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Langzeitrisiken von Implantaten

Metalle aus Endoprothesen können sich im Knochen ablagern

Synchrotron-Röntgenfluoreszenzanalysen
von humanen Knochen- und Knochenmark-Biopsien 

Berlin, 11.08.2020 Eine Forschungsgruppe der Charité – Universitätsmedizin Berlin konnte mithilfe 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.

Bevor man sich eine Prothese einsetzen lässt, sollte man überprüfen, ob es Alternativen zur OP gibt. Zum Beispiel die Biokinematik.

Der Arzt Claus Becker aus Badenweiler praktiziert die Biokinematik seit vielen Jahren. In Bad Krozingen gibt es die Klinik für Biokinematik.

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, so genannte 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. 

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

Originalpublikation
Julius Wolff Institut für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration

Lässt sich kaputter Knorpel kurieren?

Medizinische Fakultät ehrt Orthopädin und Unfallchirurgin Eva Johanna Kubosch mit „Sabine-von-Kleist-Habilitationspreis“

Das Foto zeigt Dr. Eva Johanna Kubosch vom Universitätsklinikum Freiburg,
Foto: Universitätsklinikum Freiburg

Die Arthrose ist die häufigste aller Gelenkerkrankungen und weltweit die Hauptursache für chronische Schmerzen und Behinderungen. Privatdozentin (PD) Dr. Eva Johanna Kubosch vom Universitätsklinikum Freiburg ist für ihre Habilitationsschrift mit dem „Sabine-von-Kleist-Habilitationspreis“ ausgezeichnet worden. „Ich habe untersucht, welchen Einfluss Entzündungen auf den Knorpelabbau haben und ob sich Stammzellen, die aus der Gelenkschleimhaut gewonnen werden, positiv auf das Stoffwechselgleichgewicht im Gelenk auswirken“, erläutert Kubosch. Ziel ihrer Arbeit war es, den Einsatz knorpelregenerativer Methoden zu verbessern. Seit 2014 schreibt das Gleichstellungsbüro der Medizinischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität den mit 10.000 Euro dotierten Preis für Nachwuchswissenschaftlerinnen aus. Die Namensgeberin des Preises, Prof. Dr. Sabine von Kleist, hatte die Professur für Immunbiologie an der Universität Freiburg inne und war von 1987 bis 1989 die erste Prodekanin und Dekanin der Medizinischen Fakultät.

Kubosch untersuchte, wie erfolgreich die so genannte matrixinduzierte Chondrogenese, ein biologisch basiertes Operationsverfahren mit Stammzellen zum Wiederaufbau geschädigten Sprunggelenksknorpels, ist. Das Verfahren stellte sich als sichere und vielversprechende Therapie bei Sprunggelenksverletzungen dar. „Klinische Ergebnisse und Daten der Magnetresonanztomographie bestätigten dies“, sagt die Freiburger Ärztin. Zudem habe es sich auch bei der Linderung von Schmerzen bewährt. In einem weiteren Schritt beleuchtete Kubosch den Einfluss von Entzündungsmediatoren – das sind körpereigene Stoffe, die eine Entzündungsreaktion im Gelenk einleiten oder aufrechterhalten – auf den Abbau von Knorpel.  Dafür übertrug sie Erkenntnisse aus einer Analyse bei Patientinnen und Patienten mit akuten bakteriellen Entzündungen auf ein 3D-Gewebemodell für Gelenkinfektionen. „So konnte nachgewiesen werden, dass Knorpelzellen einen entzündungshemmenden Effekt haben, der mit einer erhöhten Widerstandfähigkeit gegen Infekte und einem höheren Lebendzellanteil von Stammzellen in der Gelenkschleimhaut einhergeht“, erläutert Kubosch. Bei Gelenkentzündungen entstehe häufig ein Teufelskreis: Der Knorpel wird geschädigt, wodurch sich der entzündungshemmende Effekt der Knorpelzellen verringert – und die Zerstörung des Gelenks weiter fortschreitet.

Anhand dieser Ergebnisse ergab sich die Frage, ob solche „Gelenk-nahen“ Stammzellen auch bei der Aufrechterhaltung des Stoffwechselgleich-gewichtes im Gelenk eine entscheidende Rolle spielen können. Dafür hat Kubosch Stammzellen aus der Gelenkschleimhaut untersucht und herausgefunden, „dass diese Stammzellen ein hohes Potential bei der Knorpelbildung aufweisen und damit möglicherweise besser zur Knorpelregeneration geeignet sind als ausdifferenzierte Zellen des menschlichen Gelenkknorpels“. Zudem wies sie nach, dass Entzündungen eine Schädigung des Gelenks verursachen können. „Weitere Studien müssen nun zeigen, inwiefern Stammzellen sich positiv auf vorhandene Gelenkschäden auswirken können und inwieweit sie für die zellbasierte Knorpelregeneration geeignet sind.“

PD Dr. Eva Johanna Kubosch studierte an den Universitäten Göttingen und Freiburg Humanmedizin. Sie wurde an der Albert-Ludwigs-Universität unter der Betreuung von Prof. Dr. Norbert Südkamp und Prof. Dr. Philipp Niemeyer promoviert und ist seit 2010 – seit 2016 als Fachärztin – in der Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie tätig. Im Oktober 2018 habilitierte sie sich für die Fächer Orthopädie und Unfallchirurgie.

Originalveröffentlichung:
Kubosch, Eva Johanna (2018): Der Einfluss proinflammatorischer Zytokine auf die Knorpeldegradation: Die Rolle von Synoviozyten für die Gelenkhomöostase und mögliche Ansätze für das Knorpel Tissue Engineering. Freiburg.