Университет в Бристол, Център за изследване на импланти в Бристол, Ортопедичен център Avon (по-ниско ниво), болница Southmead, Westbury-on-Trym, Бристол, BS10 5NB, Великобритания.

тяхната

Професор по ортопедична хирургия

Университет в Бристол, Център за изследване на импланти в Бристол, Ортопедичен център Avon (по-ниско ниво), болница Southmead, Westbury-on-Trym, Бристол, BS10 5NB, Великобритания.

Консултант старши преподавател по ортопедия с патология

Университет в Бристол, Център за изследване на импланти в Бристол, Ортопедичен център Avon (по-ниско ниво), болница Southmead, Westbury-on-Trym, Бристол, BS10 5NB, Великобритания.

Резюме

Понастоящем дълготрайните ефекти на артропластиката метал върху метал са под контрол поради потенциалните биологични ефекти от металните отломки от износване. Този преглед обобщава данните, описващи освобождаването, разпространението, усвояването, биологичната активност и потенциалната токсичност на метални отпадъци от износване, освободени от сплави, използвани в момента в съвременната ортопедия. Обсъжда се въвеждането на оценка на риска за оценка на метални сплави и тяхното използване при пациенти с артропластика и това трябва да включва потенциални вредни ефекти върху имунитета, репродукцията, бъбреците, токсичност за развитието, нервната система и канцерогенезата.

Тоталната смяна на тазобедрената става (THR) и възстановяването на артропластиката се превърнаха в едни от най-успешните избираеми хирургични процедури в съвременната медицина, възстановявайки мобилността и качеството на живот на стотици хиляди пациенти годишно. През 2004 г. само в Англия и Уелс са извършени общо 48 987 хип процедури. 1 Между 2002 и 2004 г. броят на пациентите на възраст 50 години или по-малко, получаващи първична тазобедрена става в Швеция, се е увеличил с 6,0%. 2, 3 В Канада броят на протезите на тазобедрената става при пациенти на възраст под 45 години през 2002 г. се е увеличил с 11,0% в сравнение с 1994 г. 4 Този нарастващ брой по-млади пациенти, изложени на ортопедични метални сплави (Таблица I), предизвиква загриженост относно дългосрочните биологични ефекти. 5 Популацията е редовно изложена на различни метали чрез храна, вода, професии и околната среда и потенциалният риск от излагане се оценява и формира основата на регулаторни насоки, наложени за защита на здравето на хората. Оценката на риска включва рамка за събиране на данни и оценка на тяхната достатъчност и уместност.

Тази статия има за цел да опише експозицията, поглъщането, разпространението и биологичната активност на металите, освободени от ортопедични материали. Включени са токсикологични данни относно потенциални нежелани събития след системно излагане на метали. Също така въвеждаме рамка за оценка на риска от ортопедични импланти и обсъждаме области, в които знанията ни трябва да бъдат разширени.

Извлечени от протези метални отломки

Отпадъците от износване се генерират от механично износване, корозия на повърхността или комбинация от двете и се състоят както от частици, така и от разтворими форми. 6, 7 Съединенията метал върху метал генерират приблизително 6.7 × 10 12 до 2.5 × 10 14 частици всяка година, което е 13 500 пъти повече от броя на полиетиленовите частици, произведени от типичен лагер метал върху полиетилен. 8 Независимо от това, действителното обемно износване на шарнирно съединение метал върху метал е по-ниско поради размера на наномащаба на частиците (обикновено 8 в сравнение с полиетиленовите частици, които рядко са по-малки от 0,1 μm. 9 Корозия може да възникне при всички метални повърхности, което води до образуване на защитен пасивен слой 10 - 12 или разтваряне на насипната метална сплав. 13 Кобалт (Co (II)), титан (Ti (V)), алуминий (Al (III)), желязо (FE (III)), никел (Ni (II)) и хром (Cr (III)) са открити в разтвор по време на корозията на метални сплави. 13 - 16 Въпреки доказателствата в подкрепа на освобождаването на Cr (VI) от CoCrMo (молибден) сплав, това остава противоречиво.16, 17 Продуктите от корозия се състоят предимно от метални оксиди (Cr2O3, CoO, TiO2, Al2O3 и др.) и хидроксиди (Cr (OH) 3, Co (OH) 2 и т.н.) в рамките на синовиалната среда.18 Отлагането на калциев фосфат и последващото образуване на метални фосфати (CrPO4, Co3 (PO4) 2 и др.) се случват в несиновиална среда ents. 19 Това може значително да промени биологичните и химичните свойства на свободните метални частици извън ефективното пространство на ставите.

