Serumspiegel von Kobalt und Chrom nach Keramik-auf-Metall-Gelenk-Totalendoprothetik der Hüfte (CoM)

Die periprothetische Osteolyse ist mit einer aseptischen Lockerung eines totalen Hüftersatzes (THR) verbunden. Es wird davon ausgegangen, dass es sich um eine biologische Reaktion auf Verschleißpartikel handelt, wobei man davon ausgeht, dass Polyethylenabrieb die Hauptursache für den langfristigen Ausfall ist.

Da Patienten mit totalem Hüftersatz (THR) jetzt jünger, aktiver und jünger sind und eine viel längere Lebensdauer erwarten, wird ein reduzierter Lagerverschleiß immer wichtiger. Verglichen mit der Inzidenz von Verschleiß und Osteolyse bei Metall-Polyethylen-Gleitlagern zeigten die historischen Ergebnisse alternativer Gleitlager wie Metall-auf-Metall (MOM) und Keramik-auf-Keramik (COC) im Allgemeinen viel geringere Verschleißraten und Osteolyse war anscheinend ziemlich selten . Die Labor-Verschleißraten für Metall-Metall-Lager sind im Allgemeinen in den Bereich von 1–7 mm3/Million Zyklen (Mc) und 0,1–1 mm3/Mc für Einlauf- bzw. stationäre Phasen gefallen.

Keramik-auf-Keramik- und Metall-auf-Metall-Gleitflächen werden aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit häufig für den totalen Hüftersatz verwendet. Alternative Lageroberflächen wie Keramik-auf-Keramik und Metall-auf-Metall eliminieren den Polyethylenverschleiß. Es hat sich gezeigt, dass explantierte Metall-auf-Metall-Gelenkverbindungen aus einer Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung (Co-Cr-Mo) extrem geringe lineare Verschleißraten aufweisen, und Keramik-auf-Keramik-Gleitlager noch weniger. Ein Keramik-Keramik-Gelenk wurde erstmals 1970 in Frankreich implantiert. Langzeitberichte haben hervorragende klinische Ergebnisse gezeigt.

Keramik-Keramik-Gleitlager haben den Vorteil eines geringen Verschleißes und einer hohen Biokompatibilität. Tonerde-Keramik-Partikel sind im Wesentlichen in organischen Medien unlöslich und eine Ionisation ist daher unwichtig. Sie haben jedoch einige Grenzen: Sprödigkeit ist ein Hauptanliegen von Keramik, was zu klinisch relevanten Ausfallraten führen könnte (0,004 % Kopffraktur und 0,22 % Liner-Bruch). Obwohl Metall-auf-Metall (MOM)-Verbindungen als eine mögliche Lösung für die Probleme im Zusammenhang mit UHMWPE-induzierter Osteolyse angesehen wurden, geben im Serum vorhandene Metallionen und ihre potenziellen toxischen Wirkungen sowohl lokal als auch systemisch Anlass zur Sorge.

Es wird angenommen, dass eine niedrige Verschleißrate entscheidend für die Verlängerung der Implantatlebensdauer eines prothetischen Gelenks ist, und die von MOM-Gelenken erzeugten Verschleißvolumina sind schätzungsweise 40-100 Mal geringer als bei Metall-auf-Polyethylen-Gleitlagern. Der Verschleiß von MOM-Prothesen hängt bekanntermaßen stark von den Materialien, dem tribologischen Design und der Verarbeitungstechnik ab. Klinische Studien mit entfernten MOM-Hüftprothesen der ersten und zweiten Generation haben lineare Penetrationen von ungefähr 5 μm/Jahr gezeigt. Dies entspricht einem Verschleissvolumen von ca. 1 mm3/Jahr, zwei Grössenordnungen weniger als bei herkömmlichen Hüftpfannen aus Polyethylen.

Die Beobachtung, dass eine kleine Anzahl von Patienten mit MOM-Prothesen der ersten Generation nach 20 Jahren in vivo gute klinische und röntgenologische Ergebnisse zeigten, führte zur Entwicklung von MOM-Hüftprothesen der zweiten Generation, und 1988 wurde die Metasul-Prothese in die klinische Praxis eingeführt. Dieses bestand aus einem Femurkopf aus einer Kobalt-Chrom-Legierung, der auf einer Hüftgelenkpfanne aus einer Kobalt-Chrom-Legierung artikuliert ist. Bisher wurden über 200.000 Metasul-Kombinationen implantiert. Die kurzfristige klinische Leistung war ermutigend; mit geringen Verschleißraten und wenigen Prothesen, die einer Revision bedürfen. Die klinische Langzeitleistung ist jedoch noch nicht bekannt.

