A Pécsi Tudományegyetem ÁOK MSI, Ortopédiai Klinikai Tanszék közleménye Csípőízületi implantátum aszeptikus lazulásának korai diagnosztikája biomarkerek segítségével DR. KUZSNER JÓZSEF, DR. TUNYOGI-CSAPÓ MIKLÓS, DR. CZIPRI MÁTYÁS, DR. THAN PÉTER, DR. VERMES CSABA Érkezett: 2011. december 23. ÖSSZEFOGLALÁS Munkánk során prospektív klinikai humán vizsgálatokkal kerestünk szérum és vizelet biomarkereket csípőprotézis aszeptikus lazulásának megítélése céljából. Három betegcsoport került kialakításra: 1) korban és nemben megfelelő panaszmentes betegek (5 eset), 2) csípőprotetizált, de klinikai radiológiai lazulás jelei nélküli betegek (30 eset), valamint 3) csípőprotetizált, lazulás biztos jeleit mutató betegek (30 eset). Az implantátumok cementezett típusúak voltak. Az első és harmadik csoportban három különböző alkalommal, a másodikban műtét előtt, valamint azt követően megfelelő időpontokban (3, 6, 12, 24, 36 és 48 hónap) szérum és vizeletminta gyűjtés történt standard protokollnak megfelelően, amelyeket 80 ºC-on tároltuk. A szérum mintákból proinflammatorikus reakció és osteoclast aktiváció markereit, a vizelet mintákból pedig a csontlebontás produktumait mértük. A klinikai-radiológiai lazulás jeleit mutató csoportban szignifikánsan emelkedettek voltak a krónikus csontvesztés vizelet markerei, valamint a szérum osteoclast aktivációt és steril gyulladást jelző paraméterek. A panaszmentes csoportban is észlelhető volt a betegek egy részénél szignifikáns emelkedés a korai osteoclast aktivitást mutató markerekben, valamint a korai proinflammatorikus citokinekben, melyek együttváltozása alapján a panaszmentes csoportban sikerült elkülöníteni egy alcsoportot (n=8, 27%). Ezek a paraméterek csak a 36 48 hónapos periódusnál váltak szignifikánssá. Az eredmények alapján megállapíthatók olyan változók, melyek egyértelműen eltérnek az aszeptikus lazulás jeleit mutató betegekben. Fontos, hogy a panaszmentes csoportban is sikerült találni markereket, melyek változása szignifikánsan eltér mind a kontrol, mind a panaszos csoport értékeitől. Ezen paraméterek együttváltozása pedig lehetőséget teremt prognosztizálni, illetve diagnosztizálni az aszeptikus lazulás kialakulását, még a klinikai tünetek megjelenése előtt. Kulcsszavak: Arthroplastica, csípő Szövődmények; Biológiai markerek Vizelet; Csípőprotézis; Csontfelszívódás Diagnózis; Prognosztikus tesztek; Protézislazulás; J. Kuzsner, M. Tunyogi-Csapó, M. Czipri, P. Than, Cs. Vermes: Early diagnostics of aseptic loosening of hip implants with the help of biomarkers During the course of our prospective clinical study, we were looking for biomarkers in the urine and serum by means of human investigations for the assessment of aseptic loosening of hip prostheses. Three groups of patients were compiled: 1) patients free from complaints, eligible in terms of age and sex (5 cases), 2) patients, who underwent an implantation of a hip prosthesis, without clinical or radiological signs of loosening (30 cases), furthermore, 3) patients, who underwent hip replacement, showing sure signs of loosening (30 cases). All the implants were cemented. Serum and urine samples were taken at 3 different points of time in group 1. and 3.; In the second group, serum and urine sample collection was performed prior to surgery and after it at assigned periods (3, 6, 12, 24, 36 and 48 months), according to the standard protocol; the serum and urine samples were stored at a temperature of 80 C, according to the standard protocol. We measured the markers of pro-inflammatory reaction and that of the osteoclast activating markers of the serum specimens and the products of osteoclast activity in the urine samples. In cases showing evident clinical and radiological signs of loosening, the markers of chronic bone loss were considerably higher in the urine, as well as the parameters indicating osteoclast activation and sterile Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet 2012. 55. 3. 197