Извлечените от протези метални продукти за износване се намират широко в синовиалната течност и околопротезните тъкани на пациенти с артропластика. 20 В следкланично е установено по-нататъшно натрупване в регионалните лимфни възли, черния дроб и далака. 21, 22 Тъй като металните частици са много малки (наномащаб), истинската степен на разпространение все още не е известна. Свободни или фагоцитирани частици на износване се транспортират в лимфната система. 21, 22 Металните отломки могат допълнително да се разпространяват през съдовата система като йони или частици. 23, 24 При професионален биомониторинг концентрациите на метали в кръвта и урината се използват като биомаркери за оценка на експозицията.

Клетъчно поемане и биологични реакции на метални отпадъци

Поглъщането на метални наночастици (31 По-големи частици (> 150 nm) може да стимулира фагоцитозата в специализирани клетки като макрофаги. 32 Веднъж вътрешно интегрирани, металните частици могат да предизвикат цитотоксичност, 33 хромозомни увреждания 34 и оксидативен стрес. 35 пасивация 14 и размер на частиците 34. Тези два фактора влияят върху разтварянето на метала от повърхността, което може да доведе до биологична активност. Доказателства за увреждане на клетките, като неправилни клетъчни мембрани и разширени митохондрии, могат да бъдат предизвикани от физическите свойства на частиците 36

Местни тъканни реакции

Асептичното разхлабване и остеолиза остават основната причина за повреда на импланта, въпреки повторното въвеждане на лагери метал върху метал като алтернатива на артикулациите метал върху полиетилен. 1 При пациенти с лагери от метал върху полиетилен се смята, че асептичното разхлабване се дължи на реакцията на макрофагите към остатъците от износване на частици. За разлика от това, частиците от лагерите метал върху метал имат ограничен капацитет да активират макрофагите и могат да причинят остеолиза чрез някаква имунологична реакция, включваща свръхчувствителност. 55, 56 Моделът на възпаление в околопротезната тъкан на хлабави артикулации метал върху метал е значително различен от този на артикулациите метал върху полиетилен и се характеризира с периваскуларна инфилтрация на лимфоцити и натрупване на плазмени клетки. 57 Експериментални данни показват, че ортопедичните метали предизвикват имунологични ефекти, които поддържат клетъчно-медиирана реакция на свръхчувствителност. 58

Системна токсикология

Информацията относно токсичността, предизвикана от метали, се основава на ограничен брой епидемиологични и експериментални проучвания, включващи инвитро и in vivo модели. За съжаление, има малко налични данни за системните ефекти на метала при пациенти с артропластика. Понастоящем са документирани следните токсични реакции:

Кръвта.

Както A1, така и Cr (VI) могат да предизвикат промени в стойностите на хемоглобина и хематокрита, които са свързани със способността им да нарушават клетъчното използване на желязо. 59, 60 При бъбречни пациенти ефектът от нарушен клирънс на А1 е свързан с развитието на микроцитна анемия. 61 Не е установен значителен ефект на Ni (II) in vivo, макар че инвитро докладвани са окислителни ефекти, предимно липидна пероксидация, при високи концентрации. 62

Имунната система.

Металите модулират дейностите на имунокомпетентните клетки чрез различни имуностимулиращи или имуносупресивни механизми. По отношение на ортопедичните метални йони, ефектите обикновено включват променена функция на Т-клетки, В-клетки и макрофаги, модифицирано освобождаване на цитокини, образуване на имуногенни съединения и директна имунотоксичност. Значително намаляване на циркулиращите лимфоцити, по-специално CD8 + Т-клетки, е наблюдавано при пациенти с артикулации метал върху метал, въпреки че това не формира линейна корелация с концентрациите на серумни метали. 63 Въпреки това беше установена прагова стойност от 5 ppb комбинирани Co и Cr, при която не се наблюдава значително намаляване. Съобщава се за обратна корелация между концентрацията на Cr и броя на циркулиращите CD4 + Т-клетки и CD20 + В-клетки при пациенти с артикулации на метал върху полиетилен, докато миелоидните клетки и CD8 + Т-клетките постоянно намаляват независимо на метални нива. 64 Тези ефекти не са пресъздадени при експериментални животни, изложени на разтвори на метални сплави, въпреки че популациите на лимфоидите са значително променени. 65

Черният дроб.

