Polyethylenbeladung und Zellgröße von Fremdkörperriesenzellen bei der aseptischen Hüftendoprothesenlockerung - Eine histomorphometrische Untersuchung¹

Zusammenfassung.

Fragestellung: Bei der aseptischen Lockerung von zementfreien Hüftendoprothesen phagozytieren Makrophagen und Fremdkörperriesenzellen Polyethylenpartikel und initiieren eine osteolytische Kaskade. In dieser Arbeit wurde gezielt untersucht, inwieweit Zusammenhänge zwischen der Polyethylenbeladung und der Größe von Fremdkörperriesenzellen bestehen. Material und Methode: Von 7 Pseudokapseln aus Revisionsoperationen bei zementfreien Hüftendoprothesen wurden histologische Präparate angefertigt. Diese wurden lichtmikroskopisch untersucht und histomorphometrisch ausgewertet. Dabei wurden die Polyethylenbeladung von 111 Fremdkörperriesenzellen und jeweils die intrazelluläre Polyethylenpartikelanzahl sowie die Zellgröße bestimmt. Mittels Regressionsanalyse wurde festgestellt, ob die Anzahl lichtmikroskopisch sichtbarer Partikel oder die lichtmikroskopisch ermittelte Polyethylenbeladung mit der Zellgröße korrelieren. Ergebnisse: Bei einer mittleren Zellgröße von 1417 ± 487 μm² betrug die mittlere Polyethylenbeladung 49 ± 42 μm². Die mittlere Anzahl der intrazellulären Polyethylenpartikel lag bei 10,4 ± 5,4 Partikeln. Die Regressionsanalyse ergab, dass die Zellgröße sowohl mit der Partikelanzahl (r = 0,25) als auch mit der Polyethylenbeladung korreliert (r = 0,39). Schlussfolgerungen: Bei der zellulären Reaktion auf Polyethylenpartikel bei der aseptischen Lockerung von zementfreien Hüftendoprothesen korreliert die Zellgröße von Fremdkörperriesenzellen mit der intrazellulären lichtmikroskopisch sichtbaren Polyethylenmenge und Anzahl lichtmikroskopisch sichtbarer Polyethylenpartikel. Die Anwesenheit größerer Fremdkörperriesenzellen geht womöglich mit einer hohen Partikelbelastung des Gewebes und einer hohen osteolytischen Aktivität einher.

Introduction: In aseptic loosening of cementless hip arthroplasty polyethylene particles are phagocytized by macrophages and foreign-body giant cells. This initiates an osteolytic cascade. In this study, the authors investigated if there are correlations between the size of foreign-body giant cells and the polyethylene loading and number of intracellular particles as determined by light microscopy. Material and Method: Histological specimens were processed from tissues retrieved during revision surgery of 7 cases of cementless hip arthroplasty which had become aseptically loose. The specimens were analyzed by histolomorphology and histomorphometry. The cell size, polyethylene loading and intracellular particle number of 111 foreign-body giant cells were determined. A regression analysis was performed to investigate if there was a correlation between these variables. Results: The mean cell size was 1417 ± 487 μm², the mean polyethylene loading was 49 ± 42 μm² and the mean intracellular particle number was 10.4 ± 5.4. The cell size correlated with both the intracellular particle number (r = 0.25) and the polyethylene loading (r = 0.39). Conclusions: In the cellular reaction to polyethylene particles in aseptic loosening of cementless total hip arthroplasty, the size of foreign-body giant cells correlates with intracellular polyethylene loading and intracellular polyethylene particle number as determined by light microseopy. The presence of large foreign body giant cells might be associated with a high particle load of the tissue and a high osteolytic activity.

