REAZIONI DI IPERSENSIBILITÀ RITARDATA IN PAZIENTI PORTATORI DI ARTROPROTESI DI GINOCCHIO INDICE INTRODUZIONE........................................................................................................4 CAPITOLO 1...............................................................................................................6 ARTICOLAZIONE DEL GINOCCHIO...................................................................6 CENNI DI ANATOMIA........................................................................................................6 CENNI DI PATOLOGIA .....................................................................................................7 Artrosi....................................................................................................................7 Artrite reumatoide.................................................................................................9 Fratture................................................................................................................11 Fratture dell'estremo distale del femore...........................................................11 Fratture dell’estremità prossimale della tibia..................................................12 Fratture della rotula..........................................................................................13 Spondilite anchilopoietica...................................................................................13 Artrite settica.......................................................................................................15 Sinovite villo-nodulare pigmentosa.....................................................................16 Artrite psoriasica.................................................................................................17 Artropatia emofiliaca..........................................................................................19 CAPITOLO 2.............................................................................................................20 PROTESI DI GINOCCHIO.....................................................................................20 STORIA ED EVOLUZIONE DELLA PROTESI DI GINOCCHIO........................................................20 Tipi di protesi ......................................................................................................22 Materiali impiegati per la costruzione della protesi di ginocchio .....................33 Polietilene........................................................................................................33 Ceramici...........................................................................................................35 Cementi ossei...................................................................................................37 Metalli e leghe.................................................................................................39 EFFETTI TOSSICI DEGLI IONI METALLICI ............................................................................40 Cromo..................................................................................................................42 Cobalto................................................................................................................44 Alluminio.............................................................................................................46 Titanio..................................................................................................................48 Vanadio................................................................................................................50 CAPITOLO 3.............................................................................................................52 MOBILIZZAZIONE DELLA PROTESI DI GINOCCHIO.................................52 VALUTAZIONE CLINICA..................................................................................................53 VALUTAZIONE STRUMENTALE..........................................................................................54 VALUTAZIONE RADIOGRAFICA.........................................................................................54 CAPITOLO 4.............................................................................................................56 2 INTERAZIONE FRA SISTEMA IMMUNITARIO E MATERIALI DA IMPIANTO.................................................................................................................56 FISIOPATOLOGIA DELLA RISPOSTA IMMUNITARIA AI BIOMATERIALI ..........................................57 Reazione tessutale all’impianto...........................................................................57 Interazione con il sistema immunitario...............................................................59 Ipersensibilità......................................................................................................60 Immunodepressione.............................................................................................64 STRATEGIA PER LA VALUTAZIONE DELLA IMMUNOTOSSICITÀ ................................................65 Risposta tessutale................................................................................................66 Risposta umorale.................................................................................................67 Risposta cellulo-mediata.....................................................................................68 STUDIO CLINICO SPERIMENTALE...................................................................73 RAZIONALE..........................................................................................................73 PAZIENTI E METODI............................................................................................74 Pazienti ...............................................................................................................74 Patch test.............................................................................................................76 Analisi statistica..................................................................................................79 RISULTATI .............................................................................................................81 Distribuzione delle frequenze e analisi delle tavole di contingenza...................81 Accuratezza diagnostica......................................................................................87 Analisi della sopravvivenza.................................................................................88 DISCUSSIONE ......................................................................................................95 ................................................................................................................................99 CONCLUSIONE...................................................................................................100 BIBLIOGRAFIA.....................................................................................................101 3 INTRODUZIONE L'artroprotesi di ginocchio costituisce oggi una tecnica particolarmente diffusa nel campo della chirurgia ortopedica ricostruttiva. Negli Stati Uniti in un solo anno vengono impiantate più di duecentomila protesi di ginocchio, con una stima di crescita di oltre 85% (AHRQ Evidence Reports). Solo nella regione di EmiliaRomagna dal 1 luglio 2000 al 31 dicembre 2003 sono impiantate 9333 protesi di ginocchio (Registro della regione Emilia-Romagna, 2004). La protesi di ginocchio trova valida applicazione in tutte quelle patologie che, danneggiando direttamente o secondariamente le superfici articolari, causano dolore e limitazione funzionale dell'articolazione del ginocchio. In questi casi i risultati della terapia fisica e dell' impiego degli antidolorifici sono scarsi e di breve durata, ma comunque utili in quei pazienti considerati troppo giovani per l'impianto di protesi. Va infatti tenuto presente che la "vita media" predetta in base ai test meccanici di laboratorio può essere molto diversa in base alle condizioni che la protesi si trova ad affrontare nell’organismo vivente: si valuta che in vivo la durata media degli impianti di ginocchio si aggiri attorno ai dieci-dodici anni, con variazioni abbastanza ampie in funzione di variabili individuali quali l'età, il peso, l'attività fisica del paziente e la patologia che ha portato all' impianto. Si tende quindi, quando possibile, a posticipare l'intervento per evitare il rischio di reimpianto. L’uso di materiali ad elevata resistenza e sicuramente biocompatibili, una tecnica chirurgica accurata, la scelta del tipo opportuno di protesi in relazione al paziente, costituiscono i presupposti essenziali per aumentare la vita dell' impianto. Varie possono essere le patologie che portano alla protesizzazione di un ginocchio. Nella casistica di 7174 interventi di artroprotesi di ginocchio cementata, non cementata e ibrida, impiantate tra 1994 e 2000 in Norvegia, nel 76% dei casi la patologia rilevata è gonartrosi primitiva, nel 15% artrite reumatoide, nel 4,1% fratture 4 e loro esiti (artrosi e necrosi post-traumatiche, pseudoartrosi), nel 3,4% sequele di danni meniscali, nell’1,4% patologie secondarie a danni dei legamenti, nel 2% patologie più rare quali osteonecrosi tibiale o femorale, spondilite anchilosante, artrite settica, osteocondrite, artrite psoriasica, artrite emofiliaca e sinovite villo-nodularepigmentosa. (Furnes et al., 2002) 5 CAPITOLO 1 Articolazione del ginocchio Cenni di anatomia L’articolazione del ginocchio si suddivide nei compartimenti femoro-tibiale e femoro-rotuleo. Il rapporto articolare, che si stabilisce tra femore e rotula, può essere definito come artrodia, mentre quello femoro-tibiale è riconducibile per alcuni caratteri alle articolazioni condiloidee, per altri ai ginglimi angolari. Inoltre, mentre le superfici articolari consentirebbero un’estesa libertà di movimenti, l’apparato legamentoso dell’articolazione finisce per limitarli alla sola flesso-estensione. A livello del ginocchio si verifica la trasmissione del peso corporeo alla gamba, perciò all’articolazione spetta anche un importante compito statico. Il femore partecipa all’articolazione con la superficie patellare anteriore, foggiata a troclea, e con le superfici articolari dei condili. La tibia prende parte all’articolazione con l’estremità superiore, opponendo ai condili femorali le due cavità glenoidee che si trovano sui condili tibiali interno e esterno. Le cavità glenoidee presentano superfici ovalari poco profonde e sono separate da un’area non articolare, rugosa, che si innalza nel mezzo a formare l’eminenza intercondiloidea e si allarga in dietro e in avanti nelle rispettive fosse intercondiloidee. La rotula partecipa all’articolazione con la sua superficie posteriore che corrisponde alla troclea femorale. Alla marcata convessità sagittale dei due condili femorali non corrisponde una pari concavità delle superfici tibiali. L’armonia fra le superfici articolari viene perciò stabilita dall’interposizione dei due menischi, uno mediale e uno laterale. Questi hanno forma di semianelli e il loro spessore si riduce procedendo dalla periferia al centro; visti in sezione hanno quindi profilo triangolare. Il menisco laterale forma un cerchio pressochè completo mentre quello mediale è interrotto sul lato interno ed ha 6 quindi forma di C. Con le loro estremità si fissano sulla porzione intercondiloidea della tibia mentre anteriormente sono uniti tra loro dal legamento traverso del ginocchio. I mezzi di unione sono rappresentati dalla capsula articolare e da legamenti di rinforzo. Lo strato fibroso della capsula articolare costituisce un manicotto caratterizzato dalla brevità e dalla solidità delle parti laterali e posteriore e dalla lassità della porzione anteriore. All’interno la capsula è tappezzata dalla sinovia che prolungandosi anteriormente sotto il quadricipite forma la borsa sovrapatellare, mentre posteriormente forma una doccia che accoglie i legamenti crociati che sono pertanto extra-articolari. La sinovia si interrompe al livello dei menischi. La capsula fibrosa presenta numerosi ispessimenti che la rinforzano formando i legamenti anteriori, posteriori, laterali e crociati. Cenni di patologia Artrosi L'osteoartrosi è caratterizzata da dolore, infiammazione e rigidità articolari, con interessamento della cartilagine articolare, dell'osso sottostante e dei tessuti molli. Tale condizione deteremina in genere una grave disabilità ed ha un notevole impatto per decine di milioni di persone sulla qualità di vita e sui costi della sanità. Ogni gruppo di età può esserne interessato, ma la prevalenza aumenta drasticamente con l'età. L'età più colpita è quella sopra i 55 anni, un quarto dei quali è seriamente disabile. Una delle articolazioni maggiormente colpite dall’osteoartrosi è quella del ginocchio, con evidenze radiografiche nel 30% dei pazienti di età superiore a 65 anni e con tassi di artroplastica nell'ordine dello 0,5-0,7 per mille (De Filippis et al., 2004). L'eziologia dell'osteoartrosi del ginocchio è multifattoriale ed include fattori costituzionali come invecchiamento, sesso, obesità, ereditarietà, e fattori meccanici locali come traumi, tipo di attività lavorativa, attività fisica, malallineamenti. Vi è un’importante componente genetica nella patogenesi dell'osteoartrosi del ginocchio, 7 con una ereditarietà, stimata negli studi sui gemelli, dello 0,39-0,65 indipendente da fattori ambientali (Annals of the Rheumatic Diseases, 2003), Dal punto di vista fisiopatologico, l’osteoartrosi del ginocchio è caratterizzata dalla perdita di cartilagine articolare e dalla riduzione dello spazio articolare, ai quali seguono alterazioni a carico della sinovia, della capsula articolare e del tessuto osseo articolare. Questa descrizione dell’artrosi sottende anche una visione ben precisa del patogenesi della malattia, per la quale l'unico vero evento patogenetico è rappresentato dal consumo-erosione della cartilagine cui fanno seguito tutti gli altri eventi rappresentati da osteofitosi, sclerosi subcondrale e alterazioni capsulosinoviali. Gli osteofiti causano una deformazione progressiva dei capi articolari. La capsula è ispessita e formata da tessuto fibroso denso ed edematoso. La membrana sinoviale è anch'essa ispessita, edematosa, con dilatazione dei sinusoidi e talora con superficie irta di tozze villosità a forma di clava. Può presentare segni di flogosi cronica aspecifica, in genere discreti. Spesso, all' interno delle zone di addensamento osseo, si formano cavità cistiche, dette geodi, per sostituzione della spongiosa da parte di tessuto fibroso o necrotico pressochè avascolare. L'alterazione nella vita adulta del carico articolare provoca dei microdanni che possono superare la capacità riparativa del tessuto osseo subcondrale e del tessuto cartilagineo provocandole le alterazioni strutturali sopra ricordate. Questi microdanni sottopongono il tessuto osseo ad un intenso ed abnorme rimodellamento con secondario calo della cosiddetta mineralizzazione secondaria, ma con il netto prevalere dei processi neoformativi. L'osteoartrosi del ginocchio può interessare sia l'articolazione femoro-rotulea sia quella femoro-tibiale. L'evoluzione della osteoartrosi femoro-rotulea non causa in genere gradi marcati di invalidità e raramente necessita di intervento chirurgico. Variabile è invece l'evoluzione dell’osteoartrosi femoro-tibiale, a seconda dell'intervento di vari fattori, tra cui la velocità di disassamento, la presenza di lassità capsulo-ligamentosa, il tipo di carico, la bilateralità dei