Auswirkungen von klinisch relevanten Aluminium Keramik-, Zirkonium Keramik- und Titanpartikel unterschiedlicher Größe und Konzentration auf die TNFα-Ausschüttung in einem humanen Makrophagensystem / Effects of clinically relevant alumina ceramic particles, circonia ceramic particles and titanium particles of different sizes and concentrations on TNFα release in a human monocytic cell line

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Abstract
Einleitung: Als großes Problem der modernen Endoprothetik gilt die aseptische Lockerung von Prothesenkomponenten. Als Initiatorzytokin des Particle Disease wird derzeit der Tumor Nekrose Faktor α (TNFα) vermutet. Ziel der Studie war es die TNFα-Ausschüttung von Makrophagen-ähnlichen Zellen (MäZ) zu untersuchen, die durch Partikel, wie sie typischerweise während Revisionsoperationen gefunden werden stimuliert wurden. Hierzu verwendeten wir Aluminiumkeramik- (Al2O3), Zirkoniumoxid- (ZrO2) und Titanpartikel (Ti) unterschiedlicher Konzentration und Größe wie sie typischerweise bei Revisionsoperationen gefunden werden. Insbesondere sollte die Frage beantwortet werden, ob unterschiedliche Partikelgrößen und Materialgruppen (Titan und Keramik) eine differente TNFα-Ausschüttung bewirken. Methode: Um ein TNFα-Profil der einzelnen Materialien zu erhalten, verwendeten wir ein etabliertes Makrophagenmodell (Rader et al. 1999) mit THP-1 Zellen (humane Leukämiezellen). Die verschiedenen Partikelgrößen wurden in unterschiedlichen Konzentrationen für 6h mit 106 MäZ inkubiert. Der Überstand wurde entnommen und durch ELISA-Technik auf die TNFα-Konzentration untersucht. Ergebnis: die Verwendung von Ti-Partikel löste in beiden verwendeten Größen (0,2 μm und 2 μm) mit jeweils 8facher und 17facher TNFα-Sekretion gegenüber der Leerprobe den stärksten Anstieg aus. Es waren jedoch deutlich höhere Mengen an Ti-Partikel der Größe 0,2 μm notwendig, um o.g. Werte zu erreichen. Al2O3-Partikel zeigten ebenfalls eine signifikante Erhöhung der TNFα-Ausschüttung, lagen jedoch mit einer 4fachen Steigerung gegenüber der Leerprobe deutlich unter den Ti-Werten. In der maximalen TNFα-Sekretion fand sich kein Unterschied beider Partikelgrößen (0,6 μm und 2,5 μm), jedoch war eine nahezu 1000fach höhere Konzentration an Al2O3-Partikel der Größe 0,6 μm notwendig. Beim direkten Vergleich von Al2O3- und Ti-Partikeln gleicher Größe und Konzentration stimulierte Ti signifikant höhere TNFα-Ausschüttungen. ZrO2 konnte keine signifikante TNFα-Sekretion hervorrufen. Schlussfolgerung: Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse empfiehlt sich die Verwendung von Keramikgleitpaarungen, die geringere biologische Potenz aufweisen als Metall- oder PE-Gleitpaarungen. Zusätzlich sollten größere Abriebpartikel vermieden werden. Frühzeitige Revisionsoperationen vermeiden große Mengen an Abriebpartikeln, somit könnten ausgedehnte lokale Osteolysen verhindert werden. Introduction: Aseptic loosening is considered to be the main problem of modern endoprothesis. Tumor necrosis factor α (TNFα) seems to be the initiator protein of particle disease. The aim of our study was to investigate the TNFα response of macrophage like cells (MLC) after stimulation with periprosthetic particles, typically found during revision surgery. For this purpose alumina ceramic (Al2O3), circonia ceramic (ZrO2) and titanium (Ti) particles of different sizes and concentrations were used. Important was to study the effects of different sizes due to TNFα secretion and the comparison of the biological effects of alumina ceramic and titanium. Method: To obtain an TNFα profile we used an established macrophage model (Rader et al.) with THP-1 cells (human monocytic cell line). Therefore 106 MLC were incubated with different particle concentrations and sizes for 6 h. The supernatent was then investigated for TNF·using ELISA assay. Results: Ti-particles provoked in both sizes (0,2 μm and 2,5 μm) the greatest TNFα response, 8 times and 17 times as high in comparison with control. But substantially more 0,2 μm sized Ti-particles were necessary to get the above mentioned results. Al2O3-particles were not as effective as Ti, but they released fourfold more TNFα compared to control. There was no difference in TNFα-secretion comparing Al2O3- particles of different sizes (0,6 μm and 2 μm), but a 1000times greater concentration of the 0,6Ìm sized particles were needed. Using Al2O3- and Ti-particles of the same size and concentration, Ti provoked a significant higher TNFα response. ZrO2 showed no effects on TNFα release. Conclusion: Because of our results we recommend ceramic articulating surfaces, which are superior to metal on metal matings ion term of biological reactions. Additionally bigger wear particles should be avoided. Revisionoperation should be done early to avoid huge amount of wear particles and to minimize local osteolysis

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