Ключові слова
нікель
експеримент
імунна відповідь
сенсибілізація
реакція гіперчутливості до металів
моделювання на тваринах
біосумісність
щури
Як цитувати
Анотація
Вступ. Тема реакції гіперчутливості до металів (РГМ) входить у перелік найбільш суперечливих та складних в ортопедо-травматологічній практиці. РГМ є діагностично складними, оскільки вони є діагнозом виключення. Достеменно невідомо, які біомаркери можуть достовірно передбачити потенційну патологічну реакцію на імплантати.
Мета даної роботи – дослідження реакції гіперчутливості на ортопедичні імплантати, що містять у своєму складі нікель.
Матеріали та методи. Дослідження проведено на щурах-самках лінії Wistar, відповідно до стандартів біоетичних принципів. Для отримання доказових результатів, тварин було розподілено на дві експериментальні групи: з попередньою сенсибілізацією ад’ювантом Фрейнда до Ni та без неї. Щурам під загальною анестезією були імплантовані нікелеві пластини загальною площею 24 мм2. Через 5 місяців після втручання тварин виводили з експерименту, було проведено гістологічне дослідження отриманих зразків. Вилучені імпланти досліджували методом електронної мікроскопії для оцінки стану поверхні імплант. Локальний елементний склад імплантів аналізували за допомогою енергодисперсійного спектрометра.
Результати. За даних експериментальних умов було показано, що через 5 місяців після операції, у щурів навколо імплантів сформувалась щільна сполучнотканинна капсула з запальним інфільтратом у просвіті капсули. Це свідчить про можливий прояв реакції гіперчутливості на імпланти, що містять у своєму складі Ni. Електронна мікроскопія поверхні вилучених імплантів дозволила виявити явища корозії в усіх вилучених зразках. Ступінь корозії був більш вираженим у групі тварин з попередню сенсибілізацією до Ni, були виявлені віддалені часточки (Nі), що можна охарактеризувати, як початок руйнації імпланту.
Висновки. Навколо імплантатів формується сполучнотканинна капсула, яка за щільністю колагену на 34,8% була більшою у піддослідних тварин до імплантації сенсибілізованих нікелем, що можуть відповідати проявам тканинних реакції з ознаками гіперчутливості. Подальше дослідження дасть глибше розуміння фундаментальної запальної та імунологічної реакцій на метали, що входять до складу імплантів. Це в свою чергу полегшить ідентифікацію клінічно корисних призначень, необхідних для розробки діагностичних або прогностичних тестів для пацієнтів з металевими імплантатами.
Посилання
Pacheco, K.A. (2015). Allergy to surgical implants. J Allergy Clin Immunol Pract, 3, 683e695. https://doi.org/10.1016/j.jaip.2015.07.011.
Stamm, A., Kozlowski, P., Brandenberger, J. (2017). Surgical solution to an intracorporeal nickel allergy. Rev Urol., 19, 195e197. https://doi.org/10.3909/riu0769.
Hallab, N., Merritt, K., Jacobs, J.J. (2001). Metal sensitivity in patients with orthopaedic implants. J Bone Joint Surg Am, 83(3), 428-436. doi: 10.2106/00004623-200103000-00017.
Lazarenko, H., & Boiko, I. (2022). Hypersensitivity Reaction to Orthopedic Implants: Current State of the Problem (Literature Review). Terra orthopaedica, (3(114), 61-72. https://doi.org/10.37647/0132-2486-2022-114-3-61-72
Rajan, T.V. (2003). The Gell-Coombs classification of hypersensitivity reactions: a re-interpretation. Trends Immunol., 24(7), 376-379. doi:10.1016/s1471-4906(03)00142-x
Baumann, C.A., Crist, B.D. Nickel allergy to orthopaedic implants: A review and case series, Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma. https://doi.org/10.1016/j.jcot.2020.02.008
Summer, B., Paul, C., Mazoochian, F., Rau, C., Thomsen, M., Banke, I., (2010). et al. Nickel (Ni) allergic patients with complications to Ni containing joint replacement show preferential IL-17 type reactivity to Ni. Contact Dermatitis., 63(1), 15–22. doi: 10.1111/j.1600-0536.2010.01744.x.
