Serum markers for immunological response to metal alloys of endoprostheses

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Эндопротезы суставов, компоненты которых изготовлены из металлических сплавов, имплантируются ортопедами на протяжении более полувека. При этом гиперэргическая реакция на металлы присутствует у 10–15 % людей, а у пациентов с неудовлетворительными результатами эндопротезирования она определяется в 60 % случаев [1, 2]. Металлические сплавы выделяют в околосуставные ткани ионы металлов, которые образуют с протеинами комплексы, являющиеся антигенами, способными вызвать сенсибилизацию и последующие иммунологические гиперэргические реакции. Наиболее часто встречается гиперчувствительность к ионам хрома, кобальта и никеля. Клинически это проявляется болью, выпотом в суставную щель, асептическим расшатыванием конструкции [3]. Для диагностики возможной гиперчувствительности к металлам обычно применяются тестовые системы, представляющие собой кожные пластыри с потенциальным аллергеном. Но такой подход позволяет констатировать только наличие у пациента сенсибилизации к металлу без определения возможной реакции тканей на имплантат.

В настоящем сообщении представлен клинический случай больной с двусторонним гонартрозом, позволивший диагностировать иммунологическое отторжение эндопротеза после повторной операции на контрлатеральном суставе и проанализировать причины его развития с помощью новой диагностической технологии «Литос-Система» по морфологическим особенностям твердофазных структур сыворотки крови [4].

Объект исследований. Пациентка К., 73 года. В анамнезе: боли в коленных суставах беспокоят около 10 лет. В феврале 2019 г. выполнено тотальное эндопротезирование правого коленного сустава протезом с задней стабилизацией широко известного в России и мире производителя. Послеоперационный период протекал без осложнений, пациентка быстро восстановилась, боли в оперированном суставе исчезли, движения достигли максимума для этой конструкции.

В связи с положительным исходом первого вмешательства было принято решение о проведении операции на левом коленном суставе, варусная деформация которого была выражена больше, чем в правом. Операция была выполнена в сентябре 2019 г. Оперативное вмешательство оказалось более травматичным из-за необходимости резекции значительной части большеберцовой кости. Ранний послеоперационный период протекал без осложнений, рана зажила первичным натяжением. Однако пациентка не прилагала особых усилий для реабилитации, как делала это после первого эндопротезирования и выписалась из отделения с ограничением сгибания в суставе до 45–50°. В течение нескольких недель дома, в связи с прекращением разработки подвижности правого коленного сустава, движения в нем ограничились до качательных, надколенник стал малоподвижным. Несмотря на то что пациентка стала проводить рекомендованные интенсивные занятия, улучшить ситуацию не удалось. При осмотре пациентки спустя 5 мес. после второй операции обнаружено, что движения в левом (оперированном во вторую очередь) суставе остаются качательными, пальпаторно определяется утолщение мягких тканей области коленного сустава, левый сустав несколько теплее правого. При эндопротезировании обоих коленных суставов применялась одна и та же модель протеза: бедренный компонент — сплав кобальт–хром–молибден (CoCrMo), большеберцовый компонент — сплав титан–алюминий–ванадий (Ti₆Al₄V) и полиэтиленовые вкладыши.

Цель исследования: установить причины функциональной несостоятельности эндопротеза при аналогичной операции на втором коленном суставе.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

С целью выяснения причин воспалительной реакции с последующим фиброзированием во втором оперированном суставе методами клиновидной и краевой дегидратации (технология «Литос-Система», разрешение ФС № 2009/155 от 15 июня 2009 г.) проведено исследование твердофазных структур сыворотки крови пациентки К. Исследование было направлено на выявление специфических морфологических маркеров, характеризующих реакцию организма на материал эндопротеза.

