UHMWPE粒子の付着面積に関連した関節全置換術の感染性合併症のリスク

[The Risk of Total Joint Replacement Infectious Complications in Relation to the UHMWPE Particle Adhesion Area].

• P Fulín
• M Šlouf
• S Krejčíková
• J Hromádková
• D Jahoda
• D Pokorný

抄録

研究の目的 置換術後の関節周囲感染症は、ほとんどの場合、抗生物質の長期投与を必要とし、多くの場合、複数の困難な手術を受けなければならない主要な合併症である。異物への細菌の付着は、人工関節周囲感染症に関連した重要な危険因子の一つです。また、付着面積の大きい異物は、摩耗過程で関節部品の表面から放出されるUHMWPE（超高分子量ポリエチレン）粒子である可能性がある。本研究の目的は、摩耗粒子のサイズおよび形状の多様な分布に関連して摩耗粒子の潜在的な付着面積を評価し、摩耗粒子の付着面積の増加に関連した感染性合併症のリスクの増加を評価することである。材料および方法 モデルおよび実際のUHMWPE粒子のサイズおよび形態を、光顕微鏡および走査型電子顕微鏡を使用して決定した。形態学的記述子を決定することにより、ポリエチレン粒子の異なる分布に対する個々の粒子の表面を計算した。モデル摩耗粒子を測定する際に、６つのモデル状況をシミュレートし、その中でＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕａｗｅｒ-Ｅｍｅｔ-Ｔｅｌｌｌｅｒ）法による対照測定との比較を行った。結果 個々の形態学的記述子の変動性は、粒子の表面全体に対する効果を示している。計算された係数は、与えられた記述子（伸長、平坦化、粗さ、気孔率）に補正したときに、粒子表面が何倍に増加するかを定義する。1年後の実際の摩耗粒子の総面積は4,622cm2であり、20年後には92,440cm2となります。我々の計算によると、実際にバイオフィルムが形成される粒子の面積（直径3µmの粒子に約50個の細菌が付着する可能性がある）は、1年後に809.5cm2、20年後に16,190cm2となります。DISCUSSION 測定結果によると、金属部品とポリエチレン粒子の潜在的な付着面積の大きさは、エンドプロテーゼを使用して数週間後にはすでに等しくなり、数年後には何倍にもなります。問題は、細菌の付着のリスク、すなわちTEPの感染性合併症のリスクが実際に増加するかどうかです。臨床では、UHMWPE粒子の形で潜在的な付着領域の成長が確認されているにもかかわらず、一次埋込後10年後、15年後、20年後などの感染症の数は統計的には高くないことが示唆されている。この事実は、感染およびポリエチレン疾患の部分的に等しい調節経路によって説明され得る。摩耗粒子によって刺激された免疫系は、より良い血行性感染に抵抗することができるかもしれない。結論 研究の結果は、ポリエチレン摩耗粒子の面積が時間の経過とともにかなり増加することを明確に示している。摩耗粒子の約10％しか細菌が付着する可能性のあるパラメータ（粒子と細菌のサイズに関しても）を示さないにもかかわらず、この面積はエンドプロテーゼの金属部分の面積の何倍も大きい。キーワード。UHMWPE粒子、接着、バイオフィルム、摩耗、TJR感染。

PURPOSE OF THE STUDY Periprosthetic joint infection is a major complication which in most of the cases requires a long-term administration of antibiotics and often necessitates undergoing multiple challenging surgeries. Bacterial adhesion to foreign material is one of the key risk factors associated with periprosthetic joint infection. The foreign material with large adhesion area might be also the UHMWPE (Ultrahigh molecular weight polyethylene) particles released during the wear process from the surface of articulating components. The purpose of this study is to evaluate potential adhesion areas of wear particles in relation to diverse distribution of the size and shapes of wear particles in periprosthetic tissue and to assess an increase in the risk of infectious complications associated with an increase in the adhesion area of wear particles. MATERIAL AND METHODS The size and morphology of model and real UHMWPE particles were determined with the use of light microscopy and scanning electron microscopy. By determining the morphological descriptors, the surfaces of individual particles for different distributions of polyethylene particles were calculated. When measuring the model wear particles, 6 model situations were simulated, in which comparisons with the control measurement by the BET (Brunauer-Emmet-Teller) method were made. RESULTS The variability of individual morphological descriptors demonstrates the effect on the total surface of particles. The calculated coefficient defines how many times the particle surface increases when corrected to the given descriptor (elongation, flattening, roughness, porosity). The total area of real wear particles at 1 year is 4,622 cm2, at 20 years it is 92,440 cm2. Based on our calculations, the area of particles where a biofilm is actually formed (approximately 50 bacteria may adhere to a particle of 3µm in diameter) is 809.5 cm2 at 1 year and 16,190 cm2 at 20 years. DISCUSSION According to the measurements, the size of the potential adhesion area of metal parts and polyethylene particles becomes equal already after several weeks of endoprosthesis usage and after a few years it is many times larger. The question is whether the risk of bacterial adhesion, i.e. also the risk of infectious complications of TEP actually increases. The clinical practice suggests that the number of infections e.g. 10, 15 or 20 years after the primary implantation is not statistically higher, despite the confirmed growth of potential adhesion area in the form of UHMWPE particles. This fact could be explained by a partially equal regulatory pathway of infection and polyethylene disease. The immune system stimulated by wear particles might better resist the hematogenic infection. CONCLUSIONS The study outcomes clearly indicate that the area of polyethylene wear particles considerably increases over time. In spite of the fact that only approximately 10% of wear particles show parameters (also with respect to the size of particles and bacteria) for potential bacterial adhesion, this area is many times larger than the area of metal parts of the endoprosthesis. Key words: UHMWPE particle, adhesion, biofilm, wear, TJR infection.