdu B, Van Hul  W. Sclerosing bone disorders: too much of a good thing[J]. Crit Rev Eukaryot Gene Expr, 2010, 20(3): 195–212

[30] Villa A, Guerrini  MM, Cassani B, Infantile malignant, autosomal recessive osteopetrosis: the rich and the poor[J]. Calcif Tissue Int, 2009, 84(1): 1–12

[31] Askmyr MK, Fasth  A, Richter J. Towards a better understanding and new therapeutics of osteopetrosis[J]. Br J Haematol, 2008, 140(6): 597–609

[32] Mellis DJ, Itzstein  C, Helfrich MH, The skeleton: a multi-functional complex organ: the role of key signalling pathways in osteoclast differentiation and in bone resorption[J]. J Endocrinol, 2011, 211(2): 131–143

[33] Leisle L, Ludwig  CF, Wagner FA, ClC-7 is a slowly voltage-gated 2Cl(-)/1H(+)-exchanger and requires Ostm1 for transport activity[J]. EMBO J, 2011, 30(11): 2140–2152

[34] Tabata K, Matsunaga  K, Sakane A, Rubicon and PLEKHM1 negatively regulate the endocytic/autophagic pathway via a novel Rab7-binding domain[J]. Mol Biol Cell, 2010, 21(23): 4162–4172

[35] Ye S, Fowler  TW, Pavlos NJ, LIS1 regulates osteoclast formation and function through its interactions with dynein/dynactin and Plekhm1[J]. PLoS One, 2011, 6(11): e27285

[36] Aker M, Rouvinski  A, Hashavia S, An SNX10 mutation causes malignant osteopetrosis of infancy[J]. J Med Genet, 2012, 49(4): 221–226

[37] Mégarbané A,  Pangrazio A,  Villa A, Homozygous stop mutation in the SNX10 gene in a consanguineous Iraqi boy with osteopetrosis and corpus callosum hypoplasia[J]. Eur J Med Genet, 2013, 56(1): 32–35

[38] Lacey DL, Timms  E, Tan HL, Osteoprotegerin ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation[J]. Cell, 1998, 93(2): 165–176

[39] Nakagawa N, Kinosaki  M, Yamaguchi K, RANK is the essential signaling receptor for osteoclast differentiation factor in osteoclastogenesis[J]. Biochem Biophys Res Commun, 1998, 253(2): 395–400

[40] Takayanagi H. New developments in osteoimmunology[J]. Nat Genet, 2012, 8(11): 684–689

[41] Frattini A, Orchard  PJ, Sobacchi C, Defects in TCIRG1 subunit of the vacuolar proton pump are responsible for a subset of human autosomal recessive osteopetrosis[J]. Nat Genet, 2000, 25(3): 343–346

[42] Sobacchi C, Frattini  A, Orchard P, The mutational spectrum of human malignant autosomal recessive osteopetrosis[J]. Hum Mol Genet, 2001, 10(17): 1767–1773

[43] Frattini A, Pangrazio  A, Susani L, Chloride channel ClCN7 mutations are responsible for severe recessive, dominant, and intermediate osteopetrosis[J]. J Bone Miner Res, 2003, 18(10): 1740–1747

[44] Pangrazio A, Pusch  M, Caldana E, Molecular and clinical heterogeneity in CLCN7-dependent osteopetrosis: report of 20 novel mutations[J]. Hum Mutat, 2010, 31(1): E1071–E1080

[45] Susani L, Pangrazio  A, Sobacchi C, TCIRG1-dependent recessive osteopetrosis: mutation analysis, functional identification of the splicing defects, and in vitro rescue by U1 snRNA[J]. Hum Mutat, 2004, 24(3): 225–235

[46] Pangrazio A, Caldana  ME, Lo Iacono N, Autosomal recessive osteopetrosis: report of 41 novel mutations in the TCIRG1 gene and diagnostic implications[J]. Osteoporos Int, 2012, 23(11): 2713–2718

[47] Jilka RL, Rogers  JI, Khalifah RG, Carbonic anhydrase isozymes of osteoclasts and erythrocytes of osteopetrotic microphthalmic mice[J]. Bone, 1985, 6(6): 445–449

