Europium (Eu) und Gadolinium (GD) als potentielle Markersubstanzen zur Detektion und Quantifizierung von Polyethylen-Abrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Verschleißpartikel von Polyethylen(PE)-Komponenten, welche in der Endoprothetik häufig als künstliche Gelenkflächen verwendet werden, stellen die Hauptursache frühzeitiger Lockerungen von Endoprothesen dar. Bisher existieren nur radiologisch-basierte Verfahren, die das Ausmaß der PE-Abnutzung nur grob beurteilen können. Die Markierung der Artikulationsfläche von PE-Komponenten mit Elementen aus der Gruppe der Lanthanoide (seltene Erden) stellt einen neuen Ansatz zur Detektion und Quantifizierung von PE-Abrieb dar. In präklinischen Untersuchungen am Kniesimulator konnte bereits mit Hilfe geringster Mengen an Europium (Eu) und Gadolinium (Gd) der PE-Abrieb zuverlässig bestimmet werden. Obwohl Lanthanoide zu einer chemisch homogenen Gruppe von Elementen gehören, sind die elementspezifischen Effekte dieser Substanzen hinsichtlich ihrer biologischen Eignung als PE-Marker zu untersuchen. Als typische Vertreter des periimplantären Milieus wurden Zellen einer Mausmakrophagen- und einer humanen Osteoblastenzelllinie für die in vitro-Experimente verwendet. Vier repräsentative Elemente aus der Gruppe der Lanthanoide mit ansteigender Ordnungszahl (Cerium, Europium, Gadolinium, Lutetium) wurden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Zellproliferation, den Mechanismus des Zelluntergangs (Nekrose/Apoptose) sowie auf die Induktion der Freisetzung proinflammatorischer Botenstoffe (IL-Iß, IL-6, TNF-a) evaluiert. Eu und Gd induzierten nur in relativ hohen Konzentrationen (>1mM) eine Störung des makrophagozytären Zellmetabolismus. Die Exposition mit Ce führte dagegen schon bei sehr niedrigen Konzentrationen (0.05 mM) zu einer Reduktion der Zellaktivität, gefolgt von einer Erholung mit ansteigenden Ce-Dosen und erneutem Absinken bei Applikation der Höchstdosis (5 mM). Diese biphasische Reaktion der Makrophagen war insbesondere für die niedrigen Ce-Konzentrationen durch apoptotischen Zelltod charakterisiert. Die Osteoblasten reagierten gegenüber allen getesteten Elementen nur bei unphysiologisch hohen Dosen mit einer Reduktion der Zellaktivität, wobei auch hier die Apoptose zu verzeichnen war. Die Inkubation der Zellen mit den getesteten Elmenten führte zu keiner signifikanten Steigerung der Zytokinproduktion, vielfach war sogar eine Reduktion der Zytokinfreisetzung im Vergleich zur den Kontrollzellen zu beobachten. Insgesamt ließ sich eine divergierende Reaktion der Makrophagen gegenüber den verschiedenen Lanthanoiden feststellen, wobei Ce schon niedrig konzentriert die Zellviabilität beeinflusste. Die Osteoblasten reagierten übenwiegend homogen und elementunspezifisch. Unter der Vorstellung, dass Lanthanoide im Rahmen des Verschleißvorgangs aus den PE-Komponenten freigesetzt und über die Gelenkschleimhaut in das periphere Blutsystem übergehen, und die Menge an detektierten Elementen im Blut mit der PE-Abriebmenge im Gelenk korreliert, wäre eine klinische Anwendung dieser neuen Technik (z.b. als Screeningmethode für PE-Abrieb) denkbar. In einem Pilotversuch wurde deshalb der Übertritt von Eu und Gd vom Gelenk in das periphere Blutsystem untersucht. Nach Injektion geringer Mengen von Eu und Gd in die Kniegelenke von Kaninchen (n=9) wurde den Tieren zu unterschiedlichen Zeitpunkten (bis 14 Tage) Blut entnommen und die Elementkonzentrationen massenspektrometrisch bestimmt. Zu keinem Zeitpunkt ließen sich die Elemente im Blut der Tiere nachweisen, was vermutlich auf die Bildung von Präzipitaten im Gelenk zurückzuführen ist. Der Übertritt der Elemente in das Blut ist wahrscheinlich nur in gebundener Form, z.B. im Verbund mit Verschleißpartikein, möglich. Die Eignung dieser neuen Methode als Screening-Tool für UHMW-PE-Abrieb ist letztendlich nur in einem Großtierversuch zu beurteilen, da hier eine Freisetzung des Markers im Verbund mit PE-Abrieb erfolgt und die Elemente vermutlich nicht in ionaler Form vorliegen. Hinsichtlich des biologischen Verhaltens der Lanthanoide im periprothetischen Milieu fanden sich günstige Eigenschaften wie eine gute Verträglichkeit gegenüber Osteoblasten, Apoptose als Mechanismus des Zelluntergangs und eine fehlende Induktion proinflammatorischer Zytokine. Diese positiven Eigenschaften könnten die Lanthanoide über ihre Anwendung als Markersubstanzen für PE-Abrieb hinaus interessant machen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Do Lanthanides Induce A Similar Response To Periprosthetic Cells In Vitro? Transactions of the 2009 Annual Meeting of the Society for Biomaterials, San Antonio, Tx, USA; Abstract-Nr. 747, 2009
Pennekamp PH, Caicedo M, Catelas I, Kunze J, Laurent MP, Hallab NJ, Wimmer MA
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In vitro-response of periprosthetic cells to lanthanides. 11th International and Interdisciplinary Symposium on Biomaterials and Biomechanics, Essen, März 2009
Pennekamp PH, Caicedo M, Catelas I, Kunze J, Laurent M, Hallab NJ, Wimmer MA
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Lanthanides induce Diverse Cell Responses in Murine Macrophages. Transactions of the 55th Annual Meeting of the Orthopedic Research Society (ORS), Las Vegas, CA, USA Abstract-Nr. 1562, 2009
Pennekamp PH, Caicedo M, Catelas I, Kunze J, Hallab N J, Wimmer M A