inflammation. There was a significant increase of parameters indicating osteoclast activity and early pro-inflammatory cytokines, even in case of some patients in the free from complaints group; based on the simultaneous changes of these parameters in the group free from complaints, we could establish a subgroup (n=8, 27%). These parameters became significant only as soon as the 36-48 months period. Based on the results, authors could define variables distinctly different from those observed in patients producing symptoms of aseptic loosening. It is also important that authors could find markers in the group of free from complaints, in which the values were significantly different from those observed both in the reference group and in the group of patients having complaints. Simultaneous change of these parameters provides with possible prognosis and diagnosis of aseptic loosening, prior to development of clinical symptoms. Key words: Arthroplasty, replacement, hip Adverse effects; Biological markers Urine; Bone resorption Diagnosis; Hip prosthesis; Predictive value of tests; Prosthesis failure; BEVEZETÉS A nagyízületi endoprotetizálás az elmúlt évtizedek legfontosabb ortopéd sebészeti vívmányainak egyike. Világszerte évente megközelítőleg 1 millió protézist ültetnek be, jelentős javulást biztosítva ezzel mind az ízületi funkciók, mind a betegek életminősége tekintetében. Ezzel párhuzamosan azonban a pácienseinket új biológiai problémának tesszük ki, amit az implantátum anyag jelenléte okoz az emberi szervezetben, és ez speciális idegentest humán szövet interakcióban nyilvánul meg. Ennek egyik klinikai megjelenése a periprotetikus csont felszívódása, ami az esetek nagy többségében együtt jelentkezik az implantátum aszeptikus lazulásával. Ennek súlyossága az egyéntől, az implantátum anyagától és számos egyéb tényezőtől is függ (4). A folyamat a protézis rögzítettségének elégtelenségével, funkciójának elvesztésével, majd végső soron annak cseréjével jár. Összességében ez képezi a nagyízületi implantációk hosszú távú komplikációinak legjelentősebb részét, egyidejűleg a revíziós műtétek leggyakoribb okát is (5). Jelenleg az aszeptikus lazulás diagnózisát a klinikai tünetek és röntgenlelet alapján lehet biztosan felállítani. Ennek hátránya, hogy ekkor már a probléma a végstádiumban van, tehát a megelőzés nem lehetséges, csak az implantátum revíziója. Ennek megfelelően igény van az implantátum rögzítettségének és biokompatibilitásának folyamatos monitorozására olyan technika segítségével, amely 1) rutinszerűen elvégezhető, 2) minimál invazív eljárás és 3) minden beteg rendelkezésére áll. A célja egy ilyen szűrőrendszernek az, hogy még a klinikai tünetek megjelenése előtt lehetőség legyen prognosztizálni az esetleges aszeptikus lazulást. Alapfeltevésünk az, hogy meghatározhatók olyan változók betegek szérumából és vizeletéből, amelyek prognosztizálják, illetve kimutatják az implantátum integritásának elégtelenségét még a klinikai tünetek beállta előtt, esélyt biztosítva ezzel a megelőzésre. Az aszeptikus lazulás patomechanizmusának ismeretében lehetőség van két nagy folyamat laboratóriumi monitorozására (1, 4, 11). Az elsőben a periprotetikus sejtek aktivációját lehetne kimutatni az általuk kibocsátott faktorok mérésén keresztül szérumból, amely a steril gyulladást reprezentálja. A második folyamatban, ami ugyan nem különül el az elsőtől, de időben később jelentkezik, a csont metabolizmus megváltozását követnénk elsősorban vizelet mintából. ANYAG ÉS MÓDSZER Beteganyag A PTE ÁOK Ortopédiai Klinikáján évente körülbelül 450 nagyízületi endoprotézis beültetés történik. Ezen betegek közül megfelelő szempontok szerint három csoportot alakítottunk ki, amikben prospektív vizsgálatokat végeztünk: 1) korban, nemben megfelelő betegek ízületi panaszok nélkül (5 eset; 2 nő, 3 férfi, átlagéletkor 66 év), 2) csípőprotézis beültetésen átesett betegek klinikai és radiológiai lazulás jelei nélkül (30 eset; 17 nő, 13 férfi, átlagéletkor az utolsó mintavételnél 71 év), 198 Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet 2012. 55. 3.
