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Metallfreisetzung aus Endoprothesen Was die künstliche Hüfte im Gewebe hinterlässt

| Autor / Redakteur: Manuela Zingl* / Christian Lüttmann

Implantate bringen Lebensqualität zurück. Um die Endoprothesen möglichst sicher zu gestalten, müssen nicht nur die Ausgangsmaterialien geprüft werden, sondern auch etwaige Verschleißprodukte. So zeigt eine aktuelle Untersuchung von Forschern der Charité Berlin, wo sich durch Verschleiß freigesetzte Metallpartikel und -ionen aus den Prothesen im umliegenden Gewebe anlagern.

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Räumlich hochaufgelöste Synchrotron-Röntgenfluoreszenzanalysen von humanen Knochen- und Knochenmark-Biopsien zeigen die spezifischen Verteilungsmuster von Metallen (Kobalt, Chrom und Titan), die aus Legierungen von Endoprothesen freigesetzt werden.
Räumlich hochaufgelöste Synchrotron-Röntgenfluoreszenzanalysen von humanen Knochen- und Knochenmark-Biopsien zeigen die spezifischen Verteilungsmuster von Metallen (Kobalt, Chrom und Titan), die aus Legierungen von Endoprothesen freigesetzt werden.
(Bild: Naujok/ Charité)

Berlin – Sport oder auch einfach nur das Spazierengehen an der Frischen Luft sind gesund und auch Teil eines aktiven Lebensstils. Doch durch Krankheiten oder Verletzungen, oder einfach mit dem voranschreitenden Alter, können Gelenkprobleme an Knie und Hüfte die Bewegungsfreiheit massiv einschränken.

Hier können moderne Endoprothesen helfen. Sie sollen Patienten mit chronisch degenerativen Gelenkerkrankungen schmerzfreie Bewegung ermöglichen und so ihre Lebensqualität deutlich verbessern. Für solchen künstlichen Gelenkersatz werden Materialien mit verschiedenen Metallverbindungen verwendet, um eine mechanische Stabilität des Implantats möglichst lange zu gewährleisten. Entscheidend für den langfristigen Erfolg einer Endoprothese ist jedoch eine stabile Integration in das umliegende Knochengewebe.

Frühere Arbeiten zur Implantat-Stabilität belegten, dass es an den Reibungsflächen zu einem Abrieb von Metallen kommen kann. Diese Metallrückstände können dazu führen, dass sich der umliegende Knochen zurückbildet und sich somit die Implantate frühzeitig lockern können. Allerdings wurde eine mögliche ständige Freisetzung von Metallen aus anderen Teilen der Prothese bisher außer Acht gelassen.

Prothesen sind weniger gut abgekapselt als angenommen

Wie sich die räumliche Verteilung und lokale Toxikokinetik von freigesetzten metallischen Verschleiß- und Korrosionsprodukten im umliegenden Knochengewebe darstellt, hat nun ein Forscherteam der Charité Berlin untersucht. Die Gruppe um Dr. Sven Geißler am Julius-Wolff-Institut für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration nutzte dazu ein spezielles, Synchrotron-basiertes Röntgenfluoreszenz-Bildgebungssystem.

„Mit unserer Arbeit zeigen wir zum ersten Mal, dass sowohl partikuläre als auch gelöste Metalle, die aus Endoprothesen stammen, im umliegenden Knochen und im Knochenmark in überphysiologischen Konzentrationen vorhanden sind“, sagt Geißler. „Die kollagenhaltige Schicht, die nach der Operation das Implantat verkapselt, isoliert dieses somit nicht in dem Ausmaß vom menschlichen Gewebe wie bisher angenommen.“

Kobalt, Chrom und Titan im Gewebe kartiert

Die Forscher untersuchten winzige Knochenproben von 14 Patienten, bei denen ein Hüft- oder Kniegelenk ersetzt werden musste. Sie nutzten hierfür die Röntgenfluoreszenzanalyse, um die elementare Zusammensetzung der Proben qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Diese Technik gestattet Einblicke hinsichtlich Konzentration, Verteilung, Lokalisierung und Anreicherung von metallischen Abbauprodukten wie Kobalt, Chrom oder Titan im angrenzenden Knochen und im Knochenmark.

Die notwendige sehr reine und fokussierte Röntgenstrahlung hoher Intensität wurde durch die Synchrotronstrahlungsquelle des Teilchenbeschleunigers der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) im französischen Grenoble erreicht und erlaubt eine weltweit einmalige Ortsauflösung von bis zu 30 Nanometer.

Implantate sicherer machen

Aus den Ergebnissen könnten sich neue Wege entwickeln lassen, um Implantate sicherer zu machen. „Unsere Studie leistet einen wesentlichen Betrag zur Verbesserung der Risiko-Nutzen-Bewertung von Medizinprodukten und zeigt, dass diese nicht nur Biokompatibilitätstests von Ausgangsmaterialien, sondern auch von deren späteren Verschleiß- und Korrosionsprodukten umfassen sollte. Auf diese Weise tragen die aktuellen Daten entscheidend dazu bei, die Implantatsicherheit auf dem höchstmöglichen Niveau zu halten“, resümiert Geißler.

Basierend auf den Erkenntnissen sollen in nachfolgenden Untersuchungen die biologischen Konsequenzen der Metallfreisetzung im Knochen und Knochenmark erforscht werden. Zugleich werden neue Ansätze entwickelt, die eine zuverlässige präklinische Testung von Implantatmaterialien in humanen Zellen und im Labor gezüchteten Geweben erlauben.

Originalpublikation: Janosch Schoon, Bernhard Hesse, Anastasia Rakow, Melanie J. Ort, Adrien Lagrange, Dorit Jacobi, Annika Winter, Katrin Huesker, Simon Reinke, Marine Cotte, Remi Tucoulou, Uwe Marx, Carsten Perka, Georg N. Duda, Sven Geissler: Metal‐Specific Biomaterial Accumulation in Human Peri‐Implant Bone and Bone Marrow, Advanced Science, 03 August 2020; DOI: 10.1002/advs.202000412

* M. Zingl, Charite Neuropathologie, 10117 Berlin

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