Vybrané aspekty patologie kloubních náhrad vyplývající z jejich materiálového složení

MUDr. Martin HOBZA

Doctoral thesis

Selected aspects of joint replacement pathology originating from the implant materials

Anotácia:

Materiálové složení totální endoprotézy určuje nejen její mechanické vlastnosti a odolnost vůči námaze, ale podněcuje i spektrum reakcí lidského těla na daný implantát. Zánětlivá reakce na produkty endoprotézy vedoucí k jejímu uvolnění z kostního lůžka je nejčastější příčinou pozdního selhání. Na reakci se podílí jak složky vrozené imunity, které dominují ve formě granulačního zánětu kolem částic polyetylenu, tak i složky získané imunity, zejména zprostředkované T-lymfocyty kolem částic kovů. Snahou ortopeda i výrobců je poskytnout pacientovi implantát s co nejdelší životností, tedy takový, který by co nejméně produkoval otěrové a korozivní částice a indukoval tak minimální zánětlivé změny. Tato práce je rozdělena na experimentální část, která popisuje vývoj bezkontaktního měření otěru polyetylenové jamky a na klinickou část obsahující dvě na sebe navazující studie. V první jsme nejprve měřili koncentrace kovů v periprotetických tkáních, výpotku a periferní krvi pacientů, kterým byla prováděna revize endoprotézy. V navazující studii byla v souběhu se stanovením koncentrace kovů v periprotetických tkáních provedena jejich histopatologická analýza. V experimentální části jsme vyvinuli a otestovali novou metodu měření otěru polyetylenové jamky pomocí 3D optického skeneru na souboru 13 extrahovaných jamek Bicon. V klinické praxi je známý vztah rychlosti otěru polyetylenu k riziku aseptického uvolnění a snahou je tedy tento otěr minimalizovat. Optické skenování poskytuje rychlé měření a možnost následné práce s digitálním modelem jamky v rámci postprocessingu. Díky digitalizaci je možné během jednoho skenování zhodnotit jak vektor a míru lineární decentrace, tak i objemový otěr jamky. Metoda byla validována srovnáním s gravimetrií u 3 nových jamek, na kterých byl laboratorně proveden zátěžový otěr v kyvadlovém simulátoru, opakovatelnost měření přitom dosáhla hodnoty 0,005 mm. V první studii klinické části jsme měřili koncentrace kovů v periprotetických tkáních, výpotku a periferní krvi v souboru 117 pacientů odebraných při revizi TEP kyčle nebo kolene s artikulačními páry kov-polyetylen a keramika-polyetylen. Periprotetické tkáně byly odebírány ve 2 vrstvách, první těsně naléhající na endoprotézu a druhé vzdálenější od implantátu. Koncentrace kovů byla stanovena pomocí hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem. Nejvyšších koncentrací dosahovaly kovy v periprotetických tkáních ve vrstvě blíže implantátu, naopak v krvi k akumulaci nedocházelo. Koncentrace kovů vzrůstala s délkou nošení endoprotézy v těle a nejvyšší byla u uvolněných implantátů. Tkáně se tedy postupně nasycují kovy z endoprotézy v závislosti na délce expozice a vzdálenosti od implantátu. Ty, které naléhají na implantát, představují jakousi ochrannou bariéru, která chrání pacienta před zvýšenou systémovou zátěží těžkými kovy. Ve druhé studii byla provedena histopatologická analýza periprotetických tkání souběžně s určením koncentrací jednotlivých kovů ve stejných tkáních. Soubor tvořilo 24 pacientů s revidovanou TEP kyčle nebo kolene s artikulačními páry kov-polyetylen nebo keramika-polyetylen. Součástí hodnocení bylo i určení typu periprotetické membrány dle Krenna ve vztahu k typu implantátu, indikace revize a délce expozice. U časných revizí byla naměřena nízká koncentrace kovů v periprotetických tkáních a převažovala membrána IV. typu dle Krenna s nízkým buněčným zastoupením, naopak po delším pobytu implantátu v těle byly naměřeny vyšší koncentrace kovů a typ membrány dle Krenna nebyl určující, stejně jako rozdíly v typu implantátu. Souběžně s koncentrací kovů a délkou expozice narůstal po