Csípőízületi implantátum aszeptikus lazulásának korai diagnosztikája biomarkerek segítségével 3) csípőprotézis beültetésen átesett betegek klinikai lazulás biztos jeleivel (30 eset; 14 nő, 16 férfi, átlagéletkor 68 év), akiknél a revíziós műtét indikációra került. A beültetett protézisek cementezett típusúak voltak. A betegeket a laborvizsgálatok mellett prospektív módon követtük standard radiológiai és klinikai (Harris Hip Score) vizsgálatokkal betegbehívásos rendszer alapján (2, 6). A vizsgálatokhoz etikai engedéllyel rendelkeztünk és önkéntes, tájékoztatott beleegyezést követően került a tanulmányba beteg. A csoportokban nem volt ismert a betegek között olyan krónikus betegség, amely befolyásolja érdemben a csontanyagcserét és a gyulladásos jeleket, valamint osteotrop gyógyszerek szedése is kizárható volt. A betegek mobilizálása is megfelelő volt, fekvő, illetve járásképtelen egyének nem kerültek a tanulmányba. Mintavétel A betegektől műtét előtt, és azt követően megfelelő időpontokban (3, 6, 12, 24, 36 és 48 hónap), valamint az egyes és hármas csoportokban három különböző alkalommal szérum- és vizeletminta gyűjtése történt standard protokollnak megfelelően, amelyeket 80 C-on tároltunk. Vizsgálatok a szérum- és vizeletmintákból Az alábbi változókat vizsgáltuk enzyme linked immunosorbent assay (ELISA, 0,5 32 pg/ ml érzékenység, R&D Systems, Minneapolis, MN, USA) segítségével: receptor activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), osteoprotegerin (OPG), interleukin (IL) 4, IL 6, IL 8, tumor necrosis factor (TNF) α cathepsin K változók a szérumból, valamint deoxypyridinolinek (Dpd) és az I-es típusú kollagén cross linkek C és N telopeptide (CTx és NTx) paraméterek a vizeletből (7, 10). A fentiek közül a RANKL OPG paraméterek alapvetően fontosak a csont normális és patológiás állapotaiban a RANK receptoron keresztüli osteoclast aktiváció és gátlás befolyásolása miatt. A cathepsin K enzim jelenléte az aktív osteoclastok jellemzője. Az IL és a TNF citokinek a periprotetikus proinflammatorikus miliő meghatározó szereplői, azzal a kiegészítéssel, hogy az IL-4 Th2 típusú citokin, mely részben antiinflammatorikus és antireszorptív hatással bír és jellemzője a periprotetikus térnek. A csont lebontásának is ismert változói vannak, köztük a totál Dpd, CTx és NTx is, amelyek a csontmátrix jellemző szerves alkotójánák, az I-es típusú kollagénnek a katabolit származékai. Statisztikai analízis Leíró statisztikát alkalmaztunk a csoportátlagok, standard deviációk megállapítására. A Student T tesztet használtuk a csoportok összehasonlítására Bonferroni korrekcióval. Csoporton belüli értékmegoszlások vizsgálatára és együttváltozására non-parametrikus teszteket és diszkriminancia analízist használtunk. A szignifikanciát a p<0,05 szinten állapítottuk meg. A statisztikai számításokat az SPSS 10.0 statisztikai programmal végeztük (SPSS Inc., Chicago, IL, USA). EREDMÉNYEK A mérési eredmények kimutatták, hogy a panaszos lazult csoportban szignifikánsan (p<0.05) emelkedett volt a kontrol és a panaszmentes implantált csoporthoz képest a RANKL, OPG, IL 6, TNF α, cathepsin K, IL 4, CTx és Dpd szintje, utalva a steril gyulladás és csontvesztés meglétére, illetve detektálhatóságára (1. ábra). Ezek azonban inkább a krónikus folyamatokra utalnak. A panaszmentes csoportban is észlelhető a betegek egy részénél szignifikáns (p<0.05) emelkedés az IL 8, RANKL és NTx szintekben a