Lu, L.K., Warshaw, E.M., Dunnick, C.A (2009). Prevention of nickel allergy: The case for regulation? Dermatol Clin, 27(2), 155-161. vi-vii. DOI: 10.1016/j.det.2008.11.003
Thyssen, J.P., Menné, T. (2010). Metal allergy: A review on exposures, penetration, genetics, prevalence, and clinical implications. Chem Res Toxicol, 23(2), 309-318. DOI: 10.1021/tx9002726
Ahlstrom, M.G., Thyssen, J.P., Menne, T., Johansen, J.D. (2017). Prevalence of nickel allergy in Europe following the EU Nickel Directive - a review. Contact Dermatitis.,77(4), 193. DOI: 10.1111/cod.12846
Rastogi, S., Patel, K.R., Singam, V., et al. (2018). Associations of Nickel Co-Reactions and Metal Polysensitization in Adults. Dermatitis, 29(6), 316–20. DOI: 10.1097/DER.0000000000000421
Duarte, I., Mendonca, R.F., Korkes, K.L., et al. (2018). Nickel, chromium and cobalt: the relevant allergens in allergic contact dermatitis. Comparative study between two periods: 1995-2002 and 2003-2015. An Bras Dermatol., 93(1), 59–62.
Thyssen, J.P., Menne, T. (2010). Metal allergy–a review on exposures, penetration, genetics, prevalence, and clinical implications. Chem Res Toxicol., 23, 309e318. https://doi.org/10.1021/tx9002726.
Schafer, T.B. € ohler, E., Ruhdorfer, S., et al. (2001). Epidemiology of contact allergy in adults. € Allergy, 56, 1192e1196. https://doi.org/10.1034/j.1398- 9995.2001.00086.x.
Roberts, T.T., Haines, C.M., Uhl, R.L. (2017). Allergic or hypersensitivity reactions to orthopaedic implants. J Am Acad Orthop Surg., 25, 693e702. https://doi.org/ 10.5435/JAAOS-D-16-00007
Lachiewicz, P.F., Watters, T.S., Jacobs, J.J. (2016). Metal hypersensitivity and total knee arthroplasty. J Am Acad Orthop Surg., 24, 106e112. https://doi.org/ 10.5435/JAAOS-D-14-00290
Granchi, D., Cenni, E., Giunti, A., et al. (2012). Metal hypersensitivity testing in patients undergoing joint replacement: a systematic review. J Bone Joint Surg Br., 94, 1126e1134. https://doi.org/10.1302/0301-620X.94B8.28135.
Thomas, P. (2014). Clinical and diagnostic challenges of metal implant allergy using the example of orthopaedic surgical implants: Part 15 of the Series Molecular Allergology. Allergo J Int., 23,179e185. https://doi.org/10.1007/s40629- 014-0023-3.
Goon, A.T., Goh, C.L. (2005). Metal allergy in Singapore. Contact Dermatitis, 52, 130e132. https://doi.org/10.1111/j.0105-1873.2005.00518.x.
Maradit Kremers H., Larson, D.R., Crowson, C.S., et al. (2015). Prevalence of total hip and knee replacement in the United States. J Bone Joint Surg Am., 97, 1386e1397. https://doi.org/10.2106/JBJS.N.01141.
On protection of animals from cruel treatment. Law of Ukraine No3447-IV of February 21. (2006). URL: http://zakon.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/ main.cgi?nreg=3447-1510.
Directive 2010/63/eu of the european parlia-ment and of the council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes (Text with EEA relevance) (2010). Official Journal of the European Union. 276/33 – 276/79. Available from: https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:276:0033:0079:en:PDF
European Convention for the protection of vertebrate animals used for research and other scientific purposes. Strasbourg. (1986). 18 March. Available from: http://zakon.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/ main.cgi?nreg=994_137. 2111.
Watanabe, M., Ishimaru, N., Ashrin, M.N., et al. (2011). A novel DC therapy with manipulation of MKK6 gene on nickel allergy in mice. PLoS One, 6(4), e19017. doi:10.1371/journal.pone.0019017
Van Hoogstraten, I. M., C. Boos, D. Boden, M. E. von Blomberg, R. J. Scheper, G. Kraal. (1993). Oral induction of tolerance to nickel sensitization in mice. J. Invest. Dermatol., 101, 26 DOI: 10.1111/1523-1747.ep12358502
López De Padilla, C.M., Coenen, M.J., Tovar, A., De la Vega, R.E., Evans, C.H., Müller, S.A. (2021). Picrosirius Red Staining: Revisiting Its Application to the Qualitative and Quantitative Assessment of Collagen Type I and Type III in Tendon. J Histochem Cytochem., 69(10), 633-643. doi: 10.1369/00221554211046777
Christo, S. N., Diener, K. R., Bachhuka, A., Vasilev, K., and Hayball, J. D. (2015). Innate Immunity and Biomaterials at the Nexus: Friends or Foes, Biomed Res Int, 342304. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26247017.
Furie, B., and Furie, B. C. (2004). Role of platelet P-selectin and microparticle PSGL-1 in thrombus formation, Trends Mol Med, 10, 171-8. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15059608.