Obwohl MOM-Hüftprothesen deutlich niedrigere Verschleißraten als herkömmliche UHMWPE-auf-Metall-Paare und niedrigere Verschleißraten als hochvernetzte UHMWPE-auf-Metall-Hüftprothesen erzeugen, gibt es Bedenken im Zusammenhang mit diesen Lagern. Es wurde berichtet, dass Verschleißpartikel im Nanometergrößenbereich liegen, eine Größenordnung kleiner als UHMWPE-Partikel. Daher wird trotz eines geringeren Verschleißvolumens als bei UHMWPE-Lagern die Anzahl der erzeugten Partikel schätzungsweise größer sein, möglicherweise zwischen einer und zehn Millionen Partikeln pro Schritt. Diese kleinen Partikel haben das Potenzial, sich über das Lymphsystem im ganzen Körper zu verteilen, wobei Partikel in den Lymphknoten, der Leber, der Milz und dem Knochenmark gefunden werden. Da MOM-Hüftprothesen für jüngere, aktivere Patienten indiziert sind, werden diese Partikel an diesen Stellen über einen langen Zeitraum, möglicherweise 30-40 Jahre, vorhanden sein.

Es wurden Bedenken hinsichtlich der biologischen Reaktion auf Metallpartikel geäußert, die aus Metall-auf-Metall-Kopplungen freigesetzt werden. Die Spiegel von Kobalt- und Chromionen wurden im Blut und Serum von Patienten mit erfolgreicher THR gemessen, aber Informationen über die mögliche Freisetzung von Aluminium aus Keramik-Keramik-Gelenken fehlen.

Ein besseres Verständnis des Einflusses der Metallurgie und Tribologie auf den Verschleiß der Komponente und eine verbesserte Herstellungstechnologie haben die Wiedereinführung von Metall-auf-Metall-Gelenken beim totalen Hüftersatz ermöglicht. Mit der neuen Generation von Metall-auf-Metall-Komponenten wurde über hervorragende frühe klinische Ergebnisse berichtet. Rückholstudien früherer Metall-auf-Metall-Gleitlager und moderner Implantate haben eine geringe Verschleißrate gezeigt. Diese harten Auflageflächen sind besonders vielversprechend für junge und aktive Patienten. Obwohl Metall-auf-Metall-Lager erheblich weniger Verschleißpartikel erzeugen als Metall-auf-Polyethylen-Lageroberflächen, führt der erzeugte Abrieb dazu, dass der Körper Metallionen über längere Zeiträume ausgesetzt ist. Es bestehen Bedenken hinsichtlich Metallüberempfindlichkeit, Osteolyse, Chromosomenmutation, Karzinogenität und fötaler Exposition gegenüber hohen Ionenkonzentrationen. Diese Angelegenheiten erfordern weitere Untersuchungen, insbesondere die Langzeitexposition bei jüngeren Patienten und die Erkenntnis, dass einige Patienten ungewöhnlich hohe Ionenspiegel aufweisen können. Aus tribologischen Studien, Verbindungssimulationstests und klinischen Tests wurde vorgeschlagen, dass das Ausmaß des Verschleißes durch die Verwendung von Komponenten mit größerem Durchmesser mit einem hohen Kohlenstoffgehalt in der Legierung (0,2%) und einem gut eingestellten Spiel für die Komponenten verringert werden kann , bessere Sphärizität des Implantats und geringere Oberflächenrauheit.

Während die Forschung gezeigt hat, dass hohe Konzentrationen von nanometergroßen Metallabriebpartikeln für menschliche Fibroblasten und Makrophagen in vitro zytotoxisch sind, gibt es auch Bedenken hinsichtlich der Freisetzung von Metallionen aus diesen kleinen Partikeln und der potenziellen Wirkung, die diese Ionen auf Zellen und haben Gewebe. Sowohl im Blut als auch im Urin von Patienten mit metallischen Implantatkomponenten wurde über erhöhte Ionenkonzentrationen berichtet. Darüber hinaus gibt es entgegen den Erwartungen keine schlüssigen Beweise dafür, dass die Ionenkonzentrationen in vivo nach der Einbettungsperiode der MOM-Prothesen sinken, während der die Abnutzung der Prothesen höher ist. Kobalt- und Chromionen haben eine hohe Toxizität, und es gibt sehr reale Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen subletaler Dosen von Metallionen, die nachweislich DNA-Schäden verursachen. Diese Schäden treten in Form von Chromosomenaberrationen und Chromosomentranslokationen auf. Bei längerer Exposition besteht die Sorge, dass dies zur Entwicklung bestimmter Krebsarten wie Leukämie und Lymphom führt. In Tiermodellen wurden erhöhte Werte von Kobalt, Chrom und Nickel mit erhöhten Karzinomraten korreliert. Berichte in der Literatur über bösartige Erkrankungen, die sich nach einer totalen Hüft- oder Kniegelenkersatzoperation entwickeln, sind jedoch äußerst selten. Von acht epidemiologischen Studien zum relativen Krebsrisiko nach TJR befasste sich nur eine Studie speziell mit MOM-Implantaten. Diese Studie fand kein erhöhtes Krebsrisiko bei Probanden, die MOM-Hüftprothesen erhielten, im Vergleich zu denen, die Metall-auf-Polyethylen-Hüftprothesen erhielten. Alle bisherigen Studien waren jedoch in Bezug auf die Patientenzahlen, die erforderlich sind, um einen Unterschied zwischen den beiden Prothesentypen aufzuzeigen, erheblich zu schwach.

Im Blut und Urin von Patienten mit Metall-auf-Metall (MOM)-Hüftendoprothetik werden trotz des Hüftgelenksersatzes hohe Konzentrationen an Kobalt- und Chromionen nachgewiesen, auch wenn diese Elemente durch Verschleiß an den Lagerflächen freigesetzt werden. Zu den klinischen Auswirkungen erhöhter Metallionenspiegel gehören lokale Gewebereaktionen, die durch eine Zunahme von T- und B-Zellen in den die Hüfte umgebenden Geweben gekennzeichnet sind und mit einem vorzeitigen Hüftversagen einhergehen. Systemisch deutet ein Bericht auf eine verringerte Anzahl von CD8-positiven T-Zellen hin. Metallempfindlichkeit ist auch ein potenzielles Problem. Metallionen, ob sekundär durch Abrieb oder durch Korrosion erzeugt, können eine Überempfindlichkeitsreaktion auslösen. Es kann eine verzögerte zellvermittelte Reaktion oder Überempfindlichkeitsreaktion vom verzögerten Typ auftreten, bei der Zytokine von T-Lymphozyten freigesetzt werden und eine erhöhte Aktivierung von Makrophagen beobachtet wird, was zu einer T-Zell-vermittelten periprothetischen Osteolyse führen kann. Viele Metalle können eine Überempfindlichkeitsreaktion auslösen, das häufigste ist Nickel, gefolgt von Kobalt und Chrom. Daher besteht bei der gut dokumentierten Erhöhung von Kobalt- und Chromionen bei Patienten mit MOM-Hüftimplantaten ein theoretisches Risiko, Überempfindlichkeitsreaktionen zu entwickeln. Kürzlich wurde eine Immunantwort beschrieben, die ausschließlich mit MOM-Hüftprothesen der zweiten Generation assoziiert ist. Histomorphologische Veränderungen deuten auf eine Art Überempfindlichkeitsreaktion auf die Vollmetallimplantate hin. Die Überempfindlichkeitshypothese wurde weiter durch die Beobachtung gestärkt, dass diese Patienten nach 11–60 Monaten (im Mittel 29 Monate) ein frühes klinisches Versagen erlitten und die Tatsache, dass Patienten, die eine zweite MOM-Prothese erhielten, keine Linderung der Symptome erfuhren. Umgekehrt berichteten Patienten, die entweder Metall-auf-Polyethylen- oder Keramik-auf-Polyethylen-Paare erhielten, dass ihre Symptome vollständig verschwanden. Bei einer Kontrollgruppe von Patienten mit Gelenkprothesen, die kein Kobalt, Chrom oder Nickel enthielten, fehlten diese Zeichen einer immunologischen Reaktion. Berichte über diese Art von Reaktion werden immer häufiger; In diesem Bereich ist jedoch noch mehr Forschung erforderlich. Es ist nicht bekannt, ob es bei diesen Patienten zu einem Prothesenversagen aufgrund einer vorbestehenden Metallempfindlichkeit kommt, oder ob sich eine Metallempfindlichkeit aufgrund eines stark verschleißenden Lagers und erhöhter Metallionenspiegel entwickelt. Theoretisch würde es eine erhöhte Wahrscheinlichkeit geben, eine Überempfindlichkeit gegenüber erhöhten Metallionenspiegeln zu entwickeln, und daher ein erhöhtes Risiko eines Implantatversagens.

Um die Auswirkung dieser Beschränkungen, wie etwa den Bruch des Keramikeinsatzes im COM-Lager, zu verringern und die Freisetzung von Ionen im MOM-Lager zu verringern, wurde eine Hybridkupplung aus Keramik-auf-Metall vorgeschlagen. Der theoretische Vorteil dieser neuen Kopplung könnte orthopädische Chirurgen dazu veranlassen, sie wahllos einzusetzen.