Influence of endoprosthesis wear on periprosthetic biology

Abstract

The release of wear particles from hip endoprosthesis with metal-on-metal (MoM) bearing remains a clinical problem in hip arthroplasty. Bearing components of MoM-endoprosthesis consist of a cobalt-chromium-molybdenum (CoCrMo) alloy. Exposure to metallic wear products is related to multiple adverse effects. Most dominant local effects are pseudotumor formation and aseptic osteolysis, which leads to early implant loosening and represents the most prevalent indication for revision surgery. Furthermore, acute neurotoxic and cardiotoxic effects were described for patients who exhibit elevated systemic Co-levels. The first aim of the study was the assessment of local metal exposure. The second aim was isolating mesenchymal stromal cells (MSCs) from bone marrow (BM) of in vivo exposed patients and evaluating these cells regarding there viability, proliferation and differentiation capacity in vitro. MSCs are the precursors of rather short-lived mineralizing osteoblasts and therefore important for balanced bone homeostasis. The third aim was evaluating the functionality of MSCs from non-exposed patients following in vitro treatment with Cr(III) and/or Co(II) in relevant concentrations. The underlying hypothesis was that patients with MoM-endoprosthesis are locally exposed to Cr and Co and this exposure affects the functionality of MSCs. Graphite furnace atomic absorption spectroscopy was used to determine metal levels in periprosthetic tissue, synovial fluid and BM samples, which were collected during revision surgery of patients, who exhibited at least on osteolytic lesion. Exposure assessment demonstrated that the patients are not only exposed to particulate but also to dissociated metals. Dissociated Cr and Co were detected in all local compartments including BM. MSCs were isolated from BM of exposed patients and compared to sex and age matched non-exposed patients. In vivo exposed cells neither reveal differences in viability, proliferation, migration nor in their capacity for chondrogenic or adipogenic differentiation. However, the cells reveal an impaired capacity for osteogenic differentiation, which was quantified by diminished matrix mineralization and diminished cellular alkaline phosphatase (ALP) activity. In vitro treatment of MSCs from non-exposed patients with dissociated Cr(III) and Co(II), in non- cytotoxic but clinically relevant concentrations, confirmed these findings. Impaired osteogenesis of MSCs is most likely one important element in the pathogenesis of osteolysis. The results are potentially conferrable to other relevant exposure scenarios, like the corrosion of taper joints in modular hip implants. In preclinical testing of implant materials, not only the biocompatibility of the bulk-materials, but also the kinetics and dynamics of possible wear and corrosion products, should be evaluated to ensure maximum patient safety.

Die Freisetzung von Abriebpartikeln aus Hüftendoprothesen mit einer Metall- Metall-Gleitpaarung (MoM) ist ein klinisches Problem in der Hüftendoprothetik. Die Gleitpaarungskomponenten von MoM-Endoprothesen bestehen aus einer Cobalt- Chrom-Molybdän Legierung (CoCrMo). Die Exposition gegenüber metallischen Abriebprodukten ist mit einer Vielzahl von adversen Effekten assoziiert. Dominante lokale Effekte sind Pseudotumorformationen und aseptische Osteolysen, die zu einer frühzeitigen Lockerung führen und damit die häufigste Indikation zur Revision von MoM-Endoprothesen darstellen. Des Weiteren wurden akute neurotoxische und kardiotoxische Effekte bei erhöhten systemischen Co- Spiegeln beschrieben. Das erste Ziel der Arbeit war die Bestimmung der lokalen Metallexposition. Das zweite Ziel war es mesenchymale Stromazellen (MSCs) aus dem Knochenmark (KM) von in vivo belasteten Patienten zu isolieren und in vitro hinsichtlich ihrer Viabilität, Proliferation und ihres Differenzierungspotentials zu untersuchen. MSCs sind Vorläuferzellen von kurzlebigen matrixmineralisierenden Osteoblasten und damit wichtig für die vitale Knochenhomöostase. Das dritte Ziel war es, MSCs von unbelasteten Patienten in vitro gegenüber relevanten Mengen Cr(III) und/oder Co(II) auszusetzten und ebenfalls hinsichtlich ihrer Funktionalität zu untersuchen. Die zugrundeliegende Hypothese war, dass Patienten mit MoM-Gleitpaarung lokal gegenüber Cr und Co exponiert sind und sich diese Exposition auf die Funktionalität von MSCs auswirkt. Für die Bestimmung der lokalen Metallspiegel, mittels Graphitrohr-Atomabsorptions-spektrometrie, wurde periprothetisches Gewebe, Synovialflüssigkeit und KM während der Revisionsoperation von Patienten mit mindestens einer osteolytischen Läsion entnommen. Die Expositionsbestimmung zeigte, dass Patienten mit MoM- Gleitpaarung sowohl gegenüber partikulärem, als auch gegenüber dissoziiertem Cr und Co exponiert sind. Dissoziiertes Cr und Co wurde in allen lokalen Kompartimenten, inklusive des KM, nachgewiesen. MSCs wurden aus dem KM der belasteten Patienten isoliert und mit MSCs von alters- und geschlechts- korrelierten unbelasteten Patienten verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass in vivo exponierte Zellen nicht in ihrer Viabilität, Proliferation, Migrationskapazität und in Ihrem Potential zur chondrogenen und adipogenen Differenzierung eingeschränkt sind. Sie wiesen jedoch ein geringeres osteogenes Potential auf, welches durch eine signifikant verminderte Matrixmineralisierung und erniedrigter zellulärer Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) nachgewiesen wurde. Die in vitro Behandlung von MSCs unbelasteter Patienten mit dissoziiertem Cr(III) und Co(II), in nicht zytotoxischen jedoch klinisch relevanten Konzentrationen, bestätigte diese Ergebnisse. Die beeinträchtigte Osteogenese von MSCs ist sehr wahrscheinlich ein weiterer wichtiger Bestandteil der Pathogenese von Osteolysen. Die erzielten Ergebnisse lassen sich möglicherweise auch auf andere Expositionszenarien, wie die Korrosion von Konussteckverbindungen bei modularen Hüftendoprothesen, übertragen. Um maximale Patientensicherheit zu gewährleisten, sollte bei der präklinischen Testung von Implantatmaterialien nicht nur die Biokompatibilität der Bulk-Materialien, sondern auch die Kinetik und Dynamik von möglichen Abrieb- und Korrosionsprodukten evaluiert werden.