Кровь для исследования забирали из вены строго натощак в количестве 8–10 мл без стабилизатора. Сыворотку крови отделяли путем центрифугирования в течение 15 мин при 1500 об./мин. Затем разливали в 3 пробирки по 1 мл. Одна пробирка с сывороткой крови являлась контрольной — проба 1, во вторую пробирку помещали цилиндр объемом 160 мм³ со сплавом титана, алюминия и ванадия (Ti₆Al₄V) — проба 2, а в третью пробирку — со сплавом кобальта, хрома и молибдена (CoCrMo) — проба 3. Из этих сплавов были изготовлены установленные протезы. Все 3 пробы инкубировали в термостате при 37 °С в течение 18 ч.

Техника постановки метода клиновидной дегидратации: на чистую поверхность трех предметных стекол наносили по капле сыворотки крови каждой пробы в объеме 20 мкл. Капли высыхали в стандартных условиях (температура 20–25 °С, относительная влажность 55–60 %, в специальном шкафу при неподвижности окружающего воздуха). В результате дегидратации в течение 18–24 ч формировались твердофазные структуры сыворотки крови — фации (от лат. facies — лицо, образ). Поиск маркерных структур в фациях осуществляли с помощью стереомикроскопа MZ12 (фирма Leica) в проходящем свете при разных увеличениях в интервале от ×10 до ×100.

Техника постановки метода краевой дегидратации: из тех же 3 пробирок забирали по 3 капли сыворотки крови в объеме 20 мкл, наносили их на поверхность предметного стекла и накрывали покровными стеклами. Так готовились аналитические ячейки для каждой пробы. Дегидратация проходила в стандартных условиях (см. выше) в течение 5 сут. Твердофазные структуры при краевой дегидратации сыворотки крови были представлены анизоморфонами. Выявление маркерных структур анизоморфонов проводили путем микроскопии в поляризованном свете с помощью микроскопа DM2500 (фирма Leica) при разных увеличениях в интервале от ×100 до ×800.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Метод клиновидной дегидратации. Фация сыворотки крови пробы 1 (рис. 1, а) характеризовалась гармонией построения (симметрия радиальных трещин), а также наличием маркера воспаления — в виде широкополосных языковых структур белого цвета в краевой зоне фации и маркера склерозирования — в виде структур типа «лист» по ходу трещин.

 

Рис. 1. Фрагменты фаций сыворотки крови пациентки К.: а (проба 1) — маркеры воспаления (стрелка 1) и склерозирования (стрелка 2); b (проба 2) — маркеры воспаления (стрелка 1) и маркеры умеренно выраженной деструкции — двойная фация, токсические бляшки (стрелка 3); с (проба 3) — маркеры выраженной деструкции и интоксикации (многослойная фация, смазанность структурных границ, потеря радиальной симметрии трещин). Микроскопия в обычном свете. Увел. ×50

Fig. 1. Fragments of facies in the blood serum of patient K.: a (sample 1) — markers of inflammation (arrow 1) and sclerosis (arrow 2); b (sample 2) — markers of inflammation (arrow 1) and markers of moderate destruction — double facies, toxic plaques (arrow 3); с (sample 3) — markers of severe destruction and intoxication (multilayer facies, blurred structural boundaries, loss of radial symmetry of cracks). Microscopy in ordinary light ×50

 

В фации сыворотки крови пробы 2 (рис. 1, b) определялось небольшое нарушение гармонии построения (частичная потеря симметрии радиальных трещин), присутствовали токсические бляшки, признаки «раздвоения» фации (маркер эндогенной интоксикации) и широкие языковые структуры (маркер воспаления).

Фация сыворотки крови пробы 3 (рис. 1, c) представлена хаотическим расположением трещин. Фация не содержит маркеров воспаления, что указывает на нейтрализацию данным сплавом металлов специфических антител, присутствующих в сыворотке крови. Площадь фации занята, в основном, аморфизированными структурами, имеются маркеры выраженной деструкции и интоксикации (многослойная фация, смазанность внутренних структурных границ).