kontrollhoz képest. A többi vizsgált paraméter ebben a csoportban igen változó képet mutatott: a teljesen normál megjelenés volt a legjellemzőbb, de random jelleggel egy-egy komponens (többnyire IL 6, TNF α és OPG) szignifikáns (p<0.05) emelkedését lehetett mérni, de ez alapján csoportosítást nem lehetett végezni. Ezek nem mutattak korrelációt az IL 8, RANKL és NTx emelkedéssel, ami viszont konzekvens volt az érintett betegekben, amely segítségével a 2-es csoportban egy alcsoport alakult ki (n=8, 27%), amelyet reaktív névvel jellemeztünk. A csontmetabolizmus megváltozásának korai detektálhatósága miatt a RANKL/OPG hányadost is vizsgáltuk, amely további karakterisztikus trendet mutatott. Fontos, hogy a panaszmentes csoporton belül a Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet 2012. 55. 3. 199
reaktív eseteinél a RANKL/OPG hányados és az NTx növekszik, amelyek korai fokozott osteoclast aktivitásra utalnak, valamint az IL 8 jelzi a steril gyulladás lehetőségét is (2. ábra). Ezek az eltérések azonban a beültetést követő 36. hónaptól voltak szignifikánsan észlelhetőek és további emelkedést mutattak a 48 hónapos periódusnál, mind a növekedés mértékében, mind az esetek számában (3. ábra). Érdekes, hogy a krónikusan lazult csoportban a RANKL/OPG hányados jelentősen csökken a nagyobb mértékben emelkedett OPG miatt, valamint megjelenik szignifikánsan (p<0.05) emelkedett szinten az IL 4. Ezen változók antireszorptív hatással bírnak, ami kompenzáló mechanizmusnak lehet az eredménye. Eredményeink alapján jól látható az eltérő szérum és vizelet profil a lazult panaszos csoport és a panaszmentes, de laboreltérést mutató esetek között. 1. ábra Szérum- és vizeletmarkerek eltérései a kontroll, lazulásos és panaszmentes csoportban 48 hónap után. A jelen ábrán a receptor activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), osteoprotegerin (OPG), interleukin (IL) 4, IL 6, IL 8 és az I-es típusú kollagén cross linkek C és N telopeptide (CTx és NTx) változásait mutatjuk. Jól látható, hogy a lazulásos csoportban a bemutatott változók közül az IL 8 és az NTx nem mutatott szignifikáns emelkedést. A panaszmenetes csoportban több változó is emelkedett volt, de nem ért el szignifikáns értéket. A p<0.05 értéket vettük szignifikánsnak, az oszlopok csoport átlagokat mutatnak+sd. 2. ábra Az implantált, panaszmentes csoporton belüli értékmegoszlások 48 hónap után. A jelen ábrán a receptor activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), osteoprotegerin (OPG), interleukin (IL) 6, IL 8 és az I-es típusú kollagén C és N telopeptide (CTx, NTx) változásait mutatjuk. A panaszmentes csoporton belül szignifikánsan emelkedett volt bizonyos egyéneknél konzekvensen a RANKL, IL 8 és NTx szintje ( reaktív ). Az OPG, IL 6 és CTx nem mutattak szignifikáns eltérést a csoport tagjaiban. A p<0.05 értéket vettük szignifikánsnak, az oszlopok csoport átlagokat mutatnak+sd. 3. ábra A panaszmentes csoporton belüli reaktív betegek szérum és vizelet markereinek változása a tanulmány során. Ezeknél a betegeknél az activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), interleukin (IL) 8 és az I-es típusú kollagén N telopeptide (NTx) paraméterekben lehetett konzekvensen szignifikáns emelkedést mérni a 36 és 48 hónapos utánkövetéseknél. A p<0.05 értéket vettük szignifikánsnak, az oszlopok csoport átlagokat mutatnak+sd. 200 Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet 2012. 55. 3.
