4.4.5 Implantatbedingte tiefe Infektionen und Partikelerkrankungen

Implantate können sich infolge früher (< 3 Monate nach der Implantation), verzögerter (3-24 Monate) oder später (> 24 Monate) implantatbedingter tiefer Infektionen lockern. Dies bezieht sich auf eine Organ- / Rauminfektion, was eine Ausdehnung auf metallische und andere Implantatkomponenten bedeutet. Es ist tiefer als eine tiefe Narbeninfektion, die Muskeln oder Faszien betrifft, sich aber nicht auf Implantatbiomaterialien erstreckt. Oberflächliche Infektionen sind Wundinfektionen der Haut und des Unterhautgewebes an der Narbenstelle. Frühe tiefe implantatbedingte Infektionen werden häufig durch Kontamination mit virulentem S. aureus verursacht und durch weniger virulente, aber natürlich resistente S. epidermidis verzögert, die eifrig einen schützenden Biofilm bildet. Bei späten Infektionen kommt es häufig zu einer hämatogenen Ausbreitung von einem entfernten Ort über Bakteriämie, aber solche Infektionen treten auch als frühe und verzögerte Infektionen auf.

Die Wirtsantwort wird durch den lokalen und/oder systemischen Immunstatus bei rheumatoider Arthritis, hohe Risikoscore-Werte basierend auf der Beurteilung des körperlichen Zustands des Patienten vor der Operation (z., scores > 2 nach der fünfstufigen Skala der American Society of Anaesthesiologists (ASA) Score basierend auf Komorbidität), Diabetes mellitus, krankhafte Fettleibigkeit, immunsuppressive Medikamente, Unterernährung, Remote Site Infektionen, hohes Alter, Rauchen, hohe postoperative INR (international normalized Ratio/Blutungen und Hämatome), langer präoperativer Krankenhausaufenthalt vor der Operation (> 4 Tage) und lange Operationsdauer (> 2 Stunden) (Jämsen et al., 2010). Ein wichtiger Schritt bei implantatbedingten tiefen Infektionen ist die Fähigkeit von Bakterien, während der Initiierungsphase an der abiotischen Implantatoberfläche zu haften und zu kolonisieren und den Biofilm extrazelluläre polymere Substanz (EPS; bakterieller Schleim) zu bilden und zu wachsen, der später auch metastasieren kann, indem embolienhaltige Bakterien an entfernte Stellen geschickt werden. Metall- und andere Biomaterialoberflächen werden schnell von Serumproteinen beschichtet, aber auch andere Serumkomponenten wie Cholesterin und Bakterien und Wirtszellen konkurrieren um diese Oberfläche (mikrobielle Adhäsion vs. Gewebeintegration; ‚das Rennen um die Oberfläche‘ Konzept formuliert von Antony Gristina, 1987). Biofilm ist für die Mikroben als physikalische Barriere sehr schützend und führt zur Umwandlung von Planktonbakterien in ruhende Biofilmbewohner, die zusätzlich eine intelligente Quorum-Sensing-Kommunikation zum Wohle des Überlebens der mikrobiellen Gemeinschaft ausüben. In diesem Wettbewerb spielen Oberflächenrauheit (oder Topographie), freie Oberflächenenergie, elektrokinetisches Zeta (ζ) -Potential, Oberflächenchemie und viele andere Faktoren eine Rolle. Eine raue Oberfläche soll für Infektionen prädisponieren. Biomaterialoberflächen mit 25 mJ/m2 Oberflächenenergie sollen am widerstandsfähigsten gegen bakterielle Adhäsion sein (Pereni et al., 2006; Myllymaa et al., 2013), wobei die Beziehung zwischen der freien Oberflächenenergie und der Proteinbindung / Bakterienadhäsion um diesen kritischen Oberflächenspannungs-Theta (θ) -Wert die Form einer Baier-Kurve annimmt (Baier, 2006). Die Beziehung zwischen ζ Potential und bakterieller Bindung ist noch nicht geklärt, aber es scheint, dass die schnelle und dynamische Plasmaproteinhüllenbildung nach dem Vroman-Effekt (Vroman et al., 1980) reguliert die Anfangsphase der Bioadhäsion, die jedoch einen multifaktoriellen Ursprung und einen dynamischen Charakter hat. Trotz der offensichtlichen Zunahme implantatbedingter tiefer Infektionen gilt die aseptische Lockerung als häufigere Art des Versagens einer Totalgelenksendoprothetik (Malchau et al., 1993). Daher konzentriert sich der Rest dieses Abschnitts auf diese aseptische Art der Lockerung.

Einige der 0,1–20 µm großen Verschleißpartikel sind phagozytiert, während andere in der extrazellulären Matrix verbleiben. Partikel der Submikrongröße (< 1 µm), in der gleichen Größenklasse wie die meisten Staphylokokken (0,5–1,5 µm), gelten als am meisten irritierend. Monozyten / Makrophagen versuchen, die Metall- (oder Polymer-) Partikel zu verdauen, jedoch ohne Erfolg. Dies kann zur Rekrutierung von mehr hämatogenen Monozyten an der Entzündungsstelle, ihrer Reifung zu homöostatischen M0-, Killer-M1- oder Reparatur- und Auffangmakrophagen vom M2-Typ führen (Nich et al., 2013; Pajarinen et al., 2013) und multinukleäre Riesenzellen und Organisation zu Fremdkörpergranulomen. Diese sogenannte Fremdkörperreaktion ist mit der lokalen Produktion von entzündungsfördernden Zytokinen wie TNF-α und IL-1β verbunden. Verschiedene Proteinasen, einschließlich Matrixmetalloproteinasen und Cathepsin K, werden produziert. Schließlich werden Wachstums- und Differenzierungsfaktoren produziert. Dazu gehören der Makrophagen-Kolonie-stimulierende Faktor (M-CSF) und der Rezeptoraktivator des Kernfaktor-Kappa-B-Liganden (RANKL), die die Bildung von Fremdkörper-Riesenzellen und Osteoklasten weiter verbessern. Osteoklasten vermitteln periprothetische Osteolyse und langfristig Lockerung. Eine zentrale Rolle bei der aseptischen Lockerung von totalen Gelenkimplantaten wird der Fremdkörperreaktion oder ‚Partikelkrankheit‘ zugeschrieben (Gallo et al., 2013). Daher wurde vorgeschlagen, dass die Toxizität von Kobalt-Chrom von Vorteil sein könnte. Dies könnte eine mäßigende Wirkung auf die Fremdkörperreaktion haben. Dies gilt nicht für zu hohe Konzentrationen, wie die neuen Erfahrungen mit den HRA- und Kopf-THR-MoM-Implantaten mit großem Durchmesser ergeben haben.

Aufgrund der Bildung von nanogrößen Partikeln, insbesondere aus MoM (oft < 50 nm) und CoC (2-25 nm) Implantaten, ist auch eine nicht partikelunabhängige zelluläre Aufnahme durch Pinozytose wichtig. Dies kann als Clathrin-vermittelte Endozytose (~ 120 nm Vesikel), Caveolin-vermittelte Endozytose (~ 60 nm Vesikel), Clathrin- und Caveolin-unabhängige Endozytose (~ 90 nm Vesikel) und Makropinozytose (> 1 µm Vesikel) auftreten (Conner und Schmid, 2003). Pinozytose von Ablagerungen in Nanogröße oder löslichen Metallionen (< 0.1 nm) hat in der Implantatforschung bisher relativ wenig Beachtung gefunden.