Таким образом, сравнительный анализ картины фаций сыворотки крови пациентки К. показал, что в контрольной пробе присутствуют маркеры гиперэргической реакции и склерозирования (фиброза) тканей. При суточной инкубации сыворотки крови со сплавом титана, алюминия и ванадия (проба 2) структура фации свидетельствует об активации гиперэргической реакции, а при инкубации со сплавом кобальта, хрома и молибдена (проба 3) напротив, — на подавление иммунологической активности сыворотки крови и трансформацию присутствующих в ней структур в аморфный детрит.

Исследование анизоморфонов трех проб сыворотки крови методом краевой дегидратации (аналитические ячейки) показало четкие различия в их структуре. В контрольной пробе (проба 1) изотропные зернистые микросферолиты находились в тесном контакте с макросферолитами, что свидетельствовало о напряжении иммунной реактивности организма (рис. 2, а).

 

Рис. 2. Анизоморфоны сыворотки крови пациентки К. в пробах: а (проба 1) — слияние изотропного зернистого микросферолита с макросферолитом (стрелка); b (проба 2) — россыпи мелких гранул (несформированные микросферолиты), часть из которых связана с макросферолитом без повреждения его структуры; c (проба 3) — аномальная импрегнация микросферолитов и их фрагментов в макросферолит (стрелка), выраженная деструкция макросферолита. Микроскопия в поляризованном свете. Увел. ×200

Fig. 2. Anisomorpha blood serum of the patient K. in the samples: a (sample 1) — merge isotropic granular microspherulites with microspherulites (arrow); b (sample 2) — the scattering of small granules (raw microporosity), some of which are associated with microspherulites without damaging its structure; in (sample 3) — an anomalous impregnation of microspheroidal and their fragments in microspherules (arrow), severe destruction of macroporosity. Microscopy in polarized light ×200

 

Анизоморфоны сыворотки крови пробы 2 (суточная инкубация со сплавом титана, алюминия и ванадия) представлены множественными россыпями мелких гранул, расположенных изолированно или связанных с макросферолитом. При этом структура макросферолита не имела повреждений (рис. 2, b). Подобная картина была описана нами ранее в сыворотке крови больных бронхиальной астмой в период обострения заболевания [5] и дает основание полагать, что контакт с этим сплавом вызывает активацию иммунологической реактивности организма пациента, сенсибилизированного к сплаву металлов. Это положение подтверждается выявлением в этой же пробе маркера усиленной пролиферации в виде каскада параллельных анизотропных линий (рис. 3, а).

 

Рис. 3. Анизоморфоны сыворотки крови: а (проба 2) — каскад параллельных анизотропных линий (маркер пролиферации), увел. ×100; b (проба 3) — волнистый микросферолит (маркер агрессии на ксеногенный фактор), увел. ×800. Микроскопия в поляризованном свете

Fig. 3. SC Anisomorphons: a (sample 2) — cascade of parallel anisotropic lines (proliferation marker), ×100; b (sample 3) — wavy microspherolite (marker of aggression on xenogenic factor), ×800. Microscopy in polarized light

 

Почти все макросферолиты сыворотки крови пробы 3 (сплав кобальта, хрома и молибдена) имели выраженную деструкцию в виде изъеденности их лучевых элементов, при этом они были импрегнированы микросферолитами и их фрагментами, а также включениями в виде линейных структур (рис. 2, с). В аналитических ячейках сыворотки крови пробы 3 выявлялось небольшое число волнистых микросферолитов (рис. 3, b), которые входили в аномальную агрегацию с деструктивными макросферолитами или оставались изолированными. Известно, что данный маркер свидетельствует об агрессивности протекающего процесса. Так, появление волнистого микросферолита в сыворотке крови онкологических больных в процессе лечения означает прогрессию злокачественного роста в результате трансформации злокачественных клеток в наиболее агрессивный клон [4].

ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исходя из клинического опыта наблюдения негативных исходов эндопротезирования (нестабильности протеза) при повторных операциях на суставах и полученных результатов лабораторных исследований, проведенных в настоящей работе, мы считаем, что причиной развития неблагоприятного эффекта эндопротезирования левого коленного сустава является гиперэргическая реакция организма на металлорганические агрегаты имплантата. Постановка первого эндопротеза вызывала асептическое воспаление околосуставных тканей и формирование металлотканевых комплексов, сенсибилизирующих организм. При этом воспаленные околосуставные ткани фиброзировались с формированием рубцовой демаркационной оболочки, по мере развития которой постепенно снижалось сенсибилизирующее действие металлов эндопротеза на организм. Эти процессы отражают структуры твердой фазы сыворотки крови, выявленные методами клиновидной и краевой дегидратации (проба 1).

При второй установке эндопротеза в сенсибилизированном организме развивается активная иммунологическая реакция на вновь формирующиеся металлотканевые комплексы. При этом сплав титана, алюминия и ванадия стимулирует иммунную реакцию с последующим фиброзированием воспаленных тканей и переходом в рубцовую ткань. Это подтверждается маркерными структурами фации и составом анизоморфонов сыворотки крови (проба 2). Демаркационная оболочка может являться причиной ограничения объема движений и, соответственно, функциональной несостоятельности сустава (отрицательный эффект). В то же время сплав кобальта, хрома и молибдена вызывает деструктивное воспаление околосуставной ткани. В результате, у пациентки К. в тканях левого коленного сустава одновременно протекают и процесс фиброзирования, и процесс распада тканей околосуставной сумки. Что касается правого коленного сустава, то за время, прошедшее до второй операции, в нем сформировалась достаточно плотная демаркационная оболочка, способная противостоять агрессивной иммунологической реакции.

ВЫВОДЫ

1. Методы клиновидной и краевой дегидратации (технология «Литос-Cистема») позволяют обнаруживать в сыворотке крови пациента морфологические маркеры сенсибилизации организма к металлам, входящим в состав эндопротеза.
2. Установлено, что характер иммунологической реакции сенсибилизированного организма зависит от вида металлов, входящих в состав эндопротеза. На сплав титана, алюминия и ванадия иммунная реакция вызывает воспаление околосуставной ткани с последующим ее фиброзированием и образованием рубцовой демаркационной оболочки, отделяющей околосуставные ткани от эндопротеза и выполняющей функцию иммунологического барьера. На сплав кобальта, хрома и молибдена иммунологическая реакция вызывает деструкцию воспаленной околосуставной ткани с последующим постепенным разрушением суставной сумки.
3. При подготовке второй операции эндопротезирования контрлатерального сустава необходимо определять методами клиновидной и краевой дегидратации (технология «Литос-Система») реакцию сыворотки крови пациента на материал, планируемый к эндопротезированию. Следует имплантировать эндопротезы, материал которых при инкубации с сывороткой крови пациента не вызывает аморфизацию структуры фаций, деструкцию анизоморфонов и образование волнистых микросферолитов.

About the authors

Svetlana N. Shatokhina

M.F. Vladimirsky’s Moscow regional research clinical institute

Author for correspondence.
Email: sv_n@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-9441-4383

PhD, professor, head of the Department of clinical laboratory diagnostics

Russian Federation, Moscow

Vadim V. Zar

M.F. Vladimirsky’s Moscow regional research clinical institute, Moscow

Email: vzar@list.ru

MD, leading researcher of the Department of traumatology and orthopedics, associate professor of the Department of traumatology and orthopedics

Russian Federation, Moscow

Mikhail V. Zar

The Institute of general pathology and pathophysiology

Email: vzar@list.ru

clinical resident of the Department of traumatology and orthopedics

Russian Federation, Moscow

Vladimir Nikolaevich Shabalin

Federal State Budget Scientific Research Institute of General Pathology and Pathophysiology;

Email: shabalin.v2011@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1861-759X

PhD, MD, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher, Laboratory of Biocrystallomics,

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files