Хепатоцелуларната некроза често се появява в отговор на много високи нива на метал в тялото, както се наблюдава след остро поглъщане на Cr (VI) при хора. 66 Портално възпаление и оксидативен стрес са наблюдавани след излагане на А1, 61, въпреки че патологични промени не са били очевидни при експериментални животни. 67

Бъбреците.

Cr е концентриран в епителните клетки на проксималните бъбречни тубули и може да наруши бъбречната функция, да предизвика тубулна некроза и да причини изразени интерстициални промени при експериментални животни и хора. 68, 69 Показатели за тубулна дисфункция са идентифицирани при хора, изложени на Cr (VI) чрез професия. 70 Al, Ni и Co всички бързо се екскретират през бъбреците, поради което бъбречната токсичност има тенденция да изисква значително по-големи дози.

Дихателната система.

Ефектите от излагането на Co, Ni и Cr върху дихателната система са добре документирани 71 поради честотата на професионална експозиция и включват повишена честота на астма и възпалителни състояния. Тези ефекти често се наблюдават при заварчици от неръждаема стомана, които многократно са изложени на метални изпарения, съдържащи Cr и Ni. 72 Токсичните реакции на дихателната система са до голяма степен свързани с излагането на вдишване и поради това е трудно да се екстраполират до съдов път.

Нервната система.

Няколко неврологични прояви са приписани на интоксикация А1 при хората, включително загуба на памет, дръпване, атаксия и неврофибриларна дегенерация. 61 Развитието на някои невропатологични състояния, включително амиотрофична латерална склероза, паркинсонова деменция, диализна енцефалопатия и сенилни плаки на болестта на Алцхаймер, може да бъде свързано с натрупването на А1 в мозъка. 61 А1 обикновено се свързва с промени, които могат да намалят нервната проводимост, да насърчат невроналната дегенерация и да увеличат окислителното увреждане, предизвикано от Fe. 73 Във връзка с болестта на Алцхаймер, А1 има значителни ефекти върху образуването и агрегирането на свързани протеини като β-амилоид, чиято секреция се увеличава инвитро от Co (II). 74 Оксидативният стрес може да бъде значителен за развитието и/или прогресирането на невродегенеративни нарушения, особено в отговор на Fe. 75 В мозъка на опитни животни, изложени на Cr (VI) и V (V), са идентифицирани маркери за окислително увреждане. 76, 77 Значителни промени във визуално-пространствените способности и продължителността на вниманието са наблюдавани при работници от мъжки пол със средно серумно ниво от 14,4 ppb на V в резултат на професионална експозиция. 78

Сърцето и съдовата система.

Натрупването на Co в миокарда може да предизвика кардиомиопатия, което беше особено очевидно след епизода от 1966 г. на кардиомиопатията на „пиещите бира“, по време на която Co беше използван като пеностабилизиращ агент в бирата. 79 Променена релаксация на функцията на лявата камера е очевидна при малка поредица от работници в производството на кобалт, изложени на средно 0,40 mg Co годишно -1, въпреки че липсва клинично значима сърдечна дисфункция. Смята се, че Ni и V са допринесли за промени в сърдечната функция на експериментални животни, след като е показано, че вдишването на фини частици от околната среда значително увеличава смъртността от сърдечно-съдови заболявания. 81

Мускулно-скелетната система.

Отлагането на А1 в костта възниква като последица от хронично излагане и е свързано с остеомалация, болка в костите, патологични фрактури, проксимална миопатия и неуспех да се отговори на терапията с витамин D3. 82 Ортопедичните метални частици и разтворимите метални съединения влияят неблагоприятно върху функцията на остеобластите, което от своя страна може да повлияе на ремоделирането на костите. 83

Ендокринната система.

А1, Cr (II), Co, Ni и V могат да се свържат с клетъчните естрогенни рецептори, което може да допринесе за отклоняваща се естрогенна сигнализация. 84 Ni (II), Cr (VI), A1 и Co (II) имат способността да променят производството или циркулацията на половите хормони в експериментални модели, което обикновено се дължи на директен ефект върху репродуктивните клетки, както в случая на Cr (VI). 85 Co (II) предотвратява поемането на йод в хормона тироксин чрез инхибиране на ензима тирозин йодиназа, което може да предизвика хипотиреоидизъм. 86 Професионалната експозиция в малка поредица от датски художници на керамика не е показала ефект върху нормалната функция на щитовидната жлеза въпреки доказателствата за промяна на метаболизма на щитовидната жлеза. 87 Известно е, че А1 нарушава нивата на паратиреоидния хормон, което може да обясни индуцираните от А1 костни нарушения при пациенти на диализа. 82

Зрителната и слухова системи.