lesioni. Il quadro clinico è inizialmente dominato dal dolore in sede anteriore o anteromediale, caratteristicamente di tipo meccanico, che si attenua con il riposo. Dopo una 8 lunga inattività, per esempio al mattino o dopo essere stati seduti a lungo, può aversi una contrattura dolorosa post-inattività di breve durata che si attenua con la marcia. All'esordio si può avere anche dolorabilità delle zone periarticolari e un modesto versamento. Successivamente il dolore può interessare tutta l'articolazione, diventare notturno e accompagnarsi a frequenti versamenti articolari. L' impotenza funzionale compare solo tardivamente. Dal punto di vista obiettivo, si riscontra una limitazione dolorosa dei movimenti di flessione e di estensione forzata, segni di scroscio e dolorabilità dei legamenti periarticolari. Radiologicamente nelle proiezioni standart antero-posteriore e latero-laterale si evidenzia riduzione dell'emirima meglio apprezzata sotto carico, osteosclerosi, osteofiti, inizialmente piuttosto piccoli, e geodi. Un segno iniziale e praticamente costante è l'appuntimento delle spine intercondiloidee. Si possono valutare anche i disassamenti in valgismo o in varismo. La valutazione preclinica e successivamente post-intervento del dolore e dell’escursione articolare si basano su scale come Hospital for Surgery Score, Knee Society Score, WOMAC, e Medical Outcomes Study Short Form-36. Artrite reumatoide L’artrite reumatoide (AR) è una malattia sistemica cronica, ad eziologia sconosciuta. Si distinguono due forme principali: quella dell'adulto e quella del bambino. La malattia è caratterizzata da diverse manifestazioni sistemiche, ma il quadro tipico dell'AR è rappresentato da una sinovite infiammatoria persistente, che interessa generalmente le articolazioni periferiche in modo simmetrico. L'elemento distintivo della malattia è costituito dall' infiammazione sinoviale che determina distruzione della cartilagine, erosione ossee, e in seguito deformità articolari. Il suo decorso nel tempo è assai eterogeneo. Alcuni pazienti possono presentare semplicemente una malattia pauciarticolare di modesta entità e di breve 9 durata con danno articolare minimo, mentre in altri casi la malattia si manifesta con una poliartrite progressiva senza fasi di remissione che dà luogo fatalmente a spiccate deformità articolare. E' una malattia con una forte base genetica. L'insorgenza è frequente tra il quarto e il quinto decennio di vita. Nell'artrite reumatoide la lesione più precoce è rappresentata da un danno microvascolare e da un aumento numerico delle cellule sinoviali che rivestono la cavità articolare. Successivamente, l'aumento numerico delle cellule sinoviali si associa a un'infiltrazione perivascolare di leucociti mononucleati. Con evolvere della malattia, la sinovia diviene edematosa e protrude nella cavità articolare sotto forma di proiezioni villose. Al processo infiammatorio cronico del tessuto sinoviale si sovrappone un'infiammazione acuta nel liquido sinoviale. La maggior distruzione del tessuto osseo e cartilagineo si verifica in corrispondenza del contatto con la sinovia infiammata, o panno, che di per sè è un tessuto di granulazione riccamente vascolarizzato che si allarga per ricoprire la cartilagine articolare. Frequente è l'interessamento del ginocchio, con ipertrofia sinoviale, versamento cronico e spesso lassità legamentosa. L' articolazione dapprima è edematosa, dolente e lievemente calda, ma non arrossata. Il sintomo più comune è il dolore, più intenso al mattino e aggravato dal movimento. Il dolore deriva essenzialmente dalla capsula articolare che è ampiamente innervata ed è assai sensibile allo stiramento e alla distensione. Inizialmente, il movimento viene limitato dal dolore e poi successivamente l'anchilosi fibrosa ossea o le contratture dei tessuti molli determinano deformità stabili impedendo l'escursione articolare fino alla rigidità. Con gli anni si possono instaurare deformità permanenti come le ginocchia flessi, le dita a cazzuola di muratore e a collo di cigno. 10 Fratture Possono condurre all'intervento di artroprotesi di ginocchio sia le fratture sia i loro esiti rappresentate da artrosi e necrosi post-traumatica. Le fratture possono riguardare sia l'estremità distale del femore, sia la rotula sia l'estremità prossimale della tibia. Possono essere intra-articolari o periarticolari. Fratture dell'estremo distale del femore Per descrivere le fratture ai fini del trattamento sono usate quattro principali classificazioni: quella di Neer e collaboratori, quella di Seinsheimer, quella di Egmund e Kolmert e quella dell' AO-ASIF. (Insall et al., 1994) La classificazione di Neer è focalizzata sul trattamento conservativo e non sugli aspetti intra-articolari di queste complesse fratture. La classificazione di Seinsheimer è principalmente incentrata sugli aspetti intra-articolari della parte distale del femore. Ne fanno parte le fratture comprese entro 9 cm della superficie articolare (misurazione effettuata sulla proiezione radiografica anteroposteriore). La classificazione di Kolmert divide le fratture in sovracondiloidee, monocondiloidee o bicondiloidee e crea sottogruppi in base allo spostamento dei frammenti. La classificazione AO-ASIF è la più dettagliata ai fini di descrizione delle fratture. Tipo A: Frattura extra-articolare 1. Sopracondiloidea parziale 2. Sopracondiloidea semplice, scomposta con lieve frammentazione 3. Sopracondiloidea comminuta, ancora extra-articolare Tipo B: Frattura monocondiloidea 1. Separazione marginale sagittale articolare di un condilo dall’8 al 11 38% (Insall et al., 1994) 2. Separazione verticale sagittale, con separazione di tutto un condilo 3. Tangenziale, frattura coronale di Hoffa di un condilo Tipo C: Frattura sopracondiloidea-intercondiloidea intercondiloidea 2. Comminuta inter- e sopracondiloidea 3. Comminuta sopracondiloidea ed intra-articolare L’incidenza di fratture esposte varia da esse sono associate un aumentato rischio di complicanze come infezione, ritardo di consolidazione e pseudoartrosi. Le fratture distali del femore guariscono frequentemente con un’angolazione in varismo o in valgismo. Questa alterazione dell'asse di carico sottopone la superficie articolare o un parte di essa a pressioni ed attriti eccessivi non fisiologici favorendo l’insorgenza di artrosi. Sopratutto le angolazioni in varismo oltre 10° insieme all'instabilità sono correlate significativamente con la gonartrosi. In un studio di 62 casi con un follow-up di 2-10 anni (media 5 anni), il 4% hanno sviluppato un' artrosi di entrambi i compartimenti femoro-tibiale e femoro-rotuleo e in 17% dei casi solamente del compartimento femoro-rotuleo (Insall et al., 1994). La diastasi intercondiloidea e transcondiloidea o l' affondamento della superficie articolare oltre i 3 mm hanno causato un elevato grado di artrosi. Il tempo richiesto per la comparsa dell' artrosi è sconosciuto e probabilmente varia nei casi con deviazioni angolari dopo una frattura extra-articolare e nei casi con incongruità articolari dopo una frattura intra-articolare o con combinazione delle due. Fratture dell’estremità prossimale della tibia Possono essere divise in fratture dell'emipiatto laterale, fratture bicondiloidee e fratture dell' emipiatto mediale. Le fratture dell'emipiatto laterale sono più frequenti di quelle mediale, a causa del valgismo fisiologico del ginocchio, della meno robusta 1. Sopracondiloidea semplice, ad Y, con estensione alla gola 12 trabecolatura ossea esistente al di sotto dell'emipiatto laterale e della maggior frequenza dei traumi in valgismo. La forma anatomicamente squadrata del condilo femorale esterno incide su questa prevalenza. Morfologicamente vengono descritti tre tipi di frattura: fissurazione, fissurazione-compressione e compressione. Una delle classificazioni più importanti largamente usate è quella di Rasmussen (Insall et al., 1994). Anche nelle fratture dell’estremità prossimale della tibia, vizi di consolidamento, con deformità che alterino l'asse di carico, irregolarità della superficie articolare, causa di incongruenza ed attriti patologici dell'articolazione, necrosi ischemica dell'epifisi e quindi degenerazione della cartilagine articolare, portano nell'arco degli anni all’insorgenza di artrosi. Fratture della rotula Sono divise in fratture trasversali, comminute e longitudinali. In queste fratture l'alterata consolidazione causa incongruenza ed attriti nella articolazone femoro-rotulea che insieme con difetti di allineamento della rotula favoriscono l'artrosi. Spondilite anchilopoietica La spondilite anchilopoietica è una malattia reumatica di tipo infiammatorio ad evoluzione cronica, ad eziologia sconosciuta, che colpisce selettivamente il sesso maschile in giovane età (20-30 anni). E' un'affezione poliarticolare; si manifesta come un processo infiammatorio aspecifico che interessa primariamente le inserzioni legamentose, provocando l'erosione dell'osso sottostante. La spondilite anchilopoietica è una patologia gravemente invalidante in quanto conduce all'anchilosi delle articolazioni colpite. In ordine di frequenza vengono interessate le sacro-iliache, il rachide, le coxo-femorali, il ginocchio, la spalla. Nella fase evolutiva provoca gravissimi danni funzionali al paziente per la contemporanea presenza di rigidità in cifosi del rachide e in flessione delle anche. 13 La quasi totalità dei soggetti affetti da spondilite anchilopoietica è portatrice di un particolare antigene di istocompatibilità, HLA-B27, che è un fattore necessario ma non sufficiente allo sviluppo della patologia. E' stato anche chiamato in causa l'intervento di un fattore infettivo, che potrebbe trovare nel suddetto antigene di istocompatibilità un idoneo recettore, o avere con esso reattività crociata. Fattori come il freddo, l'umidità e traumatismi avrebbero solo significato favorente e scatenante. L'esordio clinico-sintomatologico della spondilite anchilopoietica raramente corrisponde al reale instaurarsi del danno anatomico. Infatti, solitamente intercorre un periodo di latenza variabile tra i 3 e i 6 anni dallo sviluppo delle prime lesioni alla comparsa dei sintomi. La sintomatologia dolorosa ha spesso esordio insidioso; dopo un periodo di evoluzione in media di 20 anni, caratterizzato da fasi di remissione e riacutizzazione, la patologia giunge allo stadio avanzato, nel quale i dolori cessano e la limitazione funzionale raggiunge il massimo grado di gravità a causa dell'anchilosi osteoarticolare completa nei distretti articolari coinvolti. Il progressivo interessamento articolare è ascendente, con estensione dell'interessamento pelvico verso il rachide cervicale. L'interessamento degli arti è pure frequente, con coinvolgimento anche dell’articolazione del ginocchio. Tale interessamento si manifesta con vivo dolore e compare una rapida limitazione dei movimenti con comparsa di zoppia e di atteggiamento viziato in flessione, extrarotazione ed adduzione dell'arto inferiore. L'atteggiamento del paziente, nelle forme complete, permette di far diagnosi a prima vista: rachide rigido e deformato in cifosi dorsale con appiattimento della lordosi lombare e diminuzione di quella cervicale, proiezione del capo in avanti, anche e ginocchia semiflesse, facies amimica; la deambulazione avviene "tutta d’un pezzo", con il malato che procede a piccoli passi; il tronco, a causa dell'irrigidimento del rachide, viene spostato in blocco. Il reperto radiografico dell'interessamento del ginocchio può presentare aspetti variabili, ma l'immagine più frequente è rappresentata da fenomeni di osteosclerosi 14 dei condili, associata a formazione di osteofiti marginali, fino all'anchilosi totale ossea. Molto più uniforme è il reperto dell'interessamento rachideo, che nelle fasi avanzate configura il quadro della colonna vertebrale "a binario" o "a rotaie di tram"; possono comparire ossificazioni a carico dei legamenti posteriori, cioè dei legamenti gialli e interspinosi. Allo stadio attuale né la terapia farmacologica, il cui uso prolungato, a causa del carattere cronico della spondilite anchilopoietica, non è scevro da rischi, né tanto meno il trattamento fisiochinesiterapico risultano in grado di arrestare o modificare, a lungo termine, l'evoluzione della malattia. In questi pazienti la protesizzazione di ginocchio permette un miglioramento notevolmente della qualità di vita, grazie al ripristino della mobilità articolare, tenendo anche presente la giovane età dei soggetti colpiti da spondilite anchilopoietica. Artrite settica E' dovuta alla localizzazione diretta di un germe a livello articolare, che può penetrare insieme a un corpo estraneo, oppure giungere per via ematica a partenza da foci infiammatori cutanei, urinari e polmonari. Numerosi sono i microrganismi responsabili (stafilococco, streptococco, pneumococchi, Mycobacterium tubercolosis, Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae e Neisseria meningitidis specie nei bambini). Interessamento articolare si può avere anche in corso di rosolia, parotite, mononucleosi infettiva ed epatite B. Fattori predisponenti lo sviluppo dell’artrite infettiva sono la suscettibilità dell'ospite, la presenza di un danno articolare primitivo e patologie sistemiche quali artrite reumatoide, diabete e alcoolismo. I sintomi sistemici sono caratterizzati da febbre, brividi e astenia. A livello articolare è presente dolore intenso accompagnato da rossore, calore, tumefazione. I movimenti articolari sono impediti dall'intenso dolore. 