Lucas Anissian, ”spikandes” sin avhandling.

En viktig faktor vid aseptisk proteslossning är bildningen av nötningspartiklar från proteskomponenterna, (wear). Alla vanligen använda proteskomponenter har en belastningsyta av metall ledande mot en annan av polyetylen. Under gångcykeln nöts i huvudsak partiklar från det senare materialet vilka sprids till omgivande vävnader. Kring dessa nötningspartiklar har man kunnat se cellulära reaktioner korrelerade till mängden av partiklar. Denna reaktion skulle delvis kunna förklara radiologiskt och kliniskt påvisbar benresorption. I syfte att minska partikelmängden har proteskomponenter med andra belastningsytor utvecklats (metall mot metall, keramik mot polyetylen respektive mot keramik) och introducerats i kliniskt bruk.
Nya protessystem och förankringsprinciper är i regel ej undersökta på ett adekvat sätt när de erbjuds till försäljning, vilket återspeglas i en rad katastrofala resultat av använda material och protestyper (Teflon, Christiansen, PCA, Hylamer, Capital Hip, Boneloc). Det hittills mest adekvata sättet att utvärdera ett nytt protessystem eller en ny förankringsmetod är att i en klinisk prospektiv randomiserad studie jämföra den nya metoden med en etablerad metod. Emellertid kräver detta ett stort antal patienter och lång observationstid vilket har till nackdel att man måste vänta på svaret under en lång tid och att ett onödigt stort antal patienter måste opereras med en kanske dålig metod. Dessutom är metoden invasiv och inte helt enkel att genomföra. Det finns även en del begränsningar i utvärderingen.

Ledsimulator för preklinisk utvärdering
Preklinisk utvärdering kan genomföras med hjälp av ledsimulator varvid en protes tribologiska egenskaper: bl a genererande av avnötningspartiklar, belastade ytors hållbarhet, protesdelars infästning mot varandra etc. undersöks (tribologi= läran om friktion och nötning mellan två ytor som rör sig i förhållande till varandra). Vid en preklinisk utvärdering av ett protessystem kan även nötningspartiklars biologiska inverkan undersökas med hjälp av djurförsök och humana cellinjer.
Som ett första steg i utvärdering av ett nytt protessystem valde vi att in vitro undersöka samma protesdesign med dels belastningsyta av metall mot metall, dels med belastningsyta av metall mot polyetylen. Följande metoder användes:
1. Proteskomponenternas tribologiska egenskaper.
2. Inverkan av metalljoner på odlade humana osteoblaster in vitro.
3. Inverkan av ledvätska från patienter med lösa proteskomponenter på odlade osteoblaster.
Målet med studien var att fastställa huruvida kontaktytor av metall mot metall är att föredra framför kontaktytor av metall mot polyetylen i höftproteser och att bidra till utvecklingen av en in vitro utvärderingsmodell för nya höftproteser.

Nötningsgraden påverkas av smörjmedlet
Protesens nötningsgrad i en ledsimulator är starkt relaterad till val av smörjmedel. Målet med en simulatorstudie är att efterlikna in vivo-förhållanden så långt som möjligt. Hittills har både vatten och serum använts varvid skilda resultat kan uppnås med samma protes.
Vårt mål var att utvärdera huruvida vatten eller serum bäst efterliknar in vivo-situationen vid höftledssimulatorstudier samt att generellt utvärdera simulatorförsöken i relation till in vivo situationen. Sedan Charnley använde teflon som cupmaterial har det mycket noggrant utvärderats beträffande nötning, då man har tillgång till ett stort antal utplockade acetabularkomponenter. Vi använde tefloncupar och undersökte graden av nötning med olika huvudstorlekar och med vatten respektive serum i olika koncentrationer som smörjmedel.
Genom att relatera till det kända sambandet mellan mängden av nötningspartiklar i förhållande till proteshuvudets diameter vid ett antal belastningcykler kunde en utvärdering av de olika parametrarna göras. Mängden nötningspartiklar bestämdes gravimetriskt. belastningscyklerna motsvarade Paul´s belastningsprofil. Vid användande av serum som smörjmedel i en koncentration av 100% (ca 60g protein/L) erhölls en linjär korrelation mellan antalet simulerade gångcykler och graden av nötning. Likaså ökade graden av nötning med ökande huvudstorlek vid denna försöksuppsättning. Serum motsvarade bäst in vivo situationen. Försöksuppsättningen motsvarade relativt väl in vivo situationen.
Proteser med en belastningsyta av metall mot metall har introducerats som alternativ till proteser med belastningsytor av metall mot polyetylen utan jämförande tribologiska undersökningar. Simultant och under lika förhållanden undersöktes huruvida proteser med belastningsytor av metall mot metall producerar färre nötningspartiklar än proteser med belastningsytor av metall mot polyetylen. Som protes användes MS 30 protesen i cementerad version. Proteserna var identiska förutom avseende belastningsytorna. Belastning i höftledssimulator genomfördes under 10 miljoner cykler, serum användes som smörjmedel. Graden av nötning bestämdes gravimetriskt. Efter 10 miljoner cykler uppvisade metall-metall kombinationen 100 gånger färre nötningspartiklar än metall-polyetylenvarianten. Undersökning säger oss visserligen att antalet nötningspartiklar är kraftigt minskat vid belastningsytor av metall mot metall i jämförelse med ett konventionellt protessystem. Ett intressant bifynd var att det även skedde en nötning av metallhuvudet vid kombinationen metall-polyetylen. Emellertid säger oss en sådan studie ingenting om metallpartiklarnas biologiska inverkan på omkringliggande benvävnad, likaså har ej kartlagts huruvida nötningsmönstret ändrar sig över tiden.
Den sistnämnda frågeställningen undersöktes i en studie där metall mot metall protesen undersöktes med ett stort antal mätpunkter under de första 4 miljoner cyklerna. Vidare undersöktes belastningsytornas beskaffenhet med hjälp av svepelektronmikroskopi. Resultatet visade att nötningen kan delas upp i 2 faser, en initial med högre grad av nötning sk. running in och en relativ konstant fas sk. steady state( jämför med metall mot polyetylen som har ett linjärt nötningsmönster). Belastningsytor av metall mot metall slits 2.5 gånger mer under den tidiga fasen upp till 700 000 cykler än under den konstanta fasen.
Då det är sannolikt att metallpartiklarna löses upp innebär detta att patienten utsätts för högre metallhalter under första året efter operationen. En million cykler motsvarar ca ett års protesanvändning in vivo för en äldre person. I två protessystem uppnåddes inte steady state-fasen. Proteserna undersöktes med svepelektronmikroskopi och visande ett ökat antal repor i ytan. Vidare syntes defekter i beläggningen sk pitting. Detta skulle kunna förklara den uppmätta ökade avnötningen.