Anderson, J. M., Rodriguez, A., and Chang, D. T. (2008). Foreign Body Reaction to Biomaterials. Seminars in immunology, 20, 86-100. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2327202
Major, M. R., Wong, V. W., Nelson, E. R., Longaker, M. T., and Gurtner, G. C. (2015). The foreign body response: at the interface of surgery and bioengineering. Plast Reconstr Surg, 135, 1489-98. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25919260.
Krafts, K. P. (2010). Tissue repair: The hidden drama. Organogenesis, 6, 225-33. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21220961.
Chiquet, M. (1999). Regulation of extracellular matrix gene expression by mechanical stress. Matrix Biol, 18, 417-26. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10601729.
Jetten, N., Verbruggen, S., Gijbels, M. J., Post, M. J., De Winther, M. P., and Donners, M. M. (2014). Antiinflammatory M2, but not pro-inflammatory M1 macrophages promote angiogenesis in vivo. Angiogenesis, 17, 109-18. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24013945.
Jha, A. K., Huang, S. C., Sergushichev, A., Lampropoulou, V., Ivanova, Y., Loginicheva, E., Chmielewski, K., Stewart, K. M., Ashall, J., Everts, B., Pearce, E. J., Driggers, E. M., and Artyomov, M. N. (2015). Network integration of parallel metabolic and transcriptional data reveals metabolic modules that regulate macrophage polarization. Immunity, 42, 419-30. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25786174.
Kim, K. K., Sheppard, D., and Chapman, H. A. (2018). TGF-beta1 Signaling and Tissue Fibrosis. Cold Spring Harb Perspect Biol, 10. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28432134.
Kzhyshkowska, J., Gudima, A., Riabov, V., Dollinger, C., Lavalle, P., and Vrana, N. E. (2015). Macrophage responses to implants: prospects for personalized medicine. J Leukoc Biol, 98, 953-62. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26168797.
Hallab, N. J., and Jacobs, J. J. (2017). Chemokines Associated with Pathologic Responses to Orthopedic Implant Debris. Front Endocrinol (Lausanne), 8, 5. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28154552.
Konttinen, Y. T., Pajarinen, J., Takakubo, Y., Gallo, J., Nich, C., Takagi, M., and Goodman, S. B. (2014). Macrophage polarization and activation in response to implant debris: influence by "particle disease" and "ion disease". J Long Term Eff Med Implants, 24, 267-81. Available from: http://www.dl.begellhouse.com/download/article/5ef89af34a38a925/JLT_11355_b.pdf.
Athanasou, N. A. (2016). The pathobiology and pathology of aseptic implant failure. Bone Joint Res, 5, 162-8. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27146314.
Hallab, N. J., and Jacobs, J. J. (2009). Biologic effects of implant debris. Bull NYU Hosp Jt Dis, 67,182-8. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19583551.
Gill, H. S., Grammatopoulos, G., Adshead, S., Tsialogiannis, E., and Tsiridis, E. (2012). Molecular and immune toxicity of CoCr nanoparticles in MoM hip arthroplasty. Trends Mol Med, 18, 145-55. Available from: https://doi.org/10.1016/j.molmed.2011.12.002.
Moore, L. B., and Kyriakides, T. R. (2015). Molecular Characterization of Macrophage-Biomaterial Interactions. Adv Exp Med Biol, 865, 109-22. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26306446.
Klopfleisch, R., and Jung, F. (2017). The pathology of the foreign body reaction against biomaterials. J Biomed Mater Res A, 105, 927-40. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27813288.
Akbar, M., Fraser, A. R., Graham, G. J., Brewer, J. M., and Grant, M. H. (2012). Acute inflammatory response to cobalt chromium orthopaedic wear debris in a rodent air-pouch model. J R Soc Interface, 9, 2109-19. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22513721.
Jhunjhunwala, S., Aresta-DaSilva, S., Tang, K., Alvarez, D., Webber, M. J., Tang, B. C…… Lavin, D. M. (2015). Neutrophil Responses to Sterile Implant Materials. PLoS One, 10, e0137550. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26355958.
Jorch, S. K., and Kubes, P. (2017). An emerging role for neutrophil extracellular traps in noninfectious disease. Nat Med, 23, 279-87. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28267716.
Goncalves, D. M., Chiasson, S., and Girard, D. (2010). Activation of human neutrophils by titanium dioxide (TiO2) nanoparticles. Toxicol In Vitro, 24, 1002-8. Available from: https://doi.org/10.1016/j.tiv.2009.12.007.
Ye, Q., Harmsen, M. C., van Luyn, M. J., and Bank, R. A. (2010). The relationship between collagen scaffold cross-linking agents and neutrophils in the foreign body reaction. Biomaterials, 31, 9192-201. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20828809.
Grammatopoulos, G., Munemoto, M., Inagaki, Y., Tanaka, Y., and Athanasou, N. A. (2016). The Diagnosis of Infection in Metal-on-Metal Hip Arthroplasties. J Arthroplasty, 31, 2569-73. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27235328.
