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Freisetzung von Ionen aus Implantaten mit Metall-Metall-Gleitpaarung
Implantate, bei denen sowohl Kugelkopf als auch Gelenkpfanne aus Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen bestehen, sogenannte Metall-Metall-Gleitpaarungen, können im menschlichen Körper unter Belastung Metallionen freisetzen. Rückbildungen des Knochens, Osteolysen genannt, sind beobachtet worden. Einige Implantathersteller haben Produkte dieser Art bereits vom Markt genommen. Ärzte und Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des DRK Klinikums Westend konnten jetzt nachweisen, dass eine Freisetzung von Chrom und Kobalt zum implantatnahen Knochenverlust beiträgt. Wie im aktuellen Fachmagazin Biomaterials* veröffentlicht ist, schädigen Metallionen die Vorläufer knochenaufbauender Zellen.
Die Implantation eines künstlichen Hüftgelenks gilt als „Operation des Jahrhunderts“. In Deutschland werden jährlich etwa 220.000 dieser Eingriffe durchgeführt. Die Mehrzahl von ihnen verläuft zufriedenstellend, zahlreiche Patienten erlangen weitgehende Schmerz- und Bewegungsfreiheit zurück. Heute werden in der Regel Implantate mit Metall-Polyethylen- oder Keramik-Keramik-Gleitpaarung eingesetzt. Bei Implantaten mit Metall-Metall-Paarung sind vermehrt Knochenrückbildungen festgestellt worden, was eine frühzeitige Wechseloperation erfordert.
Die Berliner Wissenschaftler haben jetzt Veränderungen in gelenknahem Gewebe, in der Gelenkflüssigkeit und im Knochenmark analysiert, die durch eine Chrom- und Kobaltbelastung ausgelöst werden. Dabei hat sich gezeigt, dass nicht nur Abriebpartikel, sondern auch gelöste Metalle eine entscheidende Rolle bei der Gesamtbelastung spielen. Die gelösten Bestandteile erreichen das Knochenmark und schädigen dort die Vorläuferzellen von knochenmineralisierenden Osteoblasten, sogenannten mesenchymalen Stammzellen (MSCs). Die Studie verdeutlicht, dass MSCs, die aus dem Knochenmark von metallbelasteten Patienten isoliert wurden, ihr Potential zur Differenzierung zu Osteoblasten und somit zum Knochenaufbau vollständig eingebüßt haben. Diesen Effekt konnten die Forscher anhand von Zellkulturen unbelasteter Patienten bestätigen, indem sie relevante Mengen gelösten Chroms und Cobalts in der Zellkultur aussetzten, mit identischem Resultat.
„Wir konnten zeigen, dass die Bestimmung der lokalen Metallbelastung entscheidend dazu beiträgt, biologische Konsequenzen der Metallabriebprodukte zu verstehen und als mögliche Ursachen des Versagens einer Endoprothese zu identifizieren“, sagt Anastasia Rakow, Ärztin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der Charité. Janosch Schoon, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Julius Wolff Institut und Mitglied der Gesellschaft für Toxikologie, ergänzt: „Die Freisetzung von Abrieb- und Korrosionsprodukten hat unseren Untersuchungen zufolge mehrere Ursachen. Neben den Materialeigenschaften spielen auch biomechanische und anatomische Gegebenheiten des einzelnen Patienten eine zentrale Rolle. Deshalb benötigen wir systematische Ansätze, um die tatsächliche Belastung durch die in der Endoprothetik eingesetzten Metalle abschätzen zu können.“
Tatsache ist: Gelenkprothesen halten immer länger. Auch treten Komplikationen wie die sogenannte aseptische Lockerung inzwischen deutlich seltener auf. „Für den langfristigen Erfolg einer Prothese über 15 Jahre hinaus müssen wir die biologischen Auswirkungen der implantierten Materialien, vor allem der Metalle, noch besser verstehen“, erklärt Prof. Dr. Carsten Perka, Ärztlicher Direktor des Centrums für Muskuloskeletale Chirurgie. „Unser Bestreben ist es daher, die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Medizinern, Toxikologen und Biologen am Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Medizin noch weiter voranzubringen.“ Das Fazit der aktuellen Studie: Risiken, die von Metall-Metall-Gleitpaarungen ausgehen, übersteigen deren Nutzen. Ihr Einsatz sollte auf das medizinisch begründbare Maß begrenzt bleiben, folgern die Forscher. Langfristiges Ziel der Charité-Wissenschaftler ist es, mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse zukünftige Endoprothesendesigns und -materialien zu optimieren und somit zu bestmöglicher Patientensicherheit beizutragen.
*Anastasia Rakow, Janosch Schoon, Anke Dienelt, Thilo John, Martin Textor, Georg Duda, Carsten Perka, Frank Schulze, Andrea Ode. Influence of particulate and dissociated metal-on-metal hip endoprosthesis wear on mesenchymal stromal cells in vivo and in vitro. Biomaterials 2016; 98: 31-40. doi:10.1016/j.biomaterials.2016.04.023. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296121630134X
Kontakt:
Prof. Dr. Carsten Perka
Ärztlicher Direktor des Centrums für Muskuloskeletale Chirurgie
Charité - Universitätsmedizin Berlin
t: +49 30 450 515 062
E-Mail: carsten.perka@charite.de
http://www.charite.de
http://cmsc.charite.de/
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