A1, Co и Ni могат да причинят тежка дегенерация на ретината при високи концентрации при опитни животни. 88, 89 Наскоро се съобщава за случай на мъж, който е имал екстремно износване на главата на бедрената кост CoCrMo и повишени концентрации на Co в серума (398 μg l -1) и цереброспиналната течност (3.2 μg l -1). 90 Той страда от загуба на зрение, влошаване на слуха, изтръпване на краката и дерматит. 90

Кожата.

Металните индуцирани кожни реакции могат да включват контактен дерматит, уртикария и/или васкулит. 91 Честотата на дермалните реакции и положителното тестване на кожни пластири за Co, Ni и Cr при пациенти с тотална подмяна на ставите, със стабилни и разхлабени протези се увеличава съответно с 15% и 50% над тези на общата популация. 92

Репродуктивната система.

Хроничното излагане на Cr (VI) предизвиква множество ефекти, вредни за плодовитостта при експериментални животински модели. 93, 94 Те включват намален брой сперматозоиди, разграждане на епитела, аномалии на сперматозоидите, намален брой фоликули и яйцеклетки и увеличен брой атретични фоликули. Голямо епидемиологично проучване при работници от неръждаема стомана не открива значителна причинно-следствена връзка между излагането на Cr и намаленото качество на спермата, 95 но работниците в производството на хромен сулфат имат значителна положителна връзка между честотата на морфологично анормални сперматозоиди и нивата на Cr в кръвта. 96 Доказано е, че експозицията на Ni (II), V, A1 и Co (II) предизвиква някои ограничени репродуктивни токсични ефекти при мъжки експериментални животни, като анормална хистопатология и сперматогенеза. 97 - 100 Въпреки това, изглежда има явна липса на данни, свързани с въздействието на тези метали при женските животни.

Токсикология на развитието.

Канцерогенеза.

Установена е повишена честота на хромозомни аберации в периферните лимфоцити както на пациенти с артропластика, така и на заварчици. 108, 109 Значението на това откритие и връзката му с повишения риск от рак остава неизвестно, но има нарастващ консенсус, че индуцираното от метал увреждане на ДНК може да доведе до канцерогенеза. Професионалното излагане на метал, като например Cr, е свързано с повишен риск от рак. 110 Проучвания в Норвегия върху пациенти с THR са установили малък, но значителен излишък в честотата на хематопоетичен, рак на простатата и ендометриума и злокачествен меланом. 111, 112 Международната агенция за изследване на рака, която публикува информация за рисковете, породени от химикали за развитието на човешки рак, 113 класифицира Cr (VI) и Ni (II) като канцерогенни, метални Ni и разтворими Co като евентуално канцерогенни и метални съединения Cr, Cr (III) и имплантирани ортопедични сплави като некласифицируеми.

Заключения

Европейският орган за безопасност на храните и Световната здравна организация наскоро обсъдиха използването на оценка на риска при оценката на генотоксичните и канцерогенните вещества в храните. 114 Данни, получени от одобрени инвитро и in vivo модели и епидемиологични проучвания при хора формират основата на стандартната оценка на риска. Анализът на дозата-отговор позволява количествено определяне на нивото на неблагоприятен ефект и нивото на ниско неблагоприятно въздействие, изчислено спрямо експерименталната несигурност. Това позволява да се класифицира потенциалният човешки риск според експозицията и да се вземат информирани решения относно управлението на риска заедно с други съображения, включително социално-икономически и технически фактори.

И накрая, наложително е да продължим да подкрепяме инициативи като Шведския национален регистър на хип артропластиката и Националния съвместен регистър в Англия и Уелс, тъй като те ще дадат сложна, базирана на пациентите оценка на риска и ще предоставят възможност за непрекъснати подобрения в областта на ортопедията. Ползите от ортопедичната хирургия са доказани, но рисковете са теоретични или несигурни. Следователно всяко решение относно използването на ортопедични метални сплави, особено при артикулации, не трябва да се приема лекомислено и трябва да бъде продукт на по-нататъшни изследвания и внимателно отчитане на риска срещу полза.

Таблица I. Приблизителен процент на теглото на съставките на различни метали, използвани в ортопедични импланти. 116 Сплавни композиции са стандартизирани от Американското общество за изпитване и материали (ASTM, том 13.01)