15 L'artrocentesi permette di identificare la presenza dell'eventuale microrganismo responsabile tramite esame colturale. Il liquido sinoviale infetto è torbido e con aspetto floculare; all’esame microscopico si presenta ricco di polimorfonucleati. Gli esami radiologici in fase acuta iniziale sono di scarso aiuto, in quanto evidenziano esclusivamente un sottile versamento periarticolare; al contrario in molte forme croniche compaiono immagini di osteoporosi iuxtarticolare e lesioni cartilaginee. L'inizio dei sintomi è subdolo, con zoppia e dolore discontinuo; spesso il dolore è irradiato alla faccia antero-mediale della gamba fino al piede. Mentre la lesione evolve da semplice osteite o sinovite ad osteo-artrite, il carico progressivamente distrugge i capi articolari. La contrazione muscolare antalgica, la distruzione delle superfici articolari, l'eventuale lussazione, portano il ginocchio ad una progressiva deformità in flessione, abduzione o adduzione, intra o extrarotazione. Nei casi non correttamente trattati si può arrivare all'anchilosi. Si pone quindi l'indicazione all'impianto di una protesi di ginocchio quando l’artrite esita in anchilosi parziale o in anchilosi in posizione viziata. Sinovite villo-nodulare pigmentosa E' una lesione xantomatosa, diffusa o circoscritta, che si sviluppa nel tessuto sinoviale ed interessa articolazioni, borse e guaine tendinee. L'eziologia è incerta, ma la causa più comunemente accettata è un'infiammazione a genesi ignota. La forma circoscritta è caratterizzata dalla presenza di un nodulo sessile o peduncolato di colore giallo o rosso brunastro con proliferazione villosa alla base. 16 La forma diffusa colpisce soggetti nella II°- IV° decade di vita; la sede più frequentemente interessata è un’articolazione isolata dell'arto inferiore, maggiormente il ginocchio, ma in misura minore anche l'anca. La membrana sinoviale, ispessita, viene diffusamente coperta da lunghi villi rossastri o giallo-brunastri, che possono addensarsi in placche; in seguito compaiono noduli gommosi sesssili o peduncolati. Nelle fasi tardive le alterazioni patologiche possono causare delle incisure nel tessuto osseo, che talvolta viene invaso completamente a partire da margini articolari e progressivamente distrutto. Il sintomo predominante è l'edema cronico dell'articolazione, lentamente ingravescente ed associato a lieve dolenzia. Episodi di dolore acuto sembrano dipendere dall’intrappolamento dei villi tra le superfici articolari e conseguenti fenomeni emorragici. L'esame obiettivo evidenzia un diffuso edema globoso lievemente iperemico ed iperestesico. L'esame radiografico mostra inizialmente un aumento del liquido articolare e ispessimento della membrana sinoviale, in seguito possono comparire erosioni superficiali dei capi articolari e aree irregolari di distruzione ossea. La sinoviectomia completa risulta risolutiva, ma eventuali residui sinoviali permettono la comparsa di recidive, trattate con terapia radiante. Solo nei casi inveterati con distruzione ossea marcata si ricorre alla terapia chirurgica. Artrite psoriasica L’artropatia psoriasica è un reumatismo infiammatorio che si manifesta nel 58% dei soggetti affetti da psoriasi. L’eziologia e la patogenesi sono sconosciute, ma vari autori pensano ad una eziologia multifattoriale. Attualmente si riconoscono tre tipi fondamentali di artropatia psoriasica: artrite asimmetrica, artrite simmetrica e spondilite psoriasica. In circa il 47% dei casi, compare un’artrite asimmetrica e la psoriasi tende a precedere le manifestazioni 17 reumatiche anche di molti anni, sebbene molti pazienti accusino spesso rigidità mattutina. Le articolazioni più frequentemente interessate sono le inter-falangee prossimali e quelle distali che realizzano il tipico aspetto del “dito al salsicciotto“, mentre meno comune è il coinvolgimento di ginocchia, anche, caviglie e polsi. Molti pazienti presentano fenomeni di onicolisi, di depressioni puntiformi e di alterazioni distrofiche varie. Un’artrite simmetrica, che ricorda l’artrite reumatoide, compare invece nel 25% dei casi. Di solito la psoriasi e l’artrite esordiscono contemporaneamente. Anche in questo caso molti soggetti accusano rigidità mattutina. Oltre 50% dei soggetti mostrano un evoluzione verso un’artrite destruente, talora di carattere mutilante. In una percentuale media del 23% si sviluppa un quadro spondilitico, con o senza concomitante impegno articolare periferico. La psoriasi generalmente precede l’artropatia di pochi anni. E’ frequente la lombalgia associata a rigidità mattutina. Al esame obiettivo l’articolazione appare tumefatta, rigida durante l’escursione articolare e dolorosa. All’esame radiografico si osserva la tumefazione dei tessuti molli periarticolari, riduzione della rima articolare, aspetti erosivi , aspetti sublussativi, cisti subcondrali e meno frequentemente un certo grado di demineralizzazione ossea. La terapia si basa su una terapia farmacologica a base di anti-infiammatori non steroidei, idrossiclorochina, sali d’oro e methotrexate e su una terapia occupazionale che preservi e salvaguardi la forza muscolare, nonchè la funzionalità articolare. L’ artroprotesi si rende necessaria nelle forme destruenti e mutilanti. 18 Artropatia emofiliaca Negli emofilici sono frequenti le emorragie intrarticolari, in seguito a piccoli o minimi traumi; questi emartri si manifestano soprattutto nella seconda infanzia e nelle articolazioni più esposte ai traumi (gomiti, ginocchia e tibio-tarsiche). Il primo versamento di sangue nell’articolazione, anche se cospicuo, viene riassorbito lentamente dalla membrana sinoviale, senza altra conseguenza che una blanda “sinovite asettica semplice“, con depositi emosiderinici, che a sua volta regredisce. Ma quando le emorragie sinoviali si ripetono molte volte e se, come talvolta accade, si manifestano anche emorragie nell’osso spugnoso dei capi articolari (centro-epifisarie, subcondrali, sottoperiostee), allora si instaura l’artropatia emofiliaca cronica e irreversibile. La cartilagine articolare in parte per la presenza dell’emartro cronico, in parte perché coperta dal panno sinoviale, o sottominata da emorragie ossee subcondrali, degenera e viene distrutta. Il tessuto osseo all’ esame radiografico presenta cavità cistiche, causate soprattutto dalle emorragie, produzione ossea addensante ed osteofitica secondaria alla degenerazione cartilaginea, osteoporosi, ipertrofia dei nuclei di ossificazione epifisari, “linee di arresto“ nelle metafisi. Alla fine, nei casi più gravi, si determina un’anchilosi fibrosa, con scomparsa quasi completa della rima articolare. 19 CAPITOLO 2 Protesi di ginocchio Storia ed evoluzione della protesi di ginocchio Le prime protesi di ginocchio sono state impiantate oltre 50 anni fa; tuttavia, a causa delle scarse conoscenze sulla biomeccanica articolare, il numero di insuccessi era elevato e questo tipo di intervento non si è diffuso largamente. Negli ultimi 20 anni il miglioramento del disegno protesico, legato all’incremento delle conoscenze sulla meccanica di ginocchio, e il progresso nel tipo e nella qualità dei materiali, hanno portato ad una riduzione del numero di insuccessi ed a una maggiore durata nel tempo. La prima citazione di una sostituzione protesica nel ginocchio risale al 1860, quando Fergusson riportò una resezione artroplastica in un ginocchio affetto di osteoartrosi. Verneuil per primo eseguì un’interposizione artroplastica usando una capsula articolare. Altri tessuti successivamente provati includono cute, muscoli, fasce, grasso, e perfino vescica di maiale. Il primo impianto artificiale è stato eseguito nel 1940 modellando uno stampo sul condilo femorale, come veniva già fatto per la protesi d’anca. Nella decade successiva fu tentata la sostituzione della componente tibiale, ma entrambi i modelli presentavano problemi di mobilizzazione e di dolore persistente. Le sostituzioni combinate della superficie articolare, femorale e tibiale sono apparsi nel 1950 come semplici cerniere. Considerando la complessità del movimento di ginocchio, questi impianti fallivano sia per mobilizzazione asettica sia per infezione. Nel 1951 Walldius ideò la protesi totale a cerniera fissa. La sua protesi, seguita dalla protesi di Shier (1954), era caratterizzata da un vincolo interprotesico assoluto con un perno centrale che bloccava la componente tibiale alla femorale e dalla presenza di lunghi steli endomidollari che autocentrandosi nel canale rendevano 20 tecnicamente facile l’impianto. La protesi era stata disegnata per una fissazione non cementata. Nel 1970 il French Collective of Surgeons svilupparono la GUEPAR, una protesi cementata a cerniera fissa progettata con un centro di rotazione più posteriore. Tutti questi modelli sono stati abbandonati per l’alta incidenza di mobilizzazione e di rotture provocate dall’eccessiva rigidità dell’impianto. Negli anni ‘70 sono seguite le protesi a cerniera rotante e le protesi senza cerniera introdotti da Herbert e Bahler. Nel 1971, Gunston notò che il ginocchio non ruota in un singolo asse come la cerniera, ma piuttosto il condilo femorale ruota e la tibia scivola con multipli centri di rotazione immediati. Questo dette vita alla sostituzione policentrica dell’articolazione con una cinematica migliore dei modelli precedenti. Comunque queste protesi presentavano un numero elevato di insuccessi per l’inadeguata fissazione all’osso. Gunston fu il primo ad usare componenti tibiali di polietilene cementate con componenti femorali cementate. La combinazione di un’articolazione in componenti di metallo o polietilene e di agenti di fissazione affidabili aprì la strada a vari disegni. La protesi totale condilare è stata disegnata da Insall nell’Hospital for Special Surgery nel 1973. Questa protesi però non tentava di riprodurre la normale motilità del ginocchio. La prima protesi a stabilizzazione posteriore è stata introdotta nel 1976 ed è stata la Total Condylar 2 che prevedeva la presenza sulla componente tibiale di un fittone centrale che prevenisse la sublussazione posteriore della tibia. Tuttavia, tale impianto non era studiato né per sostituire i legamenti collaterali né per favorire il rotolamento posteriore del femore sulla tibia. Nel 1993, Ranawat ed al hanno riportato una tasso di sopravvivenza del 94% in 15 anni di follow-up della protesi condilare totale disegnata da Insall (Palmer et al., 2004). Nello stesso tempo una protesi con una cinematica più naturale, che prevedeva la conservazione dei legamenti, è stata sviluppata nell’Hospital for Special Surgery. La conservazione o il sacrificio dei legamenti vengono discussi ancora oggi. Studi a lungo termine di follow-up non hanno dimostrato nessuna differenza 21 significativa, sebbene la camminata appaia essere meno alterata se i legamenti sono preservati, specialmente durante la salita o la discesa delle scale (Palmer et al., 2004). Tipi di protesi Attualmente le protesi di ginocchio sono classificate in relazione alla parte anatomica (compartimento) da sostituire. Si distinguono in monocompartimentali, bicompartimentali, tricompartimentali. In tutti i casi si può avere la conservazione dei due legamenti crociati, la conservazione del legamento crociato posteriore o l’asportazione di entrambi i legamenti crociati. Esistono infine le protesi vincolate. In relazione al tipo di fissazione le protesi possono essere cementate, non cementate o ibride. Le protesi monocompartimentali sono un’alternativa all’osteotomia tibiale o all’artroprotesi totale nel paziente artrosico anziano e un’indicazione d’elezione nel paziente giovane attivo in sovrapeso con degenerazione monocompartimentale confermata all’artrotomia oppure necrosi unicondilare. A differenza dell’artroprotesi totale, la protesi monocompartimentale ha il vantaggio di preservare entrambi i legamenti crociati, consentendo una cinematica pressochè normale del ginocchio. Un altro potenziale vantaggio rispetto alla sostituzione tricompartimentale è la conservazione del “bone stock” dell’articolazione femoro-rotulea e del compartimento opposto a quello affetto. Le controindicazioni sono rappresentate da sublussazioni e deviazioni angolari gravi, assenza del legamento crociato anteriore, osso sclerotico a livello del compartimento femoro-rotuleo e flogosi marcata in associazione alla malattia del paziente. La differenza fra la protesi tricompartimentale e quella bicompartimentale consiste nel fatto che la protesi tricompartimentale è una artroprotesi totale con la componente patellare protesizzata (patellar resurfaced), che consente la flessione fino 22 a 125°, invece la protesi bicompartimentale è senza la componente patellare (not resurfaced), cioè sono protesizzati soltanto i compartimenti formati dall’articolazione femoro-tibiale. Le differenze più importanti riguardano l’aspetto clinico e più precisamente le complicanze che possono portare ad una revisione della protesi. Secondo lo Swedish Register (Furnes et al., 2002) le protesi tricompartimentali sono soggette ad un più alto rischio d’infezione, probabilmente perché l’intervento può compromettere la circolazione della patella e dei tessuti molli intorno. Invece secondo Robetson nella protesi bicompartimentale il dolore complica la protesi in 20% dei pazienti costituendo un forte indicazione alla revisione della protesi (Insall et al., 1994). Nelle protesi cementate, la fissazione all’osso viene eseguita con cemento osseo a base di metil-metacrilato. Nelle protesi non cementate viene sfruttata la proprietà del materiale, in genere a struttura porosa, di indurre “ bone ingrowth”, cioè la proliferazione delle cellule ossee nei pori del materiale. La fissazione ibrida consiste nella fissazione della componente femorale tramite “bone ingrowth” e nella fissazione della componente tibiale con cemento. Di seguito sono riportate le artroprotesi di ginocchio che prevedono l’asportazione del legamento crociato posteriore. La protesi a stabilizzazione posteriore di Insall-Burstein sfrutta il meccanismo a camma: le componenti sono strutturate in modo che la camma venga a contatto della spina tibiale a circa 70° di flessione, quindi non ha nessun effetto sulla stabilità del ginocchio in estensione. La stabilità del ginocchio dipende, pertanto, dall’equilibrio dei tessuti molli e dalla conformità delle componenti. Queto tipo di protesi unisce al vantaggio di essere un modello modulare quello di mantenere il meccanismo base della sostituzione legamentosa. La protesi di kinematic stabilizer è una protesi di largo uso clinico. Si basa sul moderno concetto di sostituzione del legamento crociato posteriore. Il meccanismo di sostituzione del legamento crociato posteriore ha il compito di aumentare la stabilità anteriore e posteriore del ginocchio durante l’ estensione. 23 La protesi Genesis è uno dei modelli modulari attualmente disponibili. Utilizza la stessa componente femorale e la stessa base del piatto tibiale sia per la conservazione che per la sostituzione del legamento crociato posteriore. La spina tibiale è più alta e più fine di quella del modello Insall-Burstein; la superficie tibiale è più piatta. Tale caratteristica comporta una minor zona di contatto delle componenti protesiche, che può essere causa di una maggior usura del polietilene. La protesi Press-fit Condylar costituisce un altro tipo. La forma della spina tibiale e della componente femorale è molto simile a quella delle parti corrispondenti della protesi di Insall-Burstein II. Le differenze maggiori si rilevano a livello dell’articolazione femoro-rotulea. Nella modello Insall-Burstein II l’articolazione femoro-rotulea non è congruente in modo che lo spazio creato minimizza l’impingement dei tessuti molli. Al contrario, nel modello Press-fit Condylar è congruente, presentando simmetria di contatto tra la rotulea e il femore e facendo così in modo che l’articolazione sia più vincolata. Altri modelli usati sono NexGen, Tricon, Continuum Knee System, Duracon, Optetrak, PFC Sigma, Advance PS, AGC, Endo-Model, G.K.S, Genius, Consensus, Profix, Cedior, Genufitt, Performance, 913, T,a.c.s, Rotaglide ed altro. A seguito sono riportati i tipi di artroprotesi di ginocchio senza impiego di cemento. Nelle protesi Whitesides Ortholoc I e II, la componente femorale presenta due fittoni metafisari lisci e non presenta una superficie porosa sulle sporgenze anteriori e posteriori. La componente tibiale è dotata di fittoni lisci e di un stelo centrale liscio; le componenti più nuove utilizzano viti addizionali al fine di incrementare la stabilità iniziale. Nelle protesi con perni di polietilene la componente tibiale non è dotata di supporto metallico e non presenta superficie porosa. La fissazione avviene solamente tramite i perni di polietilene. Le protesi LCS sono con supporto meniscale. Si utilizza un impianto con menischi mobili con numerose varietà di superfici di supporto. In questo sistema i 24 fittoni per l’endoproliferazione e i perni vengono utilizzati per la fissazione della componente tibiale. Nelle protesi anatomiche con rivestimento poroso (PCA), la fissazione viene ottenuta tramite una superficie microporosa a grani in cromo-cobalto, unitamente a piccoli perni diretti posteriormente e a una singole vite anteriore presente sulla componente tibiale. Altri modelli utilizzati sono AGC, artroprotesi di Miller-Gallante, Self Aligning Mobile-Bearing Knee, Total Articulating Cementless Knee, Interax Integrated Secure Asymetric, Total Rotating Knee e Minns Meniscal Knee Prosthesis. Una presentazione dei dati riportati dai registri della Regione EmiliaRomagna e dal registro della Norvegia segue nelle tabelle e nei grafici seguenti. Durante il periodo compreso fra il 1 luglio e il 31 dicembre con 9333 protesi impiantate emergono i dati riportati nella tabella 1 e nella figura 1 (Registro Regione Emilia-Romagna 2004). 