Anotácia:

čet lymfocytů v periprotetické membráně, z čehož můžeme usuzovat na zvyšující se podíl specifické imunitní reakce. Tato práce upozorňuje na skutečnost, že problém kovů se netýká jen endoprotéz typu kov-kov, ale i ostatních artikulačních párů. Z našich výsledků vyplývá, že i při studiu aseptického uvolnění bude nutné zaměřit pozornost na reakci tkání na kovy.

Abstract:

Material composition of total joint replacement determines not only its mechanical stress resistance but the spectre of human body response as well. Inflammatory reaction to prosthetic byproducts leading to its loosening from bone bed is the most common reason for late failure. The reaction is mediated by innate immunity, dominated by granulation around polyethylene particles and adaptive immunity, mediated by T-lymphocyte reaction around metal particles. Both orthopaedic surgeon and manufacturer try to offer an implant with best longevity, i.e. which would produce least amount of wear and corrosive particles that induce inflammatory changes. This thesis is divided into experimental part, which describes a development of contactless wear measurement of polyethylene cup and a clinical part consisting of two following studies. In the first study, we measured metal concentration in periprosthetic tissues, joint fluid and peripheral blood of patients undergoing endoprosthesis revision. In the following study, a histopathological examination of periprosthetic tissues was made in addition to their metal content measurement. In the experimental study, we developed and tested a new method of polyethylene cup wear measurement by 3D optical scanner on a group of 13 extracted Bicon cups. Accelerated wear of polyethylene is known to increase the risk of aseptic loosening and there is therefore a tendency to minimize it. Optical scanning provides a fast measurement and gives us opportunity of further postprocessing work with the digital model. Through digitisation, it is possible to assess vector and distance of linear wear as well as volumetric wear during one scanning session. The method was validated by comparison with gravimetric method on 3 new cups, on which a laboratory wear has been induced by a pendulum simulator. Repeatibility of the method was 0.005 mm. In the first clinical study, we measured metal concentration in periprosthetic tissues, joint fluid and peripheral blood in group of 117 patients during revision of total hip or knee replacement with metal-on-polyethylene or ceramic-on-polyethylene bearings. Periprosthetic tissues were divided in two layers, one in direct contact with the implant and the second further apart. Metal content was measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. Tissues adjacent to endoprosthesis achieved the highest metal concentrations, whereas peripheral blood did not accumulate metals. Concentration has been rising with time from implantation and the highest levels were measured around loosened implants. The accumulation of tissue metals is therefore dependent on length of exposition and distance from the implant. In our group these tissues acted as a barrier for prevention from further systemic dissemination of metals. In the second study, concentration of different metals has been compared to histopathological findings in group of 24 patients during revision of total hip or knee replacement with metal-on-polyethylene or ceramic-on-polyethylene bearings. A membrane type according to Krenn in relation to implant type, revision indication and length of exposition has been included in the analysis. In early revisions a low metal concentration in periprosthetic tissues and a low cellular count was found with mostly type IV membrane according to Krenn. A higher concentration of metals was found in late revisions, but the type of membrane was not determining. Type of tissue reaction did not correlate with specific implant type. Along with rising metal concentrations in longer exposition a rising tissue lymphocyte count was found, which is indicating of specific immunity participation. This thesis draws attention to the fact, that the issue of metals is not restricted only to metal-on-metal endoprosthesis and other bearing types are involved.

Kľúčové slová

totální endoprotéza, aseptické uvolnění, otěr, polyetylen, kovy, lymfocyty, histopatologie

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 19. 5. 2020

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 23. 6. 2020
• Vedúci: prof. MUDr. Jiří Gallo, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / odbor:
Surgery / Surgery