Metalen van gewrichtsimplantaten kunnen zich ophopen in botweefsel

Met behulp van zeer complexe analytische technieken kon een groep onderzoekers uit Charité Universitätsmedizin Berlin in detail observeren hoe hoe verschillende metalen uit gewrichtsimplantaten vrijkomen en  zich ophopen in de omringende botweefsels. Bevindingen lieten een gestage afgifte van metalen uit verschillende implantaat componenten zien. In tegenstelling tot eerdere aannames is dit niet gerelateerd aan de mate van mechanische belasting. De bevindingen van de onderzoekers, die zijn gepubliceerd in Advanced Science, kunnen helpen bij het optimaliseren van de materialen die in implantaten worden gebruikt en het verbeteren van hun veiligheid.

Moderne gewrichtsimplantaten herstellen de pijnloze mobiliteit van patiënten met chronische degeneratieve gewrichtsaandoening, waardoor hun levenskwaliteit verbetert. Om mechanische stabiliteit op lange termijn te garanderen, worden kunstmatig verbindingen gemaakt van legeringen die een reeks verschillende metalen bevatten. Een cruciale factor bij het bepalen van de lange termijn effectiviteit van een implantaat is echter de penetratie in het omringende botweefsel. Eerdere studies naar implantaat stabiliteit laten zien dat de wrijving tussen de scharnierende oppervlakken (draagvlakken) kan leiden tot de vorming van metaalafval. Dit afval kan leiden tot osteolyse – de vernietiging van bot rond het implantaat – wat kan leiden tot vroegtijdig loskomen van het implantaat. De mogelijkheid van een gestaag vrijkomen van metaal van andere delen van de prothese had tot nu toe niet veel aandacht gekregen.

Een groep onderzoekers onder leiding van Dr. Sven Geißler van Charité’s Julius Wolff Instituut voor Biomechanica en Musculoskeletale Regeneratie en BIH Centrum voor Regeneratieve Therapieën heeft nu het ruimtelijke distributie en lokale toxicokinetiek van metaalslijtage en corrosie bestudeerd in het omringend botweefsel. Voor hun gedetailleerde analyse, gebruikten de onderzoekers een unieke synchrotron gebaseerde röntgenfoto fluorescentie beeldvorming setup. “Ons werk heeft ons in staat gesteld om voor het eerst te laten zien dat zowel deeltjes als opgeloste metalen vrijgekomen uit  artroplastiek implantaten aanwezig zijn in het omringend bot en botmerg op suprafysiologische niveaus,” zegt Dr. Geißler.” De collageenrijke laag die het implantaat inkapselt na een operatie scheidt deze metalen niet van het menselijk weefsel zoals eerder verondersteld.”

De onderzoekers verzamelden minuscule bot- en beenmerg monsters van 14 patiënten die een heup- of knie artroplastiek hadden ondergaan. De onderzoekers bepaalden vervolgens de kwalitatieve en kwantitatieve samenstelling van de monsters met behulp van een techniek die bekend is als röntgenfluorescentie. Deze techniek geeft unieke inzichten in de concentratie, distributie, locatie en ophoping van metalen afbraakproducten zoals kobalt, chroom of titanium in aangrenzend bot en beenmerg. De extreem heldere en intensief gefocuste röntgenbundel die nodig was, werd bereikt door de synchrotron stralingsbron bij de European Synchrotron Radiation Faciliteit (ESRF). De ESRF, die is gevestigd in Grenoble, Frankrijk.  Het is de enige deeltjesversneller ter wereld die een ruimtelijke resolutie biedt  tot 30 nanometer. De prestaties van de onderzoekers samenvattend zegt de hoofdauteur, Dr. Janosch Schoon: “Ons werk behandelt een kwestie van enorme klinische relevantie met een zeer complexe experimentele opstelling.”

“Onze studie heeft een grote bijdrage geleverd aan de verbetering van de risico-baten analyse van medische hulpmiddelen. Het heeft aangetoond dat deze evaluaties niet alleen biocompatibiliteitstesten van onbewerkte materialen moeten omvatten; integendeel moeten zulke testen zich ook uitstrekken over slijtage- en corrosieproducten. De gegevens van deze studie zullen helpen om de implantaat veiligheid op het hoogst mogelijk niveau te houden,” legt Dr. Geißler uit.

Op basis van hun bevindingen zijn de wetenschappers van plan aanvullende onderzoeken uit te voeren om de biologische gevolgen te onderzoeken van metaal afgifte op botten en beenmerg. Terzelfdertijd zullen de onderzoekers nieuwe benaderingen ontwikkelen die het betrouwbaar preklinisch testen van implantaat materialen met zowel menselijke cellen als geconstrueerde weefsels zullen vergemakkelijken.

Vertaling: A. Teirlinck