25 Tabella 1. Dati di sopravvivenza. Primario bi/tricompartimentale % in sede Anni 0 1 2 3 4 Anni 0 1 2 3 4 i.c. al 95% 100.0 100.00 100.00 0 99.41 99.21 99.61 98.7 98.39 99.01 98.03 97.54 98.52 98.03 97.54 98.52 Primario unicompartimentale % in sede i.c. al 95% 100.00 100.00 98.68 96.99 96.45 96.45 100.00 97.92 95.60 94.71 94.71 99.44 98.38 98.19 98.19 26 Figura 1. Percentuali dei modelli di protesi usati. Modelli di protesi unicompartimentali 300 250 200 150 100 50 0 1 Oxford Efdios Allegretto Genesis P.F.C Miller Gallante Mitus Preservation Unicia HLS Uni Evolution Advance Duracon Uni EIUS Uni UC- Plus Solution Modelli protesi bi-tricompartimentali 2500 2000 1500 1000 500 0 Nexgen Profix P.F.C T.A.C.K Interax LCS 913 Optetrack Scorpio Rotaglide Genius TRICCC Advance Performance Genesis II 1 Nuova Duracon II Endo-Model C.K.S 27 Durante un studio di 6 anni con più di 7.174 artroprotesi totali di ginocchio, il Norwegian Arthroplasty Register riporta i dati presentati nella tabella 2 e nella figura 2 (Furnes et al., 2002). Tabella 2. Modelli protesici di ginocchio riportati dal Norwegian Arthroplasty Register (Furnes et al., 2002). 28 Figura 2. Modelli protesici di ginocchio riportati dal Norwegian Arthroplasty Register (Furnes et al., 2002). I dati per quanto riguarda la sopravvivenza e la revisione dei vari tipi e modelli di protesi sono assemblati nelle tabelle 3 e 4 mentre le percentuali di sopravvivenza sono configurate nei grafici riportati nelle figure 3 e 4. 29 Tabella 3. Sopravvivenza dei vari modelli di protesi di ginocchio riportati dal Norwegian Arthroplasty Register (Furnes et al., 2002). 30 Figura 3. Sopravvivenza dei vari modelli di protesi di ginocchio riportati dal Norwegian Arthroplasty Register (Furnes et al., 2002). 31 Figura 4. 32 Tabella 4. Rischio di revisione nelle protesi monocompartimentali ed in particolare nelle LCS protesi cementate (Furnes et al., 2002). Materiali impiegati per la costruzione della protesi di ginocchio Polietilene Nel 1962 Sir John Charnley, padre della chirurgia protesica, introdusse il polietilene in sostituzione ai cotili in politetrafluoroetilene (PTFE), falliti a causa dell’intensa reazione di usura. Da allora l’utilizzo del polietilene, accoppiato a un materiale metallico, è stato sempre maggiore per la costruzione di impianti protesici articolari. 33 Il polietilene usato oggi è quello ad altissimo peso molecolare (Ultra High Molecular Weight Polyethylene o UHMWPE). L’UHMWPE è il materiale più utilizzato per la fabbricazione degli inserti cotiloidei, grazie alle sue numerose caratteristiche positive quali il basso coefficiente d’attrito, l’elevata resistenza all’usura (massima tra i polimeri), l’elevata resistenza all’urto, l’ottima biocompatibilità, l’elevata stabilità chimica. L’UHMWPE ha ottime proprietà meccaniche. Esso fu scelto come materiale d’elezione nell’accoppiamento protesico (dove il problema dell’attrito tra due superfici in scorrimento è elevato), grazie alla sua alta resistenza all’abrasione. L’elevato peso molecolare è la caratteristica determinante che influisce sul grado di abrasione e sulle caratteristiche funzionali di questo materiale. Tuttavia nel tempo sono stati riportati sempre più frequentemente fallimenti di impianti causati da deterioramento grave e rapido del polietilene. Il danneggiamento esteso, veloce e non uniforme della componente in polietilene dell’impianto protesico (figura 5) non trova riscontro con la sua almeno apparente inerzia chimica, le sue ottime proprietà meccaniche e la sua alta resistenza all'usura, caratteristiche per la quali il polietilene era stato individuato come il materiale ottimale per ricostruire uno snodo articolare. Sulla base di ricerche e di studi sperimentali, sulla cui correttezza metodologica possono essere riservati dubbi, il polietilene sarebbe ora addirittura da considerarsi un materiale inaffidabile, o se non altro poco affidabile (McGloughlin et al., 2000) e, per non ricorrere al suo uso, sono stati riproposti accoppiamenti alternativi, quali quello metallo-metallo e quello ceramica-ceramica. 34 Figura 5. Particelle di UHMWPE depositate sul filtro (sfondo poroso) analizzate al SEM. Le particelle presentano sia forma sferoidale che allungata e le dimensioni sono generalmente inferiori a 1 µm. Sono evidenti anche rare particelle di dimensioni maggiori fino a 20 µm. Ceramici La valutazione dei ceramici come possibili materiali per sostituzioni articolari cominciò negli anni 60. Inizialmente i materiali ceramici non erano stati presi in considerazione per gli impianti ortopedici a causa della loro resistenza meccanica limitata e a causa della scarsa purezza chimica, che rendeva difficile valutarne la biocompatibilità. Tuttavia a cavallo tra gli anni ‘60 e ‘70, diversi ceramici furono migliorati in purezza, su molti furono scoperte nuove proprietà meccaniche come la resistenza all’usura e una bassa frizione; si scopri inoltre che alcuni presentano un comportamento attivo che conduce a un legame con il tessuto circostante, in particolare con l’osso. 35 Attualmente le ceramiche sono largamente usati in campo biomedico e si classificano usualmente secondo due categorie. Da una parte sono le ceramiche inerti, o meglio quelle quasi inerti, ad esempio le ceramiche ossidate come l’allumina. Dall’ altra parte sono le ceramiche attive, come il fosfato di calcio. Tale classificazione tiene conto dell’interazione tra ceramico e ambiente fisiologico. Le ceramiche inerti non inducono né subiscono alterazioni biologiche a causa del contatto, mentre le ceramiche attive inducono nei tessuti processi chimici e biologici all’interfaccia . Le proprietà intrinseche delle ceramiche inerti includono rigidità, alta resistenza alla compressione, durezza e resistenza alla corrosione; per tali motivi trovano ampia applicazione in campo ortopedico. Le varie allumine utilizzate per la fabbricazione di impianti sono o solidi policristallini ad alta densità e purezza oppure zaffiri monocristallini accresciuti artificialmente. L’allumina ad alta densità è largamente usata perché molto resistente alla corrosione. Le sue proprietà meccaniche dipendono fortemente dalla dimensione del grano, dalla distribuzione e dalla porosità. Inoltre si deve considerare che un elevato modulo elastico dell’allumina genera stress che potrebbero essere responsabili della degradazione porosa dell’osso specialmente in pazienti anziani. Nel tempo, anche l’allumina si dissolve nei fluidi extracellulari perché l’alluminio forma complessi in soluzione acquosa con ioni di fosfato, fluoro e idrossido. Inoltre l’allumina può scatenare un risposta infiammatoria. La risposta tessutale all’allumina è stata studiata a fondo: si è dimostrato che gli effetti dell’usura del allumina sono in genere limitati, probabilmente per le piccole dimensioni delle particelle. (Biggi et al., 1998) La classe dei ceramici attivi comprende quei materiali i grado di favorire reazioni positive dell’ambiente biologico all’impianto,come la rigenerazione ossea. I ceramici attivi sono essenzialmente composti a base di fosfato di calcio e biovetri, che rappresentano una valida possibilità per risolvere i problemi di adesione all’interfaccia. I ceramici attivi sono rappresentati da ceramiche calcio-fosfate che includono calcio-fosfato biodegradabile, tricalcio-fosfato (TCP), ottacalcio-fosfato (OCP) e 36 idrossiapatite sintetica, seguiti poi da biovetri come il Bioglass che può essere rinforzato con fibre di acciaio inossidabile e la vetro-ceramica bioattiva (Ceravital ). Il loro comportamento nell’ambiente biologico è influenzato dalle proprietà fisico-chimiche come cristallinità, granulometria, porosità. I ceramici bioattivi sono in grado di modulare l’attività biologica del tessuto osso (Cheung et al., 1988; Williams et al., 1993). La superficie del materiale forma un piano biologicamente attivo di idrossiapatite che fornisce l interfaccia di legame con i tessuti. I materiali bioattivi suscitano una risposta biologica all’interfaccia, che è rappresentata dalla formazione di un osso tra il tessuto e il materiale. Nonostante queste proprietà le ceramiche bioattive presentano importanti problemi come la frattura del ceramico dopo alcuni mesi di utilizzo. Inoltre presentano limitate proprietà alla fatica e non resistono a lungo termine sotto carico a trazione. Comunque un uso alternativo potrebbe essere l’applicazione come rivestimento di strutture metalliche porose sfruttando la proprietà di stimolazione della crescita ossea. Cementi ossei I cementi ossei sono formati da polimeri organici, generalmente acrilici, autopolimerizzati ‘in situ’ tramite catalizzatori o per reazione fotochimica, mescolando il monomero liquido con una polvere di polimero addizionata, in alcuni casi, con un riempitivo inorganico rinforzante. Nel campo applicativo ortopedico i cementi sono utilizzati per la fissazione di protesi articolari all'osso; hanno tutti la stessa costituzione chimica di base, essendo costituiti fondamentalmente dal polimetil-metacrilato. Nella maggior parte dei casi sono costituiti dal polimetilmetacrilato (PMMA) o estere metilico dell'acido metacrilico, una resina acrilica autoindurente. Introdotto nel 1960 da Charnley come materiale di fissazione, il cemento a base di PMMA è ancora oggi il fissativo utilizzato in ortopedia. In commercio esistono vari prodotti a base di PMMA con costituenti e caratteristiche 37 diversi. Non sono stati però proposti sinora materiali alternativi, nonostante gli inconvenienti collegati all'uso degli attuali cementi. Sono stati fatti tentativi di variazione della composizione del cemento acrilico per ridurre la porosità e quindi l'incidenza delle microfratture, per ridurre la temperatura di polimerizzazione e quindi la necrosi tessutale e per avere una più completa conversione del monomero con relativa riduzione della tossicità locale e sistemica. Per ridurre la porosità sono stati inoltre modificati i criteri di preparazione della miscela monomero-indurente, come la velocità, il tempo di mescolamento e, recentemente, l'impiego della centrifugazione dopo il mescolamento. L'ampia diffusione dell'impiego del cemento acrilico ha stimolato numerosi studi e dettagliate analisi sulle caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche, nonché sul comportamento biologico di tale polimero. All'affinarsi delle conoscenze sui meccanismi di regolazione del turnover osseo e dei processi di ricrescita e di mineralizzazione ossea dei tessuti intorno all'impianto, si è affiancata la formulazione di nuove ipotesi sui possibili effetti dannosi esercitati non soltanto dall'invecchiamento del cemento dopo l'inserimento nei tessuti ma, ancora più, dalla liberazione di sostanze tossiche durante la precedente fase di polimerizzazione, che presenta, in effetti, molti punti critici. A questo proposito, occorre puntualizzare che il cemento acrilico costituisce un'entità complessa, la cui tossicità può derivare non soltanto dal cemento di per sè, ma anche da monomeri residui, da catalizzatori, da stabilizzanti e da altre sostanze che possono essere rilasciate dal cemento. Un notevole problema può essere costituito dalla presenza del monomero di metilmetacrilato che rimane ancora libero dopo la polimerizzazione e induce effetti citotossici locali perchè in parte viene intrappolato localmente. Anche il perossido di benzoile ed altri iniziatori, la paratoluidina ed altre amine aromatiche che accelerano la polimerizzazione sono in grado di esercitare un'azione lesiva sull'organismo. Non possono infine essere trascurati gli effetti tossici di eventuali additivi, come antibiotici e mezzi di contrasto. Del solfato di bario, ad esempio, è stata evidenziata l'associazione con necrosi dell'osso lamellare (Rudigier et al., 1976). 38 Metalli e leghe I metalli e le leghe hanno una larga gamma di applicazioni, specialmente in campo ortopedico e odontoiatrico, includendo dispositivi per le protesi totali o parziali delle articolazioni, dispositivi per la fissazione delle fratture, strumenti chirurgici, impianti dentari, valvole cardiache, pace-maker. La alta modularità, la forza e la resistenza alla corrosione, associate con la duttilità del metallo rendono i metalli idonei per la portata dei carichi. I metalli e le leghe per innesti possono avere una minimale tendenza di corrodersi elettrochimicamente; in alternativa questa tendenza è soppressa dalla formazione da un film ossido protettivo in superficie. Un largo numero di leghe come l’acciaio inossidabile AISI 316L, cobalto-cromo e titanio sono stati ampiamente usati per innesti dentari e ortopedici. Gli impianti possono essere disegnati per una funzione a breve termine oppure a per una funzione a vita, come nelle protesi totali. La maggior parte dei impianti in lega metallica corrode in ambiente biologico; questo fatto gioca senza dubbio un ruolo nella mobilizzazione della protesi (Dobbs et al., 1980; Shahgaldi et al., 1995; Merritt et al., 1996). Corrosione e conseguente rilascio di ioni metallici rappresentano il principale meccanismo di degradazione in vivo. I sali e specialmente quelli che contengono ioni cloro e proteine extracellulari sono alcuni degli agenti di questo processo. La sinergica interazione fra stress meccanico e fattori biologici, chimici e elettrochimici possono condurre a processi di ossidazione. Come risultato, ioni metallo rilasciati dalla superficie dei materiali nei fluidi e nei tessuti circostanti possono causare risposte sistemiche e locali. Il fenomeno elettrochimico include corrosioni localizzate e generalizzate. Di solito i processi di ossidazione delle leghe metalliche conducono a meccanismi severi di corrosione, come corrosione da rottura da stress, corrosione da fatica e irritazione (Lycott et al.,1984). Il rilascio di ioni metallo può essere aumentato ancora di più da variabili chimiche, elettrochimiche e da stress meccanici. 