Implantate: Metalle können sich im Knochen ablagern

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

Implantate: Metalle können sich im Knochen ablagern

Eine Forschungs­gruppe der Charité – Univer­si­täts­me­dizin Berlin konnte mit Hilfe hochkom­plexer Analy­se­me­thoden detail­liert nachver­folgen, wie verschiedene Metalle aus Endopro­thesen freige­setzt werden und sich im umlie­genden Knochen­gewebe anrei­chern. Auch unabhängig von mecha­ni­scher Belastung kann es – anders als bisher angenommen – aus verschie­denen Prothe­sen­teilen zu einer ständigen Freisetzung von Metallen kommen. Die im Fachma­gazin Advanced Science veröf­fent­lichen Erkennt­nisse sollen helfen, die Materialien von Implan­taten zu optimieren und ihre Sicherheit zu erhöhen.

Moderne Endopro­thesen sollen Patienten mit chronisch degene­ra­tiven Gelenk­er­kran­kungen eine schmerz­freie Beweg­lichkeit 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 Implan­tat­sta­bi­lität belegten, dass es an den Reibungs­flächen, sogenannte Gleit­paa­rungen, zu einem Abrieb von Metallen kommen kann. Diese Metall­rück­stände können zu einer Rückbildung des umlie­genden Knochens, der sogenannten Osteolyse, und somit zu einer frühzei­tigen Lockerung der Implantate führen. Aller­dings wurde eine mögliche ständige Freisetzung von Metallen aus anderen Teilen der Prothese bisher außer Acht gelassen.

Die Forschungs­gruppe um Dr. Sven Geißler am Julius-Wolff-Institut für Biome­chanik und Musku­los­keletale Regene­ration der Charité hat nun die räumliche Verteilung und lokale Toxiko­ki­netik von freige­setzten metal­li­schen Verschleiß- und Korro­si­ons­pro­dukten im umlie­genden Knochen­gewebe unter Verwendung eines einzig­ar­tigen Synchrotron-basierten Röntgen­fluo­reszenz-Bildge­bungs­systems detail­liert unter­sucht. »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 Dr. Geißler. »Die kolla­gen­haltige Schicht, die nach der Operation das Implantat verkapselt, isoliert dieses somit nicht in dem Ausmaß vom mensch­lichen Gewebe wie bisher angenommen.«

Die Forschenden unter­suchten hierfür 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 einzig­artige 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. »Im Rahmen unserer Arbeit bringen wir also eine klinisch hochr­e­le­vante Frage­stellung und einen hochkom­plexen experi­men­tellen Aufbau zusammen«, erklärt Dr. Janosch Schoon, Erstautor der Studie.

»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 Dr. 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:

Advanced Science: Schoon J et al. Metal-specific bioma­terial accumu­lation in human peri-implant bone and bone marrow. Adv Sci (2020), DOI: 10.1002/advs.202000412

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.202000412

Textquelle: Manuela Zingl, Charité – Univer­si­täts­me­dizin Berlin

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