Schlüsselwörter:

Hüftendoprothese - aseptische Lockerung - Polyethylenpartikel - Fremdkörperriesenzelle

Key words:

Hip arthroplasty - aseptic loosening - polyethylene particles - foreign-body giant cells

Literatur

• 01 Athanasou  N A, Quinn  J, Bulstrode  C JK. Resorption of bone by inflammatory cells derived from the joint capsule of hip arthroplasties.  J Bone Joint Surg (Br). 1992;  74 57-62
• 02 Athanasou  N A. The cellular biology of bone-resorbing cells.  J Bone Joint Surg. 1996;  78-A 1096-1113
• 03 Bos  I, Lindner  B, Seydel  U, Johannisson  R, Dorre  E, Henssge  J, Lohrs  U. The cause of loosening in cemented hipjointprostheses. Light and electron microscopy study and laser microprobe mass analysis.  Z Orthop. 1990;  128 (1) 73-82
• 04 Bos  J, Berner  J, Diebold  J, Lohrs  U. Histological and morphometric studies of femurs with stable hipjoint replacement. An autopsy study with special reference to factors leading to late loosening.  Z Orthop. 1995;  133 (5) 460-466
• 05 Chambers  T J. Multinucleate giant cells.  J Pathol. 1978;  126 125-148
• 06 Chambers  T J. Phagocytosis and trypsin-resistant glass adhesion by osteoclasts in culture.  J Pathol. 1979;  127 55-60
• 07 Cohen  J. Assay of foreign body reaction.  J Bone Joint Surg. 1959;  41-A 152-166
• 08 Goodman  S B, Fornasier  V L, Kei  J. The effects of bulk versus partikulate debris ultra-high-molekular-weight polyethylene on bone.  J Arthroplasty. 1988;  3 (Suppl) 41-46
• 09 Green  T R, Fisher  J, Stone  M, Wroblewski  B U, Ingham  E. Polyethylene particles of a critical size are necessary for the induction of cytokines by macrophages in vitro.  Biomaterials. 1998;  19 (24) 2297-2302
• 10 Harris  W H. Osteolysis and particle disease in hip replacement. A review.  Acta Orthopaedica Scandinavica. 1994;  65 113-123
• 11 Kobayashi  A, Freeman  M A, Bonfzeld  W, Kadoya  Y, Yamac  T, Al Saffar  N, Scott  G, Revell  P A. Number of polyethylene particles and osteolysis in total joint replacements. A quantitative study using a tissue-digestion method.  J Bone Joint Surg. 1997;  79 (5) 159-167
• 12 Lennox  D W, Schofield  B H, McDonald  D F, Riley  L H. A histological comparison of aseptic loosening of cemented, press-fit and biologic ingrowth prostheses.  Clin Orthop. 1987;  225 171-191
• 13 Lintner  F, Böhm  G, Bösch  P, Endler  M, Zweymüller  K. Ist hochdichtes Polyäthylen zur zementfreien Verankerung von Hüftendoprothesen geeignet?.  Z Orthop. 1988;  126 688-692
• 14 Murray  D W, Rushton  N. Macrophages stimulate bone resorption when they phagocytose particles. J Bone Joint Surg (Br) 1990: 988-992
• 15 Savio III  J A, Overcamp  L M, Black  J. Size and shape of biomaterial wear debris (review paper).  Clin Mater. 1994;  15 101-147
• 16 Spector  M, Shortkroff  S, Hsu  E P, Lane  N, Sledge  C B, Thornhill  T S. Tissue changes around loose prostheses: a canine model to investigate the effects of an antiinflammatory agent.  Clin Orthop. 1990;  261 140-152
• 17 Wang  W, Ferguson  D JP, Quinn  J MW, Simson  A, Athanasou  N A. Biomaterial particle phagocytosis by bone resorbing osteoclasts. J Bone Joint Surg (Br) 1997: 849-856
• 18 Willert  H G, Semlitsch  M. Reactions of the articular joint capsule to wear products of artificial joint prostheses.  J Biomed Mater Res. 1977;  11 157-164
• 19 Willert  H G, Buchhorn  G H, Hess  T. Die Bedeutung von Abrieb und Materialermüdung bei der Prothesenlockerung an der Hüfte.  Orthopäde. 1989;  18 350-369
• 20 Willert  H G, Bertram  H, Buchhorn  G H. Osteolysis in alloarthroplasty of the hip. The role of ultra-high molecular weight polyethylene wear particles.  Clin Orthop. 1990;  258 95-107
• 21 Willert  H G, Bertram  H, Buchhorn  G H. Osteolysis in alloarthroplasty of the hip: the role of bone cement fragmentation.  Clin Orthop. 1990;  258 108-121