Csípőízületi implantátum aszeptikus lazulásának korai diagnosztikája biomarkerek segítségével MEGBESZÉLÉS A beültetett ortopédiai implantátumok okozta biológiai válaszreakciók folyamatos követése nem megoldott kérdés. A protézis komponensek okozta reaktivitás befolyásolja annak biokompatibilitását, végső soron meghatározza az integritását a befogadó szövetben. A jelenleg használt implantátumoknál minden esetben számítani lehet erre. Az integritás elvesztése implantátumlazuláshoz vezet, amit az esetek jelentős részében akkor ismerünk fel, amikor annak már fizikális és röntgenjelei vannak. Ebben a stádiumban azonban a folyamat nem visszafordítható, az implantátum cseréje szükséges (3). A fenti probléma miatt igen nagy jelentőségű az aszeptikus lazulás korai diagnosztikája. Ebben a témakörben két nagy trendet lehet elkülöníteni. Az egyik esetében képalkotókkal próbálják felfedni a periprotetikus csont állapotát (8). A másiknál különböző laboratóriumi módszerekkel igyekszenek markereket találni, amelyek tükrözik a periprotetikus térben lejátszódó folyamatokat (9). A korrekt képalkotás esetében számos probléma merül fel. Az utóbbi időben röntgen (DEXA, CT) és MRI alapú vizsgálatokat teszteltek, ahol jelentős a sugárterhelés, a protézis komponensekből származó műtermék nehezíti a korrekt térbeli volumetrikus analízist, amely a periprotetikus tér csont vagy képi denzitásán alapul. Könynyen belátható az objektivitás meghatározásának nehézsége (például osteolysisről, vagy csak csökkent denzitásról beszélünk) (12). A laborvizsgálatoknál is több kérdés merül fel. Mik azok a paraméterek, melyek adhatnak megbízható eltérést, mennyire nagy az individuális szórás, egyéb folyamatok is befolyásolják a vizsgált változókat, illetve a lokális folyamatról, vagy egyéb generalizált problémáról kapunk e képet (13). Egy további probléma a korai diagnosztikával, hogy igen hosszú távú prospektív tanulmányok tudnak csak választ adni arra, hogy az időben mért labor elváltozások, majd az évekkel későbbi implantátumlazulással még mindig összefüggésben lesznek-e. Jelen vizsgálatnak is abban várható a jelentősége, ha bebizonyosodik, hogy a reaktív csoportban az implantátumok funkciójában hamarabb áll be jelentős funkcióvesztés, mint a többi esetben. Tanulmányunk elsődleges célja volt megállapítani, hogy mik azok a szérum- és vizeletparaméterek, amelyek: 1) eltérnek a nem implantált és a panaszmentes, implantált betegekben, 2) különböznek a panaszmentes implantált és a klinikai lazulás jeleit mutató csoportokban, 3) a második pont alapján megállapított értékek prospektív követése egy implantált populációban, majd korreláció megállapítása az implantátumlazulás és a monitorozott laborparaméterek között, 4) a hármas pont alapján lehetőség van standardizálni markereket, amelyek prognosztizálják, illetve kimutatják az implantátumlazulást még a klinikai tünetek beállta előtt. Preventív, kilazulás ellenes terápia követésére is alkalmasak lehetnek a jövőben a 3. és 4. pontokban meghatározott változók. Az eredmények alapján panaszmentes betegeknél az aszeptikus lazulás korai jellemzője lehet a RANKL/OPG arány, az NTx és az IL 8 szintek szignifikáns emelkedése. Ezek a változók a klinikailag lazult eseteknél megszűnnek, illetve kiegészülnek számos másikkal melyek változása szintén jól detektálható és a reaktív csoportra nem jellemzőek. Az implantált populációban kiemelkedő fontossággal bír a reaktivitás detektálása olyan módszerrel, amely rutinszerűen végezhető, minden beteg rendelkezésére áll és minimálisan invazív. A kiszűrt betegeken tervezhető az antireszorptív prevenció és/vagy terápia, amellyel az implantátum csere is megelőzhető. Természetesen a jelenleg kísérleti stádiumban lévő tanulmányhoz számos vizsgálat szükséges, hogy a fenti előnyök a klinikumban is felhasználhatóak legyenek. Köszönetnyilvánítás Az MTA Bolyai János kutatási ösztöndíj és az OTKA 67551 támogatásával készült a tanulmány. Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet 2012. 55. 3. 201