Hög koncentration av metalljoner
Nötningspartiklar från proteser med en belastningsyta av metall mot metall kan sannolikt lösas upp i ledvätska och där ge upphov till hög koncentration av metalljoner. Proteserna är i regel tillverkade i krom-kobolt-molybdenlegering där kobolt utgör ca 70%, varför vi valde att studera denna metalls inverkan på benvävnad in vitro. Som modell användes humana osteoblaster odlade i cellmedium. Osteoblasternas tillväxtförmåga och deras funktion undersöktes genom bestämningar av [3H]tymidin-inkorporering och genom att mäta cytokin, kollagen och osteocalcinproduktion.
Våra undersökningar visade att humana osteoblaster i närvaro av kobolt producerade mindre kollagen typ 1 och osteocalcin. Produktionen av IL-6 ökade med stigande kobolthalt i cellmedium. Vid stigande kobolthalter minskade [3H]tymidinin-inkorporeringen vilket tyder på minskad cellproliferation. Fynden visar att osteoblasternas tillväxtförmåga och funktion hämmas av koboltjoner. Dessutom kan koboltjoner öka cytokinproduktionen hos osteoblaster.

Slaggprodukter tänkbar orsak
Stark korrelation har påvisats mellan graden av osteolys och graden av polyetylennötning. Dock är mekanismen bakom osteolysen vid proteslossning ej till fullo känd. Vi har därför undersökt huruvida ledvätska från patienter med aseptisk proteslossning påverkar humana osteoblasters tillväxtförmåga in vivo.
Humana osteoblaster inkuberades med ledvätska från patienter med aseptisk proteslossning. Ledvätskan erhölls genom peroperativ punktion av höftleden innan ledkapseln öppnades. Som positiv kontroll användes ledvätska från patienter med höftartros vilka opererades med artroplastik. Dessutom genomfördes en negativ kontroll där enbart cellmedium tillsattes till cellkulturerna. Cellproliferationen mättes med hjälp av [3H] tymidin inkorporering.
Ledvätska från patienter med aseptisk proteslossning inhiberade proliferationen hos humana osteoblaster med 60% i relation till den negativa kontrollen. Ledvätska från artrospatienter orsakade en ökning av osteoblastproliferationen med 110% i relation till den negativa kontrollen. Vad som orsakar inhiberingen respektive stimuleringen av cellproliferationen är inte kartlagt i denna studie. Inhiberingen skulle kunna initieras av slaggprodukter från slitmaterial från proteskomponenterna alternativt att slaggprodukterna startar en inflammatorisk reaktion vilket leder till en ökad utsöndring av cytokiner i ledvätskan.

Resultaten bör tolkas försiktigt
Orsaken till aseptisk lossning är sannolikt multifaktoriell och delas mellan patient-, implantat- och kirurgrelaterade faktorer. I laboratorier kan vi idag utvärdera de tribologiska och biokompatibla egenskaperna hos ett nytt implantat och identifiera implantatrelaterade lossningsfaktorer. Dock bör resultaten tolkas med försiktighet och inte användas för att introducera nya implantat på marknaden och inte heller för att stoppa kliniska undersökningar med nya proteser.
Sammanfattningsvis har vi visat att tribologiska undersökningar av proteser i ledsimulator bör göras med serum som smörjmedel. Simulatorstudier av proteser med belastningsytor av metall mot metall har visat sig ge signifikant färre nötningspartiklar än motsvarande konventionella system med metall mot polyetylen. Protessystem med belastningsytor av metall mot metall uppvisar ett bifasiskt nötningsmönster med en dubbelt så hög initialnötning. Nötningspartiklarnas biologiska egenskaper har karakteriserats i cellodlingsförsök varvid koboltjoner hade en inhibitorisk effekt på cellproliferationen. Ledvätska kan antagligen spela en viktig roll vid proteslossning då ledvätska från lossade protessystem har en inhibitorisk effekt på osteoblastproliferationen.

Författaren:Författaren: Lucas Anissian arbetar vid Ortopediska Kliniken, Karolinska Sjukhuset. Avhandlingen kan rekvireras från: Annika Kling, Ortopediska Kliniken, Karolinska Sjukhuset, 176 76 Stockholm.

---