39 L’interesse è stato sollevato al riguardo della potenziale tossicità degli ioni metallici rilasciati dalla corrosione dei innesti ortopedici e specialmente di metalli dei quali sono notte le proprietà cancerogene, come cromo esavalente, cobalto, e nichel (Merritt et al., 1995). Gli ioni metallo possono accumularsi nel focolaio periprotesico, essere trasportati in organi distanti oppure essere escreti con le urine o con le feci (Merritt et al., 1980). Essi possono indurre risposte infiammatorie locali o sistemiche. E’ ragionevole presupporre che le risposte sistemiche siano dose-dipendenti. La soglia tra dose fisiologica e tossica non è chiara e perciò incrementi anche minimi della dose possono essere tossici. Numerosi studi hanno esaminato la risposta biologica alle particelle di Particelle staccate da impianti metallici inducono reazioni da corpo estraneo con istiociti e cellule giganti (Goldring et al., 1986; Jiranek et al., 1993). Il tipo di materiale, le dimensione delle particelle e la superficie totale influenzano la reazione infiammatoria (Hirakawa et al., 1996). Le particelle di usura possono indurre macrofagi, fibroblasti e cellule endoteliali a secernere citochine osteolitiche, come interleuchina alfa, intereleuchina-1 beta, interleuchina-6 e tumor necrosis factor (TNF) (Jiranek et al., 1993; Yang et al., 1994), che contribuiscono all’eventuale mobilizzazione della protesi (Thompson et al., 1995; Nichols et al., 1997; Ishiguro et al., 1997). Il sistema immunitario può essere coinvolto quando i prodotti di usura sono drenati dai linfonodi. Gli ioni metallici possono agire come sensibilizzanti e scatenare una reazione immunospecifica. (Lalor et al., 1993; Case et al., 1994; Granchi et al., 1995; Lee et al., 1997; Savarino et al., 1999) Effetti tossici degli ioni metallici I metalli sono probabilmente i tossici da più lungo tempo conosciuti dall’uomo. La prima descrizione di colica addominale associata a tossicità da metalli è attribuita a Ippocrate (370 a.C.). L’arsenico ed il mercurio sono citati da Teofrasto 40 da Erebo (387-372 a.C.) e da Plinio il Vecchio (23-79 d.C.). D’altra parte, molti dei metalli con sospetta attività tossica sono noti all’uomo solo da tempi recenti. Circa 80 dei 105 elementi della tavola periodica sono considerati metalli, ma meno di 30 sono stati riportati come tossici per l’uomo. Il confine concettuale della tossicologia dei metalli continua ad ampliarsi. In passato, la tossicologia dei metalli riguardava soprattutto gli effetti acuti e conclamati, attualmente è invece in continua crescita l’interesse relativo agli effetti sottili, cronici o a lungo termine in cui le relazioni causa-effetto non sono evidenti o possono essere subcliniche. Associare infatti con certezza determinati effetti tossici ad una causa specifica è estremamente difficile e non è sempre possibile, particolarmente quando l’evento in questione manca di specificità; esso potrebbe infatti essere causato da numerosi agenti o da associazione di sostanze. I quesiti principali riguardano le informazioni sulla dose ed i livelli tessutali, la maggiore comprensione del metabolismo dei metalli, in particolare a livello tessutale e cellulare dove possono verificarsi gli effetti specifici, ed infine il riconoscimento dei fattori che influenzano la tossicità di un particolare livello di esposizione, come l’età, il fumo, la dieta, la formazione di complessi proteici che aumentano o proteggono dall’effetto tossico, e lo stato immunitario del soggetto. Quest’ultimo in particolare risulta essere una variabile tossicologica importante per i metalli che inducono reazioni di ipersensibilità. Tra queste ricordiamo l’ipersensibilità immediata o anafilattica, dovuta al rilascio di amine vasoattive da parte di mastociti il cui antigene di superficie abbia reagito con le IgE (ad esempio, reazioni cutanee, mucosali e bronchiali al platino), l’ipersensibilità citotossica, risultato di una reazione di fissazione del complemento dell’immunoglobulina IgG con l’antigene o l’aptene legato alla superficie della cellula (ad esempio, la trombocitopenia da sali organici dell’oro), l’ipersensibilità da immunocomplessi (ad esempio, da vapori di mercurio o da terapia con sali d’oro, in grado di determinare danno glomerulare con conseguente proteinuria), e soprattutto l’ipersensibilità ritardata, mediata da linfociti T e tipica della dermatite da contatto causata dall’esposizione a cromo e nichel. 41 Molti studi si sono concentrati sulla cancerogenicità dei metalli. Infatti, sebbene soltanto pochi metalli mostrino evidenze di cancerogenicità, la loro ubiquità ed il loro ampio uso, sia in campo industriale che sanitario, continuano a rendere questo problema estremamente importante. Vediamo ora le caratteristiche di tossicità dei metalli maggiormente utilizzati per le protesi ortopediche, concentrandoci in particolare su cromo, cobalto, alluminio, titanio e vanadio. Cromo Il cromo si trova negli stati di ossidazione compresi tra +2 e +6, ma solo quello trivalente e quello esavalente rivestono importanza in ambito biologico. Il trivalente è la forma più comune, ma le forme esavalenti (cromati) sono le più rilevanti per l’industria. Il cromato e il bicromato sono fondamentali per la produzione di tutti gli altri derivati. La sorgente principale di cromo è il minerale di cromito. Quello che perviene all’industria metallurgica di solito viene trasformato in uno dei differenti tipi di leghe ferro-cromo o in altre leghe, con il cobalto o con il nichel. La lega ferro-cromo viene usata per la produzione di acciaio inossidabile. Il sodio bicromato viene usato principalmente per produrre i pigmenti cromici, mentre i sali di cromo sono impiegati nella concia delle pelli, come agenti per la tintura e come conservanti del legno; il cromo è inoltre impiegato come anticorrosivo negli impianti di cottura, bollitura e nei fanghi residui della trivellazione dei pozzi petroliferi. Il cromo è scarsamente contenuto negli alimenti; le stime della sua assunzione giornaliera nell’uomo sono inferiori a 100 μg, principalmente attribuibili al cibo, mentre quantità trascurabili provengono dalla maggior parte delle riserve idriche ed atmosferiche. La forma trivalente del cromo è la più diffusa in natura, e, quasi sempre, si ritrova in questa valenza nei composti di origine biologica. Non è stato dimostrato 42 che gli organismi siano in grado di trasformarla in esavalente; tuttavia, quest’ultima attraversa velocemente le membrane cellulari e viene ridotta a trivalente nell’ambiente cellulare. Si pensa che gli effetti conosciuti e dannosi nei confronti dell’organismo umano siano provocati dalla forma maggiormente ossidata del metallo, e si è supposto che le conseguenze biologiche possano dipendere dalla sua riduzione, quindi dalla formazione di complessi con le macromolecole intra-cellulari. Nell’acido ribonucleico si trovano, normalmente, alte concentrazioni di cromo, ma non se ne conosce la funzione. Il cromo (III) è un nutriente essenziale, perché costituisce un componente del “fattore di tolleranza al glucosio” (Mertz et al., 1969). È un cofattore nell’attività dell’insulina e interviene nelle sue funzioni periferiche, formando un complesso ternario con i recettori dell’ormone, facilitandone il legame con i siti specifici. Mediante gli studi di cinetica nell’uomo, è stato identificato un compartimento per il cromo negli eritrociti, corrispondente al tempo di sopravvivenza del globulo rosso; la via di escrezione relativa a questo compartimento è preferibilmente quella urinaria. L’intossicazione sistemica, causata dai composti del cromo, si verifica soprattutto in seguito ad esposizioni casuali, occasionali tentativi di suicidio e precedenti utilizzi terapeutici. Il principale effetto acuto conseguente all’ingestione di metallo è una necrosi tubulare acuta. L’esposizione al cromo, particolarmente nelle industrie produttrici ed in quelle che fabbricano pigmenti, è associata a cancro del tratto respiratorio (Langard e Norseth, 1986). I composti del cromo trivalente sono considerevolmente meno tossici di quelli esavalenti e non sono né irritanti né corrosivi. Quasi tutti gli addetti delle industrie sono esposti al metallo in entrambe le forme. Attualmente, non si sa se esista un gradiente di rischio dovuto ad un’esposizione più spiccata nella sua forma esavalente o insolubile, rispetto al contatto con le forme solubili trivalenti. Non è chiaro se le sostanze a base di cromo possano determinare cancro anche in siti diversi dal sistema respiratorio. In altri lavori si fa cenno ad un debole aumento 43 nei casi di tumore dell’apparato gastrointestinale, ma ciascuno di questi studi considera solo piccoli gruppi di lavoratori. Gli studi sugli animali confermano che i composti cancerogeni più potenti contengono il metallo nella sua forma esavalente e sono scarsamente solubili. Sui sistemi batterici in vitro, i sali di cromo trivalente hanno un’attività mutagena scarsa o nulla. Si suppone che l’agente causale della mutagenesi dovuta al cromo sia il metallo trivalente che si lega al materiale genetico, dopo che è stato ridotto dalla forma esavalente. Ne darebbe ragione il fatto che l’assunzione del metallo da parte della cellula avvenga di preferenza quando il cromo ha valenza (VI), mentre il cromo (III) è metabolicamente attivo e si lega agli acidi nucleici. La concentrazione tessutale di cromo della popolazione subisce notevoli variazioni geografiche, fino a 7 μg/kg nei polmoni degli abitanti di New York o Chicago, con concentrazioni inferiori nel fegato e nei reni. Negli individui che non sono eccessivamente esposti, il livello ematico è compreso tra 20 e 30 μg/l ed è uniformemente distribuito tra gli eritrociti ed il plasma. Con l’esposizione occupazionale, l’aumento del cromo ematico è in relazione all’aumento che si verifica nei globuli rossi. L’escrezione urinaria è generalmente inferiore a 10 μg/die, se il contatto non è stato troppo abbondante. Cobalto Il cobalto è essenziale in quanto componente della vitamina B12 richiesta per la produzione di globuli rossi. Un microgrammo di vitamina B12 contiene 0,0434 μg di cobalto. Il cobalto è un metallo relativamente raro ottenuto primariamente come sottoprodotto di altri metalli, principalmente rame. È usato nelle leghe ad alta temperatura e nei magneti permanenti. I suoi sali sono usati nelle vernici, come catalizzatori e nella produzione di numerosi pigmenti. 44 I sali di cobalto, dopo ingestione, sono generalmente ben assorbiti, probabilmente nel digiuno. Malgrado ciò, quantità elevate non tendono a causare significativo accumulo, infatti circa l’80% del cobalto ingerito è escreto nelle urine. Del rimanente, il 15% circa è escreto nelle feci tramite il circolo enteroepatico, mentre il latte ed il sudore sono altre vie secondarie di escrezione. Si ritiene che il contenuto corporeo totale sia di 1,1 mg. La frazione totale maggiore è presente nel muscolo, ma la più elevata concentrazione è nel tessuto adiposo. Le concentrazioni nel fegato, cuore e capello sono relativamente basse, ma significativamente più alte rispetto ad altri organi. I livelli normali nell’urina umana e nel sangue sono circa 98 e 0,18 μg/l, rispettivamente. La quota nel sangue è in gran parte associata con i globuli rossi. Sono state osservate differenze significative tra le varie specie nell’escrezione di cobalto. Nei ratti e nei bovini l’80% è eliminato con le feci. La policitemia è la risposta caratteristica della maggior parte dei mammiferi, esseri umani compresi, all’ingestione di eccessive quantità di cobalto. Gli effetti tossici dovuti a somministrazione terapeutica troppo frequente comprendono vomito, diarrea e sensazione di calore. Le somministrazioni intravenose portano ad arrossamento del viso, aumento della pressione sanguigna, respirazione rallentata, vertigine, tinnito e sordità, dovuti a compromissione nervosa. Un’eccessiva assunzione di cobalto ha causato talora cardiomiopatia, particolarmente in associazione al consumo di birra alla quale era stata aggiunta 1 ppm di cobalto al fine di aumentare le sue proprietà schiumogene. Non sono note le ragioni per cui una concentrazione così bassa provochi questo effetto, che non si verifica quando il cobalto è usato terapeuticamente. I segni ed i sintomi erano quelli di un’insufficienza cardiaca congestizia. I risultati dell’autopsia hanno rivelato che i livelli cardiaci di cobalto aumentavano 10 volte. L’alcool può potenziare l’effetto del cobalto. Dopo iniezione di cobalto nei ratti, si è osservata iperglicemia dovuta al danneggiamento delle cellule-β pancreatiche. Nei ratti, dopo iniezione, è stata anche 45 osservata una diminuzione della pressione sanguigna e questo ha portato ad alcune terapie sperimentali negli esseri umani (Schroeder et al., 1967). L’inalazione, dovuta ad esposizione professionale, di polvere contenente cobalto ad una concentrazione nell’aria da 0,002 a 0,01 mg/m³, nell’industria che fabbrica carburo di tungsteno cementato, può provocare irritazione alle vie respiratorie e può essere una causa di pneumoconiosi da metalli pesanti. Questa può dar luogo ad una fibrosi interstiziale. Si possono manifestare dermatiti allergiche di tipo eritematoso papulare e le persone affette possono rispondere positivamente alle prove epidermiche. Iniezioni singole o ripetute, sottocutanee o intramuscolari di polvere o sali di cobalto al ratto, possono provocare sarcomi nella zona di iniezione, ma non esiste alcuna prova di cancerogenesi da altre vie di esposizione (Gilman et al., 1962). Alluminio L’alluminio è uno degli elementi più ubiquitari nell’ambiente. Fino a poco tempo fa esisteva prevalentemente in forme non disponibili per l’uomo e per la maggior parte delle altre specie. Le piogge acide, comunque, hanno accresciuto enormemente la quantità di alluminio presente negli ecosistemi biologici, dando luogo ai ben noti e deleteri effetti sui pesci e sulle forme di vita vegetali. Stabilire se un uomo è vulnerabile a cambiamenti della biodisponibilità dell’alluminio è un problema scientifico di fondamentale importanza. È stato riportato che l’assunzione giornaliera di alluminio nella popolazione varia da 9 mg/die a 36 mg/die, con una media di circa 20 mg/die. Il corpo cerca di mantenere un equilibrio tra l’alluminio a cui è esposto e quello contenuto nei tessuti corporei, per cui ne viene assorbito poco. Comunque, nel caso di assunzioni giornaliere superiori a 100 mg, si verifica ritenzione. Le ossa ed i polmoni presentano la più alta concentrazione di alluminio ed è stato proposto che l’osso possa esserne un “deposito”. Normalmente l’alluminio non si accumula in gran quantità nel sangue. 46 I composti dell’alluminio possono influenzare l’assorbimento nel tratto gastrointestinale di altri elementi e possono alterare le funzioni intestinali. L’alluminio inibisce l’assorbimento dei fluoruri e può diminuire l’assorbimento dei composti del calcio e del ferro e forse l’assorbimento del colesterolo, formando un complesso alluminio-pectina che lega i grassi alle fibre vegetali indigeribili (Nagyvary e Bradbury, 1977). Il legame con il fosforo nel tratto gastrointestinale può portare ad una deplezione di fosfati ed osteomalacia. L’alluminio può alterare la mobilità del tratto gastrointestinale inibendo le contrazioni indotte dall’acetilcolina, e questo può spiegare perché gli antiacidi contenenti alluminio spesso provochino costipazione. L’alluminio dà luogo ad effetti marcatamente differenti nelle diverse specie animali e nello stesso animale nelle diverse fasi della sua esistenza. Il primo e più importante cambiamento patologico dovuto all’accumulo di alluminio nel sistema nervoso è un accumulo di plessi neurofibrillari (NFTs) nel corpo cellulare, negli assoni prossimali e nei dendriti dei neuroni di molte regioni del cervello, associato alla perdita di sinapsi e all’atrofia dell’albero dendritico. Comunque, non tutte le specie mostrano questa reazione verso l’alluminio. NFTs sono stati trovati principalmente nei grossi neuroni quali le cellule di Purkinje nel cervelletto e di grossi neuroni della corteccia cerebrale. Si è riscontrato una marcata riduzione del numero di neurotubuli e della velocità del trasporto citoplasmatico con peggioramento del trasporto intracellulare. L’alluminio interagisce anche con la cromatina neuronale e col DNA ed è associato ad una diminuzione della velocità di sintesi del DNA e ad una riduzione dell’attività della RNA polimerasi. L’alluminio entra in competizione col calcio o ne altera il metabolismo in parecchi organi, cervello compreso. Infatti si è visto che il contenuto di calcio nel tessuto cerebrale aumenta dopo esposizione all’alluminio; inoltre l’alluminio si lega alla calmodulina modificandone la struttura. Questo ha portato all’ipotesi che l’alluminio danneggi la funzione calcio regolatrice della calmodulina, provocando come conseguenza pesanti effetti sulla funzione del CNS ed una alterazione dell’attività neurotubulare e del trasporto. 