[48] Coudert AE, de Vernejoul  MC, Muraca M, Osteopetrosis and its relevance for the discovery of new functions associated with the skeleton[J]. Int J Endocrinol, 2015, 2015: 372156

[49] Del Fattore A,  Cappariello A,  Teti A. Genetics, pathogenesis and complications of osteopetrosis[J]. Bone, 2008, 42(1): 19–29

[50] Van Wesenbeeck L,  Cleiren E,  Gram J, Six novel missense mutations in the LDL receptor-related protein 5 (LRP5) gene in different conditions with an increased bone density[J]. Am J Hum Genet, 2003, 72(3): 763–771

[51] Del Fattore A,  Peruzzi B,  Rucci N, Clinical, genetic, and cellular analysis of 49 osteopetrotic patients: implications for diagnosis and treatment[J]. J Med Genet, 2006, 43(4): 315–325

[52] Sobacchi C, Villa A, Schulz A, CLCN7-Related Osteopetrosis[M/OL]//Adam MP, Ardinger HH, Pagon RA, et al. GeneReviews®. Seattle: University of Washington, 1993-2017. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1127.

[53] Johnston CCJr, Lavy  N, Lord T, Osteopetrosis. A clinical, genetic, metabolic, and morphologic study of the dominantly inherited, benign form[J]. Medicine (Baltimore), 1968, 47(2): 149–167

[54] Bollerslev J. Osteopetrosis. A genetic and epidemiological study[J]. Clin Genet, 1987, 31(2): 86–90

[55] Waguespack SG, Koller  DL, White KE, Chloride channel 7 (ClCN7) gene mutations and autosomal dominant osteopetrosis, typeⅡ[J]. J Bone Miner Res, 2003, 18(8): 1513–1518

[56] McCleary L, Rovit  RL, Murali R. Case report: myelopathy secondary to congenital osteopetrosis of the cervical spine[J]. Neurosurgery, 1987, 20(3): 487–489

[57] Bollerslev J, Andersen  PE Jr. Radiological, biochemical and hereditary evidence of two types of autosomal dominant osteopetrosis[J]. Bone, 1988, 9(1): 7–13

[58] Beighton P, Horan  F, Hamersma H. A review of the osteopetroses[J]. Postgrad Med J, 1977, 53(622): 507–516

[59] Kovacs CS, Lambert  RG, Lavoie GJ, Centrifugal osteopetrosis: appendicular sclerosis with relative sparing of the vertebrae[J]. Skeletal Radiol, 1995, 24(1): 27–29

[60] Fish RM. Osteopetrosis in trauma[J]. J Emerg Med, 1983, 1(2): 125–131

[61] Soultanis KC, Payatakes  AH, Chouliaras VT, Rare causes of scoliosis and spine deformity: experience and particular features[J]. Scoliosis, 2007, 2: 15

[62] Cadosch D, Gautschi  OP, Brockamp T, Osteopetrosis--a challenge for the orthopaedic surgeon[J]. S Afr J Surg , 2009, 47(4): 131–133

[63] Farfán MA, Olarte  CM, Pesantez RF, Recommendations for fracture management in patients with osteopetrosis:  case report[J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2015, 135(3): 351–356

[64] Amit S, Shehkar  A, Vivek M, Fixation of subtrochanteric fractures in two patients with osteopetrosis using a distal femoral locking compression plate of the contralateral side[J]. Eur J Trauma Emerg Surg, 2010, 36(3): 263–269

[65] Bhargava A, Vagela  M, Lennox CME. “Challenges in the management of fractures in osteopetrosis”! Review of literature and technical tips learned from long-term management of seven patients[J]. Injury, 2009, 40(11): 1167–1171

[66] Martin RP, Deane RH, Collett V. Spondylolysis in children who have osteopetrosis[J]. J Bone Joint Surg Am, 1997, 79(11): 1685–1689.

[67] Suzuki S, Awaya  G. Stress fracture of the vertebral arch in osteopetrosis[J]. Clin Orthop Relat Res, 1986, Dec(213): 232–236

[68] Stark Z, Savarirayan  R. Osteopetrosis[J]. Orphanet J Rare Dis, 2009, 4: 5

[69] Shapiro F. Osteopetrosis. Current clinical considerations[J]. Clin Orthop Relat Res, 1993, Sep(294): 34–44

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 2018 by the Journal of Biomedical Research.