IRODALOM 1. Archibeck M. J., Jacobs J. J., Roebuck K. A., Glant T. T.: The basic science of periprosthetic osteolysis. J. Bone Joint Surg. Am., 2000. 82-A: 1478-1489. 2. Gruen T. A., McNeice G. M., Amstutz H. C.: Modes of Failure of cemented stem-type femoral components. Clin. Orthop. Relat. Res. 1979. 141: 17-27. 3. Hirakawa K., Jacobs J. J., Urban R., Saito T.: Mechanisms of failure of total hip replacements: lessons learned from retrieval studies. Clin. Orthop. Relat. Res. 2004. 420: 10-17. 4. Jacobs J. J., Roebuck K. A., Archibeck M., Hallab N. J., Glant T. T.: Osteolysis: Basic science. Clin. Orthop. Relat. Res. 2001. 393: 71-77. 5. Jacobs J. J., Urban R. M., Glant T. T., Galante J. O.: Clinical implications of osteolysis. In: Galante J. O., Rosenberg A., Callaghan J. J. (Eds.) Total hip revision surgery. New York. Raven Press. 1995. 81-90. p. 6. Johnston R. C., Fitzgerald R. H., Harris W. H., Müller M. E., Sledge C. B.: Clinical and radiographic evaluation of total hip replacement. J. Bone Joint Surg. Am. 1990. 72-A: 161-168. 7. Qureshi A. A., Virdi A. S., DiDonna M. L., Jacobs J. J., Masuda K., Paprosky W. G., Thonar E. J. M. A., Sumner D. R.: Implant design affects markers of bone resorption and formation in total hip replacement. J. Bone Miner. Res. 2002. 17: 800-807. 8. Schwarz E. M., Campbell D., Totterman S., Boyd A., O Keefe R. J., Looney R. J.: Use of volumetric computerized tomography as a primary outcome measure to evaluate drug efficacy in the prevention of peri-prosthetic osteolysis: a 1-year clinical pilot of etanercept vs. placebo. J. Orthop. Res. 2003. 21: 1049-1055. 9. Streich N. A., Gotterbarm T., Jung M., Schneider U., Heisel C.: Biochemical markers of bone turnover in aseptic loosening in hip arthroplasty. Int. Orthop. 2009. 33: 77-82. 10. Vermes C., Chandrasekaran R., Jacobs J. J., Galante J. O., Roebuck K. A., Glant T. T.: The effects of particulate wear debris, cytokines, and growth factors on the functions of MG-63 osteoblasts. J. Bone Joint Surg. Am. 2001. 83-A: 201-211. 11. Vermes C., Glant T. T., Hallab N. J., Fritz E. A., Roebuck K. A., Jacobs J. J.: The potential role of the osteoblast in the development of periprosthetic osteolysis: Review of in vitro osteoblast responses to wear debris, corrosion products, and cytokines and growth factors. J. Arthroplasty, 2001. 16: 95-100. 12. Walde T. A., Weiland D. E., Leung S. B., Kitamura N., Sychterz C. J., Engh C. A., Jr., Claus A. M., Potter H. G., Engh C. A., Sr.: Comparison of CT, MRI, and radiographs in assessing pelvic osteolysis: a cadaveric study. Clin. Orthop. Relat. Res. 2005. 437: 138-144. 13. Wilkinson J. M., Hamer A. J., Rogers A., Stockley I., Eastell R.: Bone mineral density and biochemical markers of bone turnover in aseptic loosening after total hip arthroplasty. J. Orthop. Res. 2003. 21: 691-696. Dr. Vermes Csaba PTE, MSI, Ortopédiai Klinikai Tanszék 7632 Pécs, Akác u. 1. 202 Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet 2012. 55. 3.