47 L’eccesso di alluminio è stato invocato per spiegare la patogenesi di alcune sindromi di demenza umana, fra le quali la demenza che si può manifestare in pazienti sottoposti a emodialisi per lungo tempo, e il morbo di Alzheimer. Due sono le osservazioni che hanno permesso di osservare un legame tra il morbo di Alzheimer e l’alluminio. In primo luogo, nel cervello di persone decedute per il morbo sono state riscontrate accresciute quantità di alluminio. La seconda importante scoperta che ha messo in relazione l’encefalopatia da alluminio con il morbo di Alzheimer, è stato il ritrovamento di NFTs in entrambe le condizioni (Klatzo et al., 1965). La questione sorta dalla presenza di elevate quantità di alluminio nel cervello di persone con la malattia di Alzheimer non ha tanto a che vedere con l’esposizione all’alluminio quanto con le modalità di penetrazione nel cervello. Gli accumuli di alluminio rilevati nei cervelli dei pazienti con la malattia di Alzheimer riflettono un difetto di funzionamento delle diverse barriere biologiche che normalmente hanno la funzione di escludere l’alluminio dal sistema nervoso centrale. Un’alterata funzionalità della barriera ematoencefalica può essere ricondotta ad insufficienze ereditate geneticamente oppure a danni provocati da virus o immunomediati. Un altro fattore può essere la forma chimica dell’alluminio che viene assunta dall’individuo. Titanio Nella maggior parte dei composti, il titanio si trova nello stato di ossidazione 4 + (titanico), ma esistono composti in cui è presente nello stato di ossidazione 3 + (titanoso), nello stato di ossidazione 2 + ed anche parecchi composti organometallici. Il diossido di titanio, il composto più largamente usato, è un pigmento bianco impiegato nelle vernici e nelle materie plastiche; viene aggiunto come additivo alimentare alla farina bianca, ai prodotti caseari e ai dolci, come sbiancante è impiegato nei prodotti cosmetici. Per via della sua resistenza alla corrosione e alla sua inerzia trova numerosi impieghi nel campo metallurgico, in particolar modo come 48 componente degli impianti chirurgici e delle protesi. È largamente distribuito nell’ambiente, lo si trova nell’aria di città, nei fiumi, nell’acqua potabile e lo si è rilevato negli alimenti. Di una quantità somministrata oralmente ne viene assorbita il 3%; di questo la maggior parte viene escreta con le urine. È stato stimato che la normale concentrazione nelle urine è di 10 μg/l. Il contenuto corporeo di titanio è di circa 15 mg ed è localizzato per la maggior parte nei polmoni, probabilmente come conseguenza dell’inalazione diretta. Si è stimato che circa un terzo del titanio inalato è trattenuto nei polmoni. Le differenze nei contenuti polmonari che si osservano nelle diverse zone geografiche sono per la maggior parte dovute alle concentrazioni di titanio nell’aria. Per esempio, nelle ceneri di tessuto polmonare, sono state determinate delle concentrazioni pari a 430, 1300 e 91 ppm rispettivamente per gli Stati Uniti, Delhi e Hong Kong. Negli Stati Uniti sono state ritrovate concentrazioni medie di 8 e 6 ppm nel fegato e nel rene rispettivamente. I neonati presentano uno scarso contenuto di titanio. I contenuti polmonari tendono ad aumentare con l’età. L’esposizione occupazionale al titanio può essere forte, e sono state riportate concentrazioni di titanio nell’aria superiori a 50mg/m³. Il diossido di titanio è stato classificato come una fastidiosa sostanza particellare con una TLV di 10 mg/m³. Tuttavia è stato riferito che in seguito alle inalazioni di titanio per esposizione ai pigmenti di diossido di titanio, si è manifestata una lieve fibrosi del tessuto polmonare, anche se il danno arrecato non era invalidante. D’altra parte, il diossido di titanio è stato considerato fisiologicamente inerte per tutte le vie (per ingestione, per inalazione, per via dermica e subcutanea). Anche il metallo e gli altri sali sono relativamente non tossici, ad eccezione dell’acido di titanio, che, come ci si potrebbe aspettare, provoca irritazione. Da uno studio su ratti e topi non è stata dimostrata un’eventuale azione cancerogena del diossido di titanio (NCI, 1979). 49 Vanadio Il vanadio è un elemento ubiquitario che si ottiene come sottoprodotto dalla raffinazione del petrolio. Viene impiegato nell’indurimento dell’acciaio, nella fabbricazione dei pigmenti, in fotografia e negli insetticidi. È comune in molti alimenti; quantità significative sono state trovate nel latte, prodotti ittici, cereali e vegetali. Il vanadio ha un’affinità naturale per i grassi e gli oli; alimenti ricchi in olio ne presentano elevate concentrazioni. Le riserve d’acqua municipali possono contenerne una quantità media variabile da 1 a 6 ppb. L’area urbana contiene circa 30 mg di vanadio, forse a causa dell’uso dei prodotti del petrolio o per rilascio delle raffinerie. Il compartimento corporeo dove si ha il maggiore accumulo è il tessuto adiposo, anche se pure i denti e l’osso danno un certo contributo al contenuto corporeo. È stato postulato che qualche meccanismo omeostatico mantenga normali i livelli di vanadio nel caso di un’eccessiva assunzione, poiché l’elemento, nella maggior parte delle sue forme, è moderatamente assorbito. La principale via di escrezione del vanadio è l’urina. Il normale livello di vanadio nel siero varia da 35 a 48 μg/100 ml. Quando il vanadio è presente in eccesso nella dieta, la concentrazione nei globuli rossi tende ad aumentare. La somministrazione per via parenterale aumenta i livelli nel fegato e nel rene, ma questi aumenti possono essere solamente temporanei. Il tessuto polmonare può contenere vanadio se assunto per via inalatoria; ma normalmente, negli altri organi, è presente in quantità trascurabile. L’azione tossica del vanadio è in gran parte confinata al tratto respiratorio. Bronchiti e broncopolmoniti sono più frequenti nei lavoratori esposti ai composti del vanadio. Nell’esposizione industriale alla polvere di pentossido di vanadio, si manifesta una tipica colorazione verdastra della lingua. È stata ascritta all’esposizione industriale anche un’azione irritante nei confronti della pelle e degli occhi, nonché difficoltà gastrointestinali, nausea, vomito, dolori addominali, palpitazione cardiaca, tremori, depressione nervosa e danni renali. L’ingestione dei composti del vanadio (V2O5) a scopo terapeutico ha provocato disturbi gastrointestinali, lievi anomalie del quadro clinico relativo alle 50 funzioni renali ed effetti sul sistema nervoso. L’avvelenamento acuto da vanadio negli animali è caratterizzato da marcati effetti sul sistema nervoso, emorragia, paralisi, convulsione e depressione respiratoria. Facendo inalare il vanadio agli animali in studi a breve termine, si ha una conferma degli effetti sul polmone e sui reni. In aggiunta, le ricerche sperimentali hanno permesso di ipotizzare che il fegato, le surrenali ed il midollo osseo, possano essere bersaglio degli effetti tossici di esposizioni subacute ad alti livelli (Waters et al., 1977; Wenning e Kirsch, 1988). 51 CAPITOLO 3 Mobilizzazione della protesi di ginocchio L’artroprotesi di ginocchio è una tecnica chirurgica che nel quasi 95% dei casi è finalizzata alla risoluzione del dolore e della limitazione funzionale. Vari autori riportano dati di soddisfazione del 95% e durata della protesi dai 12 ai 15 anni (Insall et al., 1994). Tuttavia, una certa percentuale di pazienti è costretta a sottoporsi ad un reintervento di revisione della protesi. Le cause più comuni che portano ad una revisione della protesi sono l’infezione, la mobilizzazione asettica, l’instabilità, l’usura dei materiali della protesi. Altre cause meno comuni sono artrofibrosi, malallineamento, deficit dei meccanismi estensori, fratture periprostetiche e necrosi avascolare della patella. La mobilizzazione delle componenti protesiche rappresenta una delle cause più frequenti di fallimento delle protesi vincolate e delle protesi di sostituzione delle superfici articolari. Secondo Callagan e al. (2004) rappresenta il 24% delle cause di revisione della protesi. La mobilizzazione può riguardare sia la componente tibiale sia quella femorale e rotulea. La componente tibiale è quella maggiormente coinvolta con un’incindenza che dipende strettamente dal tempo del follow-up. Per esempio, Deburge et al. (1994) riportano con la protesi di GUEPAR una percentuale del 2% di mobilizzazione prima di 2 anni e di 15% a 5 anni. L' incidenza della mobilizzazione femorale in un studio dell'Hospital for Special Surgery è di un 1,5 % in un follow-up di 15 anni. Quella rotulea è di un 2% in un follow-up di 6 anni. La mobilizzazione è un fenomeno tempo-dipendente e generalmente annunciata dalla comparsa di una linea completa di radiolucenza all'interfaccia ossocemento. Nelle protesi di sostituzione delle superfici articolari, la maggior parte delle mobilizzazioni delle componenti avviene entro i primi 2 anni ed è legata alla tecnica, invece nelle in quelle vincolate l’insuccesso si manifesta in genere più tardivamente. Secondo Pizzoferrato et al. (1993), la mobilizzazione può essere determinata 52 da: 1. cause meccaniche (cementazione, instabilità dell’ impianto, fratture, rottura dei componenti); 2. cause biologiche (reazioni a particelle di usura quali frammenti di polietilene, metallo, cemento). Le modalità e le cause di mobilizzazione protesica variano a seconda della componente interessata. La mobilizzazione della componente tibiale è dovuta ad un malallineamento della componente tibiale e ad un malposizionamento della protesi dipendente a sua volta alla tecnica chirurgica usata. Il meccanismo è quello di progressivo affondamento e migrazione nell'estremità mediale della tibia del componente protesico, che produce un posizionamento in varismo della protesi. Il metodo di fissazione è importante e la migrazione è maggiore nelle protesi non cementate. La mobilizzazione delle componenti femorali non è comune sia nelle protesi cementate che in quelle non cementate. Quando ciò accade, tuttavia, segue un particolare andamento in cui l'osso si riassorbe posteriormente, consentendo al femore di migrare anteriormente e di ruotare in flessione. La mancanza del supporto femorale posteriore dovuto all'osso osteoporotico è la causa. La mobilizzazione della componente rotulea è più spesso associata alle fratture rotulee o alla dissociazione tra la componente polietilenica ed il metal back. Valutazione clinica Per la valutazione clinica si può far riferimento alla scheda di valutazione dell' International Knee Society (Langard et al., 2001) nella quale sono presi in considerazione sette parametri: dolore, funzione articolare, grado di movimento, forza muscolare, deformità flessoria, instabilità, supporto. Uno dei primi segni di mobilizzazione è il dolore. Bisogna prendere in considerazione le caratteristiche del dolore (localizzato o irradiato, durata, intensità). Importante è la modalità di insorgenza del dolore nel tempo. In un paziente che non 53 presenta dolore all'inizio del follow-up e sviluppa dolore nei mesi e negli anni successivi bisogna prendere in considerazione la diagnosi di mobilizzazione asettica e instabilità legamentosa tardiva. Invece se il paziente sviluppa dolore improvvisamente si prende in considerazione la possibilità di infezione acuta, instabilità associata con malallineamento protesico, o cause non articolari. Nel paziente con mobilizzazione della protesi il dolore aumenta con il movimento e diminuisce con il riposo, al contrario del dolore da infezione che rimane invariato. La funzione articolare viene misurata valutando l'abilita di camminare, salire e scendere i gradini, trasferirsi da un posto all'altro con o senza necessità di un supporto. Il grado di movimento va valutato in flessione ed estensione evidenziando le possibili limitazioni. La forza muscolare va esaminata valutando la capacità del quadricipite di contrarsi e dell' arto di spostarsi. L'instabilità si valuta in un piano varo ed in un piano valgo in posizione di massima estensione e di 90° di flessione. Valutazione strumentale L’indagine cardine è l’ecografia che valuta i tessuti molli, la cavità articolare e i legamenti. Può essere usata per eseguire l’agospirato sotto controllo ecografico. Altre indagini sono rappresentate dall’elettromiografia, dalla videofluoroscopia e dalla gait analysis che valutano la cinematica e la dinamica dell'impianto. Valutazione radiografica Include la radiografia standard (RX) in posizione antero-posteriore e laterolaterale, l’artrografia, la scintigrafia, la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN), la densitometria a raggi X a doppia energia (DEXA), la Tomografia Assiale Computerizzata (TAC) e la Roentgen Stereophotogrammetric Analysis (RSA). La radiografia standard evidenzia le linee di radiolucenza complete e la componente tibiale posizionata in varismo. La componente femorale è evidenziata 54 meglio in proiezione laterale ed appare migrata anteriormente, in una posizione di flessione a causa del riassorbimento osseo. La TAC, RM e DEXA dimostrano una diminuzione della densità ossea, associata a una tendenza alla migrazione dell'impianto in direzione mediolaterale in caso della componente tibiale ed anteriore per quanto riguarda la componente femorale. Alla scintigrafia con difosfonati organici marcati con Tc99m si riscontra assenza di aree di anomala iperconcentrazione del radiofarmaco nelle fasi di perfusione e di pool ematico. Nelle immagini tardive, si riscontra iperconcentrazione del radiofarmaco attorno alla protesi, tipicamente molto evidente in corrispondenza dell' estremità distale della stessa, e dei trocanteri (zone di pressione). La RSA valuta la stabilità della componente tibiale e mette in evidenza microspostamenti tra protesi e osso che la radiografia convenzionale non è in grado di evidenziare. 55 CAPITOLO 4 INTERAZIONE FRA SISTEMA IMMUNITARIO E MATERIALI DA IMPIANTO Il ruolo fondamentale del sistema immunitario è quello di difendere l'organismo dall'aggressione di qualcosa di estraneo. Ciò avviene attraverso la capacità di riconoscere e differenziare sostanze autologhe da sostanze eterologhe ad azione antigenica, e la capacità di reagire in modo specifico nei confronti di un bersaglio 'non self'. Dal momento che un dispositivo medico, o i biomateriali che lo compongono, rappresentano qualcosa di estraneo all'organismo non è poi così sorprendente che il sistema immunitario reagisca nei confronti di esso. La struttura chimica del materiale non è idonea a determinare una azione antigenica, ma è stato dimostrato che le proteine che vengono adsorbite sulla superficie di un materiale possono modificare la loro struttura chimica diventando qualcosa di 'non self', così come piccole molecole rilasciate dal materiale possono fungere da apteni. Dalla seconda metà degli anni settanta sono state pubblicate varie esperienze che hanno evidenziato il ruolo del sistema immunitario nella biocompatibilità (Remes et al., 1992). la via del complemento è attivata durante il passaggio del sangue nei circuiti extra-corporei; l'ipersensibilità ai metalli è fra le possibili cause di fallimento degli impianti metallici; le superfici dei polimeri sono in grado di stimolare il rilascio di interleuchina-1 (IL-1) dai monociti; la correlazione fra impianto di silicone e insorgenza di “connettiviti autoimmuni ” o “ human adjuvant disease “; 56 - le cellule del sistema immunitario sono spesso identificate nella sede dell'impianto ed in misura diversa in relazione al tipo di materiale impiegato. Alla luce di queste evidenze sperimentali e cliniche ci si è posti il problema della immunotossicità, termine che è stato coniato per definire la reciproca compatibilità che deve esistere fra un biomateriale ed il sistema immunitario. Ciò significa che il sistema immunitario deve 'tollerare' un materiale estraneo e quest'ultimo non deve interferire con le difese immunitarie dell'ospite, inibendone le funzioni. Nel primo caso, se il materiale induce una risposta immunitaria, si può avere una evoluzione di tale risposta in uno stato patologico riconosciuto come malattia da alterata immunoregolazione o ipersensibilità. Nel secondo caso, se il materiale determina l'inibizione della risposta immunitaria, si instaura uno stato di immunodepressione con la compromissione delle capacità di difesa dell'ospite. Lo studio dell'immunotossicità si basa quindi su una serie di indagini atte a valutare che il materiale non provochi modificazioni delle funzioni di difesa dell'ospite. Tali indagini possono essere effettuate impiegando materiale biologico proveniente da individui sani, per valutare mediante saggi in vitro la capacità intrinseca di un materiale di interagire con il sistema immunitario, o materiale proveniente da individui portatori di impianti, nell'ambito di studi di tossicità cronica e trials clinici. Fisiopatologia della risposta immunitaria ai biomateriali Reazione tessutale all’impianto L'impianto di un materiale protesico determina un danno tessutale ed evoca nell'ospite una reazione di difesa che va sotto il nome di infiammazione o flogosi. 57 L'infiammazione acuta, qualunque sia la natura del danno, si presenta sempre con le stesse caratteristiche, in modo stereotipato. Si sviluppa nel tessuto connettivo vascolarizzato, che comprende plasma, cellule circolanti, vasi sanguigni e i costituenti cellulari ed extracellulari del tessuto connettivo. I segni clinici locali dell'infiammmazione acuta sono tutti determinati da tre eventi fondamentali: a) modificazioni del flusso e del calibro vascolare; b) modificazioni della permeabilità vascolare; c) essudazione leucocitaria. Tutto il processo infiammatorio è innescato da una serie di mediatori chimici che possono essere classificati in due categorie: mediatori che influenzano la permeabilità vascolare (istamina, serotonina, complemento C3a-C5a, prostaglandina E) e mediatori ad azione chemiotattica (C3a, C5a); essi possono derivare dal plasma, da cellule attivate o dai tessuti danneggiati. La persistenza dello stimolo flogistico, ad esempio la presenza di un corpo estraneo, può indurre un processo infiammatorio cronico caratterizzato da: a) infiltrazione di cellule mononucleate, soprattutto monociti e macrofagi, ma anche linfociti e plasmacellule; b) proliferazione di fibroblasti e capillari sanguigni; c) aumento del tessuto connettivo (fibrosi). A questo livello si esplica una risposta immunitaria aspecifica che viene realizzata da cellule fagocitarie (monociti-macrofagi e granulociti), che non sono in grado di riconoscere l'una dall'altra le strutture estranee in quanto non possiedono il vasto repertorio recettoriale di cui sono forniti i linfociti T e B. Queste cellule possiedono però recettori specifici per il Fc delle immunoglobuline, per il C3b, C3bi e C3d del complemento, ovvero molecole che sono in grado di rivestire le strutture non self permettendo quindi il realizzarsi dei fenomeni di fagocitosi, come prima reazione di difesa da parte dell'ospite. Altre cellule dell'immunità aspecifica, come le natural killer, possono agire attraverso il recettore per il Fc, anche se il loro ruolo è più rilevante nella difesa da virus e da cellule neoplastiche. 58 Interazione con il sistema immunitario Se la causa flogistica è in grado di interagire con il sistema immunitario, ovvero possiede caratteristiche di immunogenicità, viene indotta una risposta immunitaria specifica, umorale o cellulo-mediata. Dal punto di vista fisico-chimico le molecole sono immunogeniche solo se possiedono alcune caratteristiche, quali elevato peso molecolare, notevole complessità chimica interna; devono essere solubili o facilmente solubizzabili dalle cellule fagocitiche; sono in genere estranee alla specie in cui vengono introdotte. Le molecole immunogeniche possiedono un numero più o meno elevato di antigeni riconoscibili dalle strutture specifiche della risposta immune, quali i recettori di membrana dei linfociti T e gli anticorpi solubili. Ogni stimolazione antigenica determina l'entrata in funzione di molteplici meccanismi cellulari e molecolari di controllo che garantiscono reazioni rapide specifiche ed efficienti. La risposta immunitaria specifica si realizza nel seguente modo: l'antigene viene processato dal macrofago o da un linfocito B e presentato sulla superficie insieme ad una molecola HLA di classe II. Attraverso questa molecola i linfociti T helper CD4+ mediante il T Cell Receptor (TCR) riconoscono l'antigene. Contemporaneamente il macrofago secerne IL-1, che agisce sui linfociti T helper favorendo la produzione di IL-2 ed aumentando il numero di recettori per l'IL-2 sui linfociti T citotossici CD8+ e B. Attraverso l'IL-2 i linfociti T CD4+ inducono l'espansione clonale dei CD8+ citotossici, che riconoscono l'antigene sulla cellula bersaglio, presentato da una molecola HLA di classe I, ed esplicano la loro funzione citolitica mediante la liberazione di poliperforine. I linfociti T helper inducono anche la proliferazione e la differenziazione a plasmacellule secernenti dei linfociti B attraverso la produzione di alcuni mediatori, quali IL-2, IL-5, IL-4 e IL-6. Il sistema immunitario è costituito da un insieme di cellule e molecole, il cui compito fondamentale è quello di difendere l'organismo dall'aggressione di qualcosa di estraneo. Ciò avviene attraverso la capacità di riconoscere e differenziare sostanze autologhe da sostanze eterologhe ad azione antigenica, e la capacità di reagire in modo specifico nei confronti di un bersaglio 'non self'. 59 In generale un biomateriale, pur essendo considerato come qualcosa di biologicamente inerte, è in grado di indurre nell'ospite una reazione tessutale, nell'ambito della quale non è da escludere anche una risposta immune. La natura del materiale non è idonea a determinare una azione antigenica, ma è stato dimostrato che le proteine che vengono adsorbite sulla superficie di un materiale possono modificare la loro struttura diventando qualcosa di 'non self' (Stern I.J et al., 1972), così come piccole molecole rilasciate dal materiale possono fungere da apteni legandosi a proteine carrier o da adiuvanti, ovvero sostanze in grado di potenziare la risposta immunitaria attraverso due modalità: formando un complesso insolubile con l'antigene prolungandone la persistenza nell'organismo, oppure aumentandone le dimensioni incrementando l'attività delle cellule fagocitiche (Merritt et al., 1984). La reciproca compatibilità che deve esistere fra un biomateriale ed il sistema immunitario significa che da un lato il sistema immunitario deve 'tollerare' l'impianto di un materiale estraneo nell'organismo e dall'altro che il materiale non deve interferire con le difese immunitarie dell'ospite, inibendone le funzioni. Nel primo caso, se il materiale induce una risposta immunitaria, si può avere una evoluzione di tale risposta in uno stato patologico riconosciuto come malattia da alterata immunoregolazione o ipersensibilità. Nel secondo caso il materiale determina l'inibizione della risposta immunitaria, e quindi uno stato di immunodepressione con la compromissione delle capacità di difesa dell'ospite. Ipersensibilità Il complesso meccanismo che determina l'adattamento del sistema immunitario ad ogni nuova emergenza antigenica è suscettibile di alcuni errori che possono evolvere in uno stato patologico definibile come malattia da alterata immunoregolazione o ipersensibilità. 60 Vi sono quattro tipi di immunoreazione potenzialmente in grado di determinare un danno anatomo-clinico: tipo I o ipersensibilità immediata o anafilattica; tipo II o ipersensibilità citotossica anticorpo-dipendente; tipo III o ipersensibilità mediata da immunocomplessi; tipo IV o ipersensibilità ritardata. Tipo I, o ipersensibilità immediata o anafilattica Sono quelle malattie mediate dalle IgE, più comunemente definite come malattie allergiche. Il legame fra le IgE e granulociti basofili e mastcellule determina la degranulazione di questi e la liberazione di amine vasoattive responsabili della sintomatologia clinica. I requisiti fondamentali di una malattia allergica sono la specificità e la trasferibilità passiva. E' stato dimostrato come l'inoculo sottocutaneo del siero di un soggetto sensibile nei confronti di un determinato antigene seguito dall'inoculo dell'antigene stesso è in grado di indurre una reazione pomfo-eritematosa (fenomeno P-K). La porzione Fc delle IgE si lega con i recettori presenti su granulociti basofili e mastociti. Ciò determina l'instaurarsi di una serie di reazioni responsabili della liberazione nel microambiente di numerosi mediatori biochimici, che sono la causa delle tipiche manifestazioni cliniche di una reazione allergica. La reazione di ipersensibilità immediata nei confronti dei biomateriali è documentabile attraverso la positività all'inoculo sottocutaneo dell'antigene oppure la identificazione nel siero delle immunoglobuline specifiche. Un esempio di reazione di I tipo è quello che si osserva nell'impianto di biomateriali contenenti farmaci a lento rilascio, i quali possono indurre una sensibilizzazione fino all'anafilassi. Recentemente è stato dimostrato che il silicone, il quale può scatenare una ipersensibilità di tipo IV o cellulo-mediata, determina la produzione di anticorpi circolanti in grado di determinare una reazione cutanea che può essere trasferita passivamente. Un altro esempio di ipersensibilità di I tipo è stato osservato nei confronti del lattice, impiegato nei cateteri vescicali, e dimostrato sia attraverso la positività all'inoculo di lattice sia per la presenza di anticorpi specifici. 61 Tipo II o ipersensibilità citotossica anticorpo-dipendente Sono le reazioni innescate dalla interazione fra un anticorpo (IgM o IgG) ed un antigene localizzato sulla membrana cellulare di una determinata cellula. Il danno si realizza per l'attivazione del sistema del complemento, o attraverso il reclutamento di cellule fagocitiche mediante il recettore per la frazione Fc delle Ig e C3b, oppure mediante il meccanismo ADCC in cui cellule killer si legano alla cellula bersaglio attraverso il recettore per il frammento Fc delle Ig e ne provocano la morte attraverso la liberazione di sostanze litiche; in realtà quest'ultimo meccanismo non è stato dimostrato ed il suo ruolo è fino ad oggi puramente speculativo. I meccanismi effettori della ipersensibilità citotossica anticorpo-dipendente non sono facilmente dimostrabili, tanto è che a tutt'oggi non sono stati accertati fenomeni di questo tipo in pazienti portatori di biomateriali sottoposti ad usura in cui le microparticelle liberate aderiscono alla membrana cellulare. Tipo III, o ipersensibilità mediata da immunocomplessi. Gli immunocomplessi (IC) che normalmente si formano nella reazione antigene-anticorpo sono destinati ad essere fagocitati. La loro persistenza in circolo ed in particolari tessuti è il prerequisito per una reazione di tipo III. Ciò dipende da vari fattori, quali le dimensioni dei complessi stessi, la carica elettrica e le caratteristiche dell'antigene. Il meccanismo attraverso il quale vengono danneggiati i tessuti è comune a tutte le malattie da IC ed è rappresentato dall'innesco di tutti gli eventi propri dell'infiammazione. Le immunoglobuline stericamente modificate nella loro interazione con l'antigene acquistano alcune proprietà che non hanno come molecole libere, ovvero legare ed attivare il complemento e interagire con tutte le cellule fornite del recettore per il frammento Fc delle Ig, come fagociti mononucleati e piastrine. In base alla modalità di formazione degli IC possono essere distinti due diversi gruppi di malattie, ovvero le malattie da IC formati in situ e da IC circolanti; i rispettivi modelli sperimentali sono rappresentati dalla reazione di Arthus e dalla malattia da siero acuta e cronica. 62 Dal punto di vista teorico un biomateriale che presenta proprietà antigeniche deboli e viene degradato lentamente possiede i requisiti per indurre una reazione di tipo III, anche se fino ad oggi non si sono avute segnalazioni di biomateriali in grado di dare origine a reazioni di questo tipo. Tipo IV, o ipersensibilità ritardata. A differenza delle precedenti queste reazioni non sono mediate da anticorpi, ma da linfociti T ed in particolare da linfociti T CD4+, che in seguito alla stimolazione dell'antigene, proliferano e causano danni tessutali attraverso due meccanismi, ovvero produzione di linfochine e attivazione di linfociti T citotossici. Alcune linfochine attraggono ed attivano i macrofagi che esercitano un'attività citotossica e modificano la propria morfologia assumendo l'aspetto di cellule epitelioidi o cellule giganti, altre invece hanno un'azione citotossica diretta come il TNF-alfa. Il risultato finale di queste interazioni è la formazione di un granuloma. Per la natura stessa del biomateriale, per le sue modalità di applicazione e per i fenomeni di reazione tessutale e di lenta degradazione che ne derivano, le reazioni di ipersensibilità di tipo IV sono quelle più spesso associate all’impianto di un dispositivo. Ad esempio, nel caso di protesi ortopediche le sostanze in grado di scatenare una risposta di IV tipo possono essere metalli (sali di nichel, cromo, cobalto, ferro, rame, argento, alluminio), oppure sostanze chimiche derivate dal cemento, gomma e plastica. Questi "allergeni" sono tutte sostanze a basso peso molecolare che fungono da apteni e si legano a proteine presenti nel tessuto periprotesico, dando origine all'antigene sensibilizzante. Questo viene catturato e processato dai macrofagi che lo trasportano ai linfonodi satelliti e lo presentano ai linfociti T. I linfociti T proliferano e causano danni tessutali attraverso due meccanismi, ovvero produzione di citochine e attivazione di linfociti citotossici. Alcune citochine reclutano i macrofagi stimolandone l'attività citotossica e favorendone le modificazioni in cellule epitelioidi o cellule giganti. Altre citochine, come il TNF-alfa e l’IL-1, favoriscono il riassorbimento dell'osso. Il processo di 63 sensibilizzazione può durare 1-2 settimane, ed il successivo e costante contatto con l'antigene, che viene rilasciato per degradazione nella sede di impianto, determina l'instaurasi della reazione di ipersensibilità che si accompagna ad una risposta infiammatoria, che induce a sua volta un danno tessutale sempre più accentuato fino a quando non sarà necessario procedere alla rimozione della protesi (Gruber et al., 1991, Jiranek et al., 1993, Deutman et al., 1977, Remes et al., 1992, Nobis et al., 1992, Lalor et al.,1993). Immunodepressione I biomateriali sono potenzialmente in grado di deprimere la risposta immunitaria con la conseguente diminuzione della capacità di difesa proprie di alcune cellule nei confronti dei microrganismi che accidentalmente contaminano una protesi: in questa circostanza il rischio di infezione risulta notevolmente aumentato. Il primo meccanismo con cui l'ospite difende se stesso dall'aggressione microbica è individuabile nella risposta immunitaria aspecifica. Il danno tessutale determinato dall'impianto chirurgico attiva la via alternativa del complemento: la frazione C3a è coinvolta nell'opsonizzazione batterica, mentre le frazioni C3a e C5b stimolano la chemiotassi leucocitaria. Altri fattori, quali l'istamina, la serotonina, i leucotrieni e le prostaglandine, favoriscono la migrazione dei leucociti aumentando la permeabilità vascolare. Alcuni leucociti possiedono specifici recettori in grado di riconoscere i batteri opsonizzati, che vengono così catturati e fagocitati. La distruzione dei batteri avviene attraverso reazioni 'ossigeno indipendenti', in cui intervengono alcune sostanze come lisozima, enzimi lisosomiali, lattoferrina, e reazioni ossigeno-dipendenti, quali la riduzione dell'O2 ad anione superossido (burst ossidativo). La risposta immunitaria specifica nei confronti dei microorganismi avviene con le stesse modalità descritta per la risposta immunitaria nei confronti di un antigene. La produzione di anticorpi nei confronti dei batteri rappresenta un 64 meccanismo difensivo di importanza fondamentale, in quanto gli anticorpi possono danneggiare direttamente il microrganismo, bloccando ad esempio l'azione delle tossine batteriche, o promovendo la fagocitosi da parte delle cellule dotate di questa funzione. E' noto che alcuni materiali, in particolare metalli, sono in grado di interferire con la attività fagocitaria di monociti e polimorfonucleati, favorendo quindi l'insorgere di infezioni nella sede di impianto. Strategia per la valutazione della immunotossicità Tutti i dispositivi medici, e perciò anche le protesi articolari, possono indurre alterazione del sistema immunitario secondo i meccanismi descritti nei paragrafi precedenti. Da alcuni anni esistono normative internazionali che prevedono l’esecuzione di test di immunotossicità per la valutazione preclinica dei dispositivi da immettere sul mercato. Tali test vengono eseguiti anche nei confronti di dispositivi già in commercio, verso i quali siano pervenute segnalazioni di casi di intolleranza immunitaria. In entrambi i casi, ovvero valutazione pre-clinica o della intolleranza del dispositivo, la strategia da seguire è sovrapponibile. Occorre definire il potenziale immunotossico dei materiali, in relazione al tipo, all’impiego che ne viene fatto e alla durata del contatto con l’individuo. Una volta stabilito l’itinerario da seguire occorre stabilire quale è la fisiopatologia che si associa alla risposta immunitaria e quale tipo di risposta prevale (immunitaria aspecifica, immunitaria specifica umorale o immunitaria specifica cellulare, ipersensibilità o immunodepressione), ed infine tenendo conto delle precedenti informazioni quali sono i test più appropriati per valutare la immunotossicità. Un elemento comune che caratterizza i test di valutazione della immunotossicità, e di biocompatibilità in genere, sia nel caso della valutazione preclinica sia nel caso di intolleranza nei confronti dell’impianto, è che occorre creare una interazione fra materiale e sistema immunitario, e questo può avvenire in vivo 65 con l’animale da esperimento, o in vitro con cellule immunitarie poste a contatto del materiale, usato come tale o sotto forma di estratto. Nel caso in cui si vogliano valutare gli effetti immunotossici indotti da un dispositivo impiantato si aggiunge la possibilità di prelevare materiale biologico dal paziente e valutare direttamente su questo le eventuali alterazioni immunologiche. Risposta tessutale L’analisi istologica dei tessuti prelevati in varie sedi a livello periimplantare, durante la revisione della protesi, permette di caratterizzare la componente cellulare all'interfaccia tessuto-impianto. Le cellule reattive vengono riconosciute per la loro morfologia e classificate in granulociti neutrofili, granulociti eosinofili, linfociti, plasmacellule, follicoli linfoidi, istiociti mono e multinucleati. E’ possibile mettere in evidenza le eventuali particelle d'usura e porre in correlazione l’entità della usura con gli eventi cellulari. (Pizzoferrato et al, 1991). Un altro aspetto legato alla immunotossicità è rappresentato dalla valutazione dello stato dei linfonodi viciniori all’impianto, che possono risultare modificati per gli effetti tossici del materiale (presenza di particelle di usura, necrosi linfonodale, apoptosi) o per gli effetti immunostimolante (aumento del volume linfonodale, follicoli linfonodali aumentati). Mentre i criteri morfologici sono sufficienti per distinguere i diversi tipi di cellule, per avere una definizione delle sottopopolazioni linfocitarie è necessario eseguire una tipizzazione dei linfociti che possono essere differenziati in base alle diverse caratteristiche degli antigeni di membrana. L’analisi immunoistochimica dei tessuti fornisce ulteriori informazioni sul tipo di cellule coinvolte nella reazione periimplantare Su sezioni al criostato fissate in acetone e cloroformio, mediante indagini immunoistochimiche in immunoperossidasi o immunofosfatasi alcalina, è possibile distinguere i linfociti T dai B, identificabili rispettivamente per la presenza degli antigeni CD3 e CD2 (T) e CD19 (B); i linfociti CD4 (helper-inducer, 66 CD4+CD29+, e suppressor-inducer CD4+CD45RA+) e CD8 (cytotoxic-suppressor). Inoltre si possono identificare linfociti esprimenti antigeni di attivazione, quali il recettore per l'interleuchina (CD25), il recettore per la transferrina (CD71) o molecole MHC di classe II, mentre le cellule NK sono identificabili per la presenza degli antigeni CD16, CD56, CD57. Ancora attraverso l’analisi immunoistochimica possono essere identificate a livello tessutale alcune citochine, e a seconda del tipo di citochina rilevato si può stabilire se la risposta è solo infiammatoria aspecifica (TNF, IL-6, IL-1, chemochine), o se vi è anche una reattività immunitaria specifica (IL-2). A volte la sola determinazione immunoistochimica non consente di stabilire se la presenza di citochine è una conseguenza dell’attività delle cellule presenti all’interfaccia, oppure è di altra origine, e solo determinazione dell’RNA messaggero mediante tecniche di ibridazione in situ permette di risolvere tale dubbio. Risposta umorale La risposta umorale specifica prevede che siano prodotti anticorpi nei confronti di molecole rilasciate dal materiale, e che in seguito alla produzione di questi anticorpi si possa instaurare una citotossicità anticorpo-mediata o si possano formare immunocomplessi circolanti. Gli anticorpi specifici possono essere dimostrati nel siero di pazienti che hanno sviluppato una reazione di ipersensibilità umorale nei confronti dell’impianto. Se il materiale è in grado di inibire l’immunità umorale specifica di un individuo si instaura uno stato di immunodepressione che si traduce in una minore resistenza dell’ospite alle infezioni opportunistiche, da virus e da tumori. Lo stato di immunodepressione può essere evidenziato valutando il titolo di anticorpi noti, come ad es. le isoemoagglutinine, anticorpi antistreptococco, anti-stafilococco o verso antigeni vaccinali. 67 Anche l’attivazione del complemento gioca un ruolo fondamentale nella risposta infiammatoria e nella reazione immunitaria. Quando il complemento viene attivato si ha la formazione di complessi peptidici con attività biologica, in grado di indurre l’adesione dei granulociti e dei monociti all’endotelio e la successiva migrazione. Per quanto noto dalla letteratura, i biomateriali attivano il complemento attraverso la via alternativa, ma anche il coinvolgimento della via classica non può essere escluso (Jahns et al., 1993). Risposta cellulo-mediata Anche la risposta cellulo-mediata può essere aspecifica o specifica. Nella risposta immunitaria aspecifica sono coinvolte le cellule del sistema monocito-macrofagico, i granulociti e le cellule natural killer. Le cellule monocitomacrofagiche e i granulociti sono caratterizzati dalla capacità di fagocitare microorganismi o particelle da usura e la loro funzionalità può essere anche monitorata attraverso lo studio del burst ossidativo indotto da vari fattori. Il burst ossidativo è un processo biochimico caratteristico della fagocitosi: dopo esposizione dei fagociti ad opportuno stimolo si attiva la NADPH-ossidasi legata alla membrana. Come risultato si ha consumo di ossigeno e sua conversione in superossido O2 . Questo a sua volta reagisce con l’acqua e forma H2O2 (perossido di idrogeno). Il fenomeno del burst ossidativo può essere evidenziato attraverso la 2,7diclorofluorescina (DCF) diacetato, un derivato non fluorescente della 2,7diclorofluorescina che penetra attraverso la membrana cellulare grazie al gruppo diacetato. Una volta entro la cellula, il gruppo diacetato è clivato enzimaticamente, generando DCFH che non è più in grado di attraversare la membrana. Il DCFH viene ossidato a DCF altamente fluorescente durante il burst, principalmente ad opera del perossido di idrogeno. 68 Inoltre le cellule monocito-macrofagiche sono caratterizzate dalla capacità di presentare l’antigene e il loro stato di attivazione determina alcune variazioni fenotipiche, che sono rilevabili attraverso una analisi degli antigeni di membrana, e modificazioni nel rilascio di citochine, come TNF, IL-1 e IL-6. La risposta immunitaria specifica prevede l’intervento dei linfociti T e B, i quali, come detto in precedenza nel paragrafo della risposta tissutale, possono essere identificati attraverso le peculiarità degli antigeni di membrana. Questo tipo di indagine è utile in individui portatori di impianto perché variazioni quantitative nella distribuzione delle sottopopolazioni linfocitarie possono riflettere sia uno stato di immunostimolazione sia di immunosoppressione. Nel primo caso potrebbero non esservi variazioni quantitative nel numero dei diversi tipi di linfociti, quanto piuttosto un aumento dei soli linfociti attivati, sia in condizioni basali che dopo riesposizione in vitro al potenziale antigene. Gli antigeni di attivazione che vengono comunemente valutati sono rIL-2 receptor (CD25), recettore per la transferrina (CD71), antigene HLA-DR del sistema maggiore di istocompatibilità, significativo sui linfociti T and ‘early activation antigen’ (CD69). Lo stato di attivazione dei linfociti può essere evidenziato anche attraverso studi di tipo funzionale. L’attivazione biochimica delle cellule può essere indagata anche mediante il test del MTT o test di riduzione dei sali di formazano (3-(4,5 dimetiltiazol-2-il)-2,5 difenol tetrazolio bromuro). Il sale di tetrazolio o MTT è un colorante che, opportunamente diluito in soluzione salina, penetra nelle cellule di vario tipo. Qui l’anello del tetrazolio viene clivato ad opera delle deidrogenasi mitocondriali delle cellule vitali e il sale, originariamente di colore giallo vivo, viene quindi convertito in formazano, blu scuro e si accumula in depositi nei siti di conversione intracellulari. La riduzione di questo sale da parte delle cellule è operata dagli enzimi mitocondriali attivi presenti nella cellula ed è quindi una misura indiretta ma accurata della vitalità o attivazione della cellula stessa, in quanto proporzionale al numero di cellule vitali presenti. I metodi più significativi per lo studio delle cellule natural killer è quello di misurare la capacità di binding e l'attività citotossica delle cellule NK nei confronti di 69 una cellula target, ad esempio la linea cellulare K562. La capacità di binding può essere analizzata, marcando le cellule con l'anticorpo monoclonale specifico e il legame con la cellula target sarà evidenziato sulla base delle dimensioni del complesso linfocito-cellula target, ovvero si calcolerà la percentuale di complessi fluorescenti selezionando un area di elementi di grandi dimensioni. L'attività citotossica delle cellule NK sarà analizzata valutando l'incorporazione di ioduro di propidio o il rilascio di Cr51 che avviene solo quando la membrana cellulare delle K562 è danneggiata. La prova di proliferazione linfocitaria viene detta test del LTT (Lymphocyte Transformation Test) o test di blastizzazione linfocitaria. Applicata da lungo tempo, è una prova di funzionalità linfocitaria, in quanto consiste nel misurare la capacità dei linfociti di rispondere in vitro ad uno stimolo esogeno, generalmente mitogeni vegetali o lectine, trasformandosi in blasti. Questi sono cellule di maggiori dimensioni rispetto ai linfociti ‘resting’, in quanto hanno duplicato il loro contenuto in DNA. Su questo evento biochimico si fondano i test che evidenziano l’avvenuta blastizzazione: in pratica si utilizzano: a) un precursore del DNA, che può essere radioattivo (timidina triziata) o fluorescente, che viene assunto durante la fase S di sintesi del nuovo DNA, oppure b) una sostanza che si intercala nella doppia catena che si è formata e funziona quindi da indice della quantità totale di DNA. La risposta immunitaria specifica avviene attraverso un meccanismo IL-2dipendente per cui la valutazione di questa citochina o del suo recettore solubile permette di stabilire che l’attivazione dei linfociti avviene attraverso un sistema di riconoscimento specifico. Inoltre attraverso l’identificazione di altre molecole è possibile differenziare i linfociti Th1 coinvolti nelle reazioni da ipersensibilità cellulo-mediata e produttori di IL-2 e IFN gamma, dai linfociti Th2 che al contrario sono coinvolti nelle reazioni di ipersensibilità di tipo 1 e nella risposta immunitaria nei confronti di parassiti e producono IL-4 e IL1-0. Per la valutazione della risposta cellulo-mediata specifica sono previsti anche test in vivo secondo le indicazioni della norma europea EN30993/10 1995. 70 Qualora si sospetti una reazione di ipersensibilità ritardata nei confronti di una componente del dispositivo impiantato è possibile eseguire un test in vivo anche nell’uomo, ovvero il patch test. Quest’ultimo consiste in un test cutaneo che, trovando la sua principale indicazione nelle dermatiti da contatto, può essere considerato anche un test di provocazione, in quanto l'allergene viene direttamente a contatto con l'organo (cute) in cui si manifestano i sintomi. L'allergene è una sostanza chimica che funziona come aptene e reagisce con i linfociti T cutanei sensibilizzati. Il patch viene applicato sulla cute del dorso, del braccio o dell'avambraccio. Il metodo più comunemente impiegato è quello del patch chiuso, in cui la sostanza posta sulla cute viene coperta con un cerotto, il quale viene rimosso dopo 48 ore. La reazione è considerata positiva quando sono presenti papule o vescicole; una reazione negativa è nuovamente esaminata dopo 72-96 ore. Prima dell'esecuzione del patch test devono essere sospesi trattamenti a base di corticosteroidi, non necessariamente gli antistaminici, in quanto il meccanismo patogeno che si va ad indagare è quello di una reazione di ipersensibilità di tipo IV, e non di tipo I IgE mediato. Gli effetti collaterali possono essere quelli di una vasta reazione cutanea che impone la rimozione del cerotto prima delle 48 ore; solo raramente si possono avere fenomeni di sensibilizzazione. 71 SEZIONE SPERIMENTALE 72 STUDIO CLINICO SPERIMENTALE RAZIONALE Lo sviluppo delle protesi articolari rappresenta uno dei maggiori progressi nella chirurgia ortopedica del ventesimo secolo, ed ha garantito di migliorare sensibilmente la qualità di vita ai pazienti affetti da malattie diverse a carico delle articolazioni, in particolare d’anca, di ginocchio e più recentemente di caviglia e di spalla. In passato, i pazienti tra i sessanta e i settantacinque anni d’età erano considerati i migliori candidati per l’artroplastica totale. Recentemente, tuttavia, il range d’età è stato allargato fino a comprendere pazienti più anziani, molti dei quali presentano un’elevata incidenza di malattie associate, ma anche pazienti giovani. In questi ultimi, i cui impianti possono essere esposti a maggiori sollecitazioni meccaniche e sono destinati ad una lunga durata, è preferibile usare tipi di protesi che assicurino una maggiore durata nel tempo delle componenti tibiali e femorali. Il rilascio di materiali particolati, derivati dall’usura dei componenti protesici impiantati, rappresenta uno dei maggiori ostacoli per la sopravvivenza a lungo termine della artroplastica totale. Dal momento che l’usura delle componenti protesiche condiziona dal punto di vista biologico la longevità dell’impianto, uno dei principali obiettivi della ricerca in questo settore è quello di trovare nuovi materiali e modelli protesici alternativi con una ridotta usura articolare. Inoltre un requisito determinante degli impianti ad elevata longevità è l’assenza di effetti sistemici causati dai prodotti di corrosione che potrebbero manifestarsi