Akute Gewebetoxizität von PMMA-Knochenzementen

Zusammenfassung

Studienziel: Lokal-toxische Gewebereaktionen werden als eine mögliche Ursache für die Bildung des bindegewebigen Interface zwischen Knochen und PMMA-Knochenzement angesehen. Zahlreiche In-vitro-Untersuchungen konnten eine zum Teil erhebliche Zytotoxizität von Knochenzementen aufzeigen. In-vivo-Untersuchungen zur Beurteilung der lokalen Gewebeverträglichkeit wurden bislang jedoch nur selten veröffentlicht. Methode: Im Hühnereitest an der Chorionallantoismembran (HET-CAM-Test), einem etablierten Replacementverfahren für Versuche an höherentwickelten Wirbeltieren für die Testung potenziell toxischer Fest- und Flüssigstoffe, wurden PMMA-Knochenzemente, Inhaltsstoffe und Monomer-Extrakte hinsichtlich ihrer lokalen Biokompatibilität in vivo untersucht. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass die Gewebeverträglichkeit von PMMA-Knochenzementen zu Beginn der jeweiligen Verarbeitungsphasen signifikant schlechter ist, als am Ende der Verarbeitungsphasen. Auch konnte nachgewiesen werden, dass bestimmte Inhaltsstoffe der PMMA-Knochenzemente erhebliche lokal-toxische Gewebeveränderungen hervorrufen. Schlussfolgerung: Die Neu- und Weiterentwicklung von Knochenzementen hat gegenwärtig das vorrangige Ziel, Verarbeitungseigenschaften und mechanische Parameter zu verbessern. Neben den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Knochenzemente sollte aber auch die biologische Wirkung der PMMA-Zemente, insbesondere die akute und die chronische Biokompatibilität stärker hinterfragt werden. Ein entscheidendes Entwicklungsziel sollte daher sein, biologisch unverträgliche Inhalts- und Wirkstoffe von Knochenzementen durch biokompatiblere, nicht-toxische Alternativsubstanzen zu ersetzen.

Abstract

Aim: Local toxic reactions are one possible reason for fibrous tissue formation at the interface between bone and PMMA bone cement. Most of the numerous in vitro studies have shown severe cytotoxicity of bone cements and their components. However, in vivo investigations of the local tissue toxicity of bone cements have so far seldom been performed. Methods: The in-vivo hens-egg chorion-allantoic-membrane test (HET-CAM), a well established replacement procedure for experiments with higher vertebrates, is used for the testing of potentially toxic solid and fluid substances. It was performed with PMMA bone cements, their components and their monomer extracts to measure in vivo biocompatibility. Results: We showed that local toxic tissue reactions occurred, especially at the beginning of the processing phase of PMMA bone cements. We also proved that certain components of PMMA bone cements have poor tissue compatibility and sometimes cause severe local tissue changes. Conclusions: In the development of PMMA bone cements and when drafting the recommendations for their use, attention should be paid to their biocompatibility as well as their mechanical properties.

Polymethylmethacrylat - Methylmethacrylat - Knochenzement - Biokompatibilität - HET-CAM-Test

Polymethyl methacrylate - methyl methacrylate - bone cement - biocompatibility - HET-CAM test

Literatur

• 1 Albrektsson T, Linder L. Bone injury caused by curing bone cement. A vital microscopic study in the rabbit tibia.  Clin Orthop. 1984;  183 280-287
• 2 Breusch S J, Kühn K D. Knochenzemente auf Basis von Polymethylmethacrylat.  Orthopäde. 2003;  32 41-50
• 3 Bundesgesundheitsamt, Abt. ZEBET .Arbeitsanleitung HET-CAM für die Makrovalidierung, BMFT Forschungsvorhaben „Evaluierung von Ersatzmethoden für den Draize-Test am Kaninchenauge”. BGA, Berlin 1990
• 4 Cenni E, Ciapetti G, Granchi D, Stea S, Savarino L, Corradini A, Di Leo A. No effect of methacrylate-based bone cement CMW 1 on the plasmatic phase of coagulation, red blood cells and endothelial cells in-vitro.  Acta Orthop Scand. 2001;  72 86-93
• 5 Ciapetti G, Granchi D, Stea S, Cervellati M, Pizzoferrato A. In-vitro testing of ten bone cements after different time intervals from polymerization.  J Biomater Sci Polym Ed. 2000;  11 481-493
• 6 Ciapetti G, Granchi D, Stea S, Savarino L, Cavedagna D, Pizzoferrato A. Cytotoxic effect of bone cements in HL-60 cells: distinction between apoptosis and necrosis.  J Biomed Mater Res. 2000;  52 338-345
• 7 Dannhardt G, Kreher M, Nowe U, Pies A. Method for testing non-steroidal anti-inflammatories: the modified hen's egg chorioallantoic membrane test (HET-CAM-Test) compared to other procedures.  Arch Pharm Pharm Med Chem. 1996;  329 301-310
• 8 Ege W, Scheuermann H. Freisetzung von Restmonomer und N,N-dimethyl-p-toluidin aus Knochenzementen während der Aushärtung und bei Langzeitlagerungen. Eine In-vitro-Untersuchung. In: Willert HG, Buchhorn G (Hrsg). Knochenzement. Aktuelle Probleme in Chirurgie und Orthopädie 1987; 31: 79-82
• 9 Goodman S B, Fornasier V L, Lee J. Bone accretion around polymethylmethacrylate and polyethylene implanted in the rabbit tibia.  Contemp Orthop. 1993;  26 292-297
• 10 Goodman S B, Huie P, Song Y, Lee K, Doshi A, Rushdieh B, Woolson S, Maloney W, Schurman D, Sibley R. Loosening and osteolysis of cemented joint arthroplasty. A biologic spectrum.  Clin Orthop. 1997;  337 149-163
• 11 Granchi D, Ciapetti G, Filippini F, Stea S, Cenni E, Pizzoferrato A, Toni A. In-vitro cytokine production by mononuclear cells exposed to bone cement extracts.  Biomaterials. 2000;  21 1789-1795
• 12 Granchi D, Stea S, Ciapetti G, Savarino L, Cavedagna D, Pizzoferrato A. In-vitro effects of bone cements on the cell cycle of osteoblast-like cells.  Biomaterials. 1995;  16 1187-1192
• 13 Kalteis T, Lüring C, Schaumburger J, Perlick L, Bäthis H, Grifka J. Tissue toxicity of antiseptics.  Z Orthop Ihre Grenzgeb. 2003;  141 233-238
• 14 Kühn K D. Bone cements. Up-to-date comparison of physical and chemical properties of commercial materials. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio 2000
• 15 Linder L. Reaction to bone cement. In: Williams DF (ed). Biocompatibility of Orthopedic Implants. Vol. II. CRC Press, Boca Raton, Fl 1982; 1-23
• 16 Luk A S, Winet H, Bao J Y. Effect of polymethylmethacrylate particles on mature bone in the optical bone chamber.  J Biomed Mater Res. 2001;  55 177-184
• 17 Mjöberg B. Loosening of the cemented hip prosthesis. The importance of heat injury.  Acta Orthop Scand. 1986;  221 (Suppl) 1-40
• 18 Papatheofanis F J, Barmada R. Polymorphonuclear leukocyte degranulation with exposure to polymethylmethacrylate nanoparticles.  J Biomed Mater Res. 1991;  25 761-771
• 19 Spielmann H, Liebsch M, Moldenhauer F, Holzhütter H G, Bagley D M, Lipman J M, Pape W J, Miltenburger H, de Silva O, Hofer H, Steiling W. CAM-based Assays.  Food and Chem Tox. 1997;  35 39-66
• 20 Syverud M, Dahl J E, Hero H, Morisbak E. Corrosion and biocompatibility testing of palladium alloy castings.  Dental Materials. 2001;  17 7-13
• 21 Vinardell M P, Garcia L. The quantitative chorioallantoic membrane test using trypan blue stain to predict the eye irritancy of liquid scintillation cocktails.  Toxicology in-vitro. 2000;  14 551-555
• 22 Wilson T D, Steck W F. A modified HET-CAM assay approach to the assessment of anti-irritant properties of plant extracts.  Food and Chemical Toxicology. 2000;  38 867-872