Krenn, V., Morawietz, L., Perino, G., Kienapfel, H., Ascherl, R., Hassenpflug, G. J…. Thomsen, M. (2014). Revised histopathological consensus classification of joint implant related pathology. Pathol Res Pract, 210, 779-86. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25454771.
Perino, G., Sunitsch, S., Huber, M., Ramirez, D., Gallo, J., Vaculova, J…. Natu, S. (2018). Diagnostic guidelines for the histological particle algorithm in the periprosthetic neo-synovial tissue., BMC Clin Pathol, 18, 7. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30158837.
Clayton, G. M., Wang, Y., Crawford, F., Novikov, A., Wimberly, B. T., Kieft, J. S…. Falta, M. T., (2014a). Structural basis of chronic beryllium disease: linking allergic hypersensitivity and autoimmunity. Cell, 158, 132-42. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24995984.
Catelas, I., Lehoux, E. A., Hurda, I., Baskey, S. J., Gala, L., Foster, R., Kim, P. R., and Beaule, P. E. (2015). Do patients with a failed metal-on-metal hip implant with a pseudotumor present differences in their peripheral blood lymphocyte subpopulations?. Clin Orthop Relat Res, 473, 3903-14. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmid/26324830/.
Hasegawa, M., Iino, T., and Sudo, A. (2016). Immune response in adverse reactions to metal debris following metal-on-metal total hip arthroplasty. BMC Musculoskelet Disord, 17, 221. Available from: https://doi.org/10.1186/s12891-016-1069-9.
Paukkeri, E. L., Korhonen, R., Hamalainen, M., Pesu, M., Eskelinen, A., Moilanen, T., and Moilanen, E. (2016). The Inflammatory Phenotype in Failed Metal-On-Metal Hip Arthroplasty Correlates with Blood Metal Concentrations. PLoS One, 11, e0155121. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27227536.
Hallab, N. J., Caicedo, M., Finnegan, A., and Jacobs, J. J. (2008). Th1 type lymphocyte reactivity to metals in patients with total hip arthroplasty. J Orthop Surg Res, 3, 6. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18271968.
Penny, J. O., Varmarken, J. E., Ovesen, O., Nielsen, C., and Overgaard, S. (2013). Metal ion levels and lymphocyte counts: ASR hip resurfacing prosthesis vs. standard THA: 2-year results from a randomized study. Acta Orthop, 84, 130-7. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3639332/pdf/ORT-84-130.pdf.
Revell, P. A., Matharu, G. S., Mittal, S., Pynsent, P. B., Buckley, C. D., and Revell, M. P. (2016). Increased expression of inducible co-stimulator on CD4+ T-cells in the peripheral blood and synovial fluid of patients with failed hip arthroplasties. Bone & Joint Research, 5, 52-60. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4852791/.
Markel, D. C., Bergum, C., Flynn, J., Jackson, N., Bou-Akl, T., and Ren, W. (2018). Relationship of Blood Metal Ion Levels and Leukocyte Profiles in Patients With Articular Surface Replacement Metalon-Metal Hip Replacement. Orthopedics, 41, e424-e31. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29708567.
Du, Z., Wang, S., Yue, B., Wang, Y., and Wang, Y. (2018). Effects of wear particles of polyether-etherketone and cobalt-chromium-molybdenum on CD4- and CD8-T-cell responses. Oncotarget, 9, 11197-208. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29541407.
Samelko, L., Caicedo, M. S., Jacobs, J., and Hallab, N. J. (2019). Transition from metal-DTH resistance to susceptibility is facilitated by NLRP3 inflammasome signaling induced Th17 reactivity: Implications for orthopedic implants. PLoS One, 14, e0210336. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30653583.
Hart, A. J., Skinner, J. A., Winship, P., Faria, N., Kulinskaya, E., Webster, D., Muirhead-Allwood, S., Aldam, C. H., Anwar, H., and Powell, J. J. (2009). Circulating levels of cobalt and chromium from metal on-metal hip replacement are associated with CD8+ T-cell lymphopenia. J Bone Joint Surg Br, 91, 835-42.
Perino, G., Ricciardi, B. F., Jerabek, S. A., Martignoni, G., Wilner, G., Maass, D., Goldring, S. R., and Purdue, P. E. (2014). Implant based differences in adverse local tissue reaction in failed total hip arthroplasties: a morphological and immunohistochemical study. BMC Clin Pathol, 14,39. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25242891.
Singleton, H., Popple, A., Gellatly, N., Maxwell, G., Williams, J., Friedmann, P. S., Kimber, I., and Dearman, R. J. (2016). Anti-hapten antibodies in response to skin sensitization. Contact Dermatitis, 74, 197-204. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26560413.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.