Hüft-Endoprothesen: Freigesetzte Metalle aus dem Abrieb verhindern, dass sich Knochengewebe erneuert

Dr. Ingrid Horn

Interessenkonflikte

11. Juli 2016

Hüft-Endoprothesen aus Cobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen haben gegenüber Prothesen aus Keramik oder Metall-Polyethylen 2 große Nachteile: den Metallabrieb und die vergleichsweise hohen Revisionsraten, oftmals bedingt durch Osteolyse. Beides kann zusammenhängen, wie Anastasia Rakow vom Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie (CMSC) der Charite und ihre Kollegen in Biomaterials berichten [1]. Aus dem Metallabrieb freigesetztes Cobalt und Chrom scheinen die Regeneration des Knochengewebes zu bremsen.

 
Die Stammzellen verlieren offensichtlich die Fähigkeit, sich in Osteoblasten zu differenzieren. Anastasia Rakow und Kollegen
 

Für die Metal-on-metal(MoM)-Gleitpaarungen haben die Berliner Ärzte und Wissenschaftler nachgewiesen, dass sowohl Cobalt als auch Chrom die mesenchymalen Stammzellen (MSC) direkt angreift. „Sie verlieren dabei offensichtlich die Fähigkeit, sich in Osteoblasten zu differenzieren“, konstatieren die Autoren anhand ihrer detaillierten Zellkultur-Analysen.

Warnhinweise ernst nehmen

„Wie alle Warnhinweise zum Einsatz von Endoprothesen mit MoM-Gleitpaarungen müssen auch die Erkenntnisse aus der vorliegenden Studie sehr ernst genommen werden“, äußert Prof. Dr. Heiko Reichel, Ärztlicher Direktor der Orthopädischen Universitätsklinik am RKU in Ulm, gegenüber Medscape. Nicht zuletzt wegen solcher Hinweise sei die Verwendung von MoM-Hüften als Hüftoberflächenersatz in Deutschland seit 2005 drastisch gesunken, so Reichel weiter. 2012 lag der Anteil dieser sogenannten Kappenprothesen nur noch bei 0,5% aller Hüft-Endoprothesen. Das waren laut Bundesverband Medizintechnologie deutschlandweit lediglich 1.005 Implantate. Am RKU selbst werden seit 2006 überhaupt keine MoM-Hüften mehr implantiert.

Auf der anderen Seite sollen Hüft-Endoprothesen immer länger halten. „Für den langfristigen Erfolg müssen wir die biologischen Auswirkungen der implantierten Materialien, vor allem der Metalle, noch besser verstehen“, erklärt Prof. Dr. Carsten Perka, Ärztlicher Direktor des CMSC und Mitautor den Hintergrund der Studie. Die Metalle werden nämlich auch anderweitig in Hüftprothesen verbaut.

Cobalt und Chrom breiten sich im Implantatumfeld aus

Zu den Folgen eines Metallabriebs bei MoM-Prothesen gehört die aspetische Osteolyse, die durch eine gestörte Balance zwischen Knochenbildung und Knochenresorption verursacht wird. Rakow und ihre Kollegen konzentrierten sich daher auf die im Knochenmark angesiedelten menschenymalen Stammzellen (MSC), aus denen die eher kurzlebigen Osteoblasten hervorgehen.

 
Für den langfristigen Erfolg müssen wir die biologischen Auswirkungen der implantierten Materialien, vor allem der Metalle, noch besser verstehen. Prof. Dr. Carsten Perka
 

Wie sie feststellten, breiten sich Co und Cr – gebunden in den Metallpartikeln und auch frei vorkommend – im Umfeld des Implantates aus. Der Nachweis erfolgte über die Synovialflüssigkeit (SF), das periprosthetische Gewebe (PT), das Knochenmark (BM) sowie das Blut von 18 Patienten, bei denen das MoM-Implantat ersetzt werden musste. „Der Gesamtgehalt von Co und Cr im Gewebe war um ein Vielfaches höher als im Blut und im periprosthetischen Gewebe höher als in der Synovialflüssigkeit“, schreiben die Autoren. Außerdem stellten sie enorm hohe Mengen an freigesetztem Co und Cr im Blut sowie in PT, SF und BM fest. Offenbar, so ihre Schlussfolgerung, werden die Abriebpartikel durch Korrosion und durch Makrophagen abgebaut, so dass Co und Cr direkt Einfluss auf umliegende Zellen nehmen und sich bis ins Knochenmark verbreiten können.

Mineralisierung der Knochenmatrix gestört

Die Berliner Wissenschaftler wiesen nach, dass Stammzellen von Patienten, bei denen eine MoM-Prothese ersetzt werden musste, nicht mehr in der Lage waren, sich zu vollständig funktionierenden Osteoblasten zu entwickeln. Im Vergleich zu MSC von Patienten, denen erstmals eine Hüftprothese implantiert werden musste (Kontroll-MSC), konnten die MoM-MSC die Knochenmatrix nicht mehr ausreichend mineralisieren. Auch die Aktivität der Alkalischen Phosphatase (ALP), die beim Mineralisierungsprozess eine Schlüsselrolle spielt, war bei MoM-MSC signifikant herabgesetzt.

 
Der Gesamtgehalt von Co und Cr im Gewebe war um ein Vielfaches höher als im Blut und im periprosthetischen Gewebe höher als in der Synovialflüssigkeit. Anastasia Rakow und Kollegen
 

Auch In-vitro-Versuche sprechen dafür, dass für die beobachteten In-vivo-Effekte des Metallabriebs dissoziiertes Co bzw. Cr verantwortlich sind. Hierfür setzten Rakow und ihre Kollegen Kontroll-MSC Konzentrationen von Co(II) und Cr(III) – allein oder kombiniert – aus, wie sie in den untersuchten Kompartimenten nachgewiesen worden waren. Bei 10 mg/l, was den Spitzenwerten für dissoziiertes Co und Cr in PT und SF entspricht, waren die Zellen nach 7 Tagen Exposition signifikant weniger lebens- und vermehrungsfähig als Zellen in einem Milieu mit niedrigerem oder ohne Metallgehalt.

Auch die ALP-Aktivität war signifikant herabgesetzt, ebenso nach 12 Tagen die Fähigkeit zur Matrix-Mineralisierung. Hierzu genügte bereits eine Metall-Konzentration von 1 mg/l, bei der das Proliferationsvermögen noch nicht beeinträchtigt war und die repräsentativ für die Konzentration im Knochenmark ist.

CoCrMo-Legierungen: Risiken bei anderen Prothesen?

„Die klinische Bedeutung der experimentellen Beobachtungen wird unterstrichen durch die Erfahrungen von Chirurgen, die an dieser Studie beteiligt waren“, schreiben die Autoren. So seien Berichte häufig, dass der Knochen um das zu entfernende MoM-Implantat brüchig oder weich gewesen sei, was für eine nicht-mineralisierte Matrix spreche.

Trotz des zurückgegangenen Einsatzes von MoM-Implantaten und Alternativen wie Keramik-Materialien sehen Rakow und Mitautoren Handlungsbedarf. CoCrMo-Legierungen finden nämlich auch bei den modularen Konus-Steckverbindungen der heute als Gold-Standard geltenden Metall-Polyethylen-Prothesen Verwendung. Angesichts der von den Metallabrieben ausgehenden Risiken sollte der Einsatz von CoCrMo-Legierungen bei mechanisch belasteten Gelenkoberflächen und bei Konus-Verbindungen weiter kritisch hinterfragt werden und medizinisch gut begründet sein.

 

REFERENZEN:

1. Rakow A, et al: Biomaterials 2016;98:30-41

 

Kommentar

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