De heupprothese wordt beschouwd als een van de meest succesvolle orthopedische ingrepen, met 75, 000 uitgevoerd elk jaar door de NHS alleen. Echter, de implantaten die worden gebruikt om heupen te vervangen, bevatten metalen, zoals chroom en kobalt, die potentieel toxisch zijn en die door slijtage en corrosie in weefsels rond de implantatieplaats kunnen worden afgezet. Een team van onderzoekers gebruikte röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) op de I18-bundellijn om aan te tonen dat deze metalen ook hun weg kunnen vinden naar orgaanweefsels. Hun resultaten suggereren dat chronische ziekten, zoals suikerziekte, omstandigheden kunnen creëren waarin licht toxisch driewaardig chroom (Cr ^III ) deeltjes van vervangende gewrichten worden opnieuw geoxideerd in het lichaam om kankerverwekkend zeswaardig chroom (Cr ^VI ). Hun resultaten zijn gepubliceerd in de Tijdschrift voor sporenelementen in geneeskunde en biologie .

Metalen in beweging

Heupvervangende operaties hebben een geschiedenis van meer dan honderd jaar, met de vroegste geregistreerde pogingen die in 1891 in Duitsland plaatsvonden. De baanbrekende Engelse chirurg George McKee was de eerste die regelmatig metaal-op-metaal (MOM) heupgewrichten gebruikte, in de jaren vijftig, en Sir John Charnley van de Manchester Royal Infirmary pionierden begin jaren zestig met de moderne heupvervangingstechniek. MOM-implantaten werden in de jaren zeventig niet populair toen bij vervolgoperaties metaaldeeltjes in de weefsels rond het implantaat werden gevonden. Metaal-op-polyethyleen (MOP) implantaten zijn nu het meest gebruikte type.

Hoewel eerder onderzoek heeft aangetoond dat metaaldeeltjes van de kobalt-chroom (CoCr) legering kunnen worden gevonden in weefsels rond het implantaat, er is weinig onderzoek gedaan naar de effecten op systemische of orgaanweefsels. Deze studie was de eerste die het gebruik van microröntgenfluorescentie en microröntgenabsorptiespectroscopie combineerde om de distributie en chemische vorm van kobalt te onderzoeken, chroom en titanium in orgaanweefselmonsters van patiënten die MOP-heupimplantaten hadden gekregen.

Giftig potentieel

CoCr-legering wordt gebruikt in medische implantaten omdat zich over het oppervlak een chroomoxiderijke passiveringslaag vormt, het onderliggende metaal beschermen tegen corrosie. Echter, deze beschermende film kan worden beschadigd door slijtage en corrosie zodra het implantaat zich in het lichaam bevindt.

Kobalt van implantaten kan in twee vormen in het lichaam worden gevonden, waarbij zijn tweewaardige (CoII) toestand giftiger is dan de metallische (Co ⁰ ) staat. Verhoogde niveaus van kobalt in het bloed zijn gekoppeld aan neurologische klachten, cardiomyopathie en hypothyreoïdie.

Chroom heeft drie overheersende toestanden:metaal (Cr0), driewaardig (Cr ^III ) en zeswaardig (Cr ^VI ). Driewaardig chroom is licht giftig, maar zeswaardige chroomverbindingen zijn sterk kankerverwekkend en veroorzaken nierschade.

Een team van onderzoekers gebruikte weefselmonsters uit de lever, milt en hart van vijf patiënten die een heupprothese hadden ondergaan. Voorbereidend werk leidde tot de keuze van weefselgebieden die grondiger moesten worden onderzocht met behulp van synchrotron-technieken. Ze gebruikten micro-röntgenfluorescentie om de metalen elementen in kaart te brengen, en micro-XAS-spectra verkregen in fluorescentiemodus vanwege de lage concentraties metalen in de monsters. Met behulp van het XANES-deel van het spectrum konden de onderzoekers de aanwezige metaaltoestanden bepalen. De voordelen van het gebruik van een synchrotron voor dit werk zijn onder meer de niet-destructieve aard van röntgentechnieken, hun gevoeligheid en hun vermogen om grote weefselgebieden in kaart te brengen.

Een mogelijk verband met chronische ziekten

Dit was het eerste bezoek aan Diamond voor hoofdauteur Ilona Swiatkowska. Ze vond de steun van het beamline-personeel van onschatbare waarde, opmerkend dat "straallijnwetenschapper Konstantin Ignatyev tot middernacht (in het weekend!) bleef om ervoor te zorgen dat we de best mogelijke resultaten konden behalen."

De resultaten toonden de aanwezigheid van chroom in drie verschillende oxidatietoestanden:Cr ⁰ , Cr ^III en een sterker geoxideerde soort, d.w.z. Cr ^V of Cr ^VI . Dit is de eerste studie die een chroomsoort rapporteert die sterker geoxideerd is dan Cr ^III in menselijk weefsel. Hoewel het voor de onderzoekers niet mogelijk was om precies te bepalen welke sterk geoxideerde toestand aanwezig was, de meest waarschijnlijke verklaring is een mengsel van Cr ^III en Cr ^VI oxiden.

Aangezien elke Cr ^VI vrijgekomen uit het implantaat in het bloed zou zijn verminderd voordat het organen bereikte, het is onwaarschijnlijk dat de sterk geoxideerde Cr-deeltjes rechtstreeks uit het implantaat kwamen. Het is waarschijnlijker dat Cr ^III werd opnieuw geoxideerd tot Cr ^VI binnen het lichaam. De monsters waarin deze sterk geoxideerde toestanden werden gevonden, waren afkomstig van twee patiënten met diabetes, en het is mogelijk dat de verhoogde productie van reactieve zuurstofsoorten geassocieerd met diabetes (en andere chronische ziekten) oxidatie van Cr zou hebben aangemoedigd ^III van het implantaat naar hogere valentietoestanden.

Er is beperkt bewijs van een verhoogd risico op kanker bij patiënten die een heupprothese hebben ondergaan. Echter, de meeste eerdere onderzoeken hebben een korte follow-up tijd, die mogelijk onvoldoende zijn om eventuele kwaadaardige veranderingen te detecteren. Nu meer jongere patiënten geadviseerd worden om gewrichtsvervangingen te ondergaan, er zal een toenemend aantal patiënten worden blootgesteld aan implantaatmaterialen gedurende 30 jaar of langer. Verdere toxicologische studies, waaronder patiënten met een chronische ziekte, nodig zijn om deze voorlopige bevindingen te bevestigen, en om te bepalen welke patiënten een hoger risico lopen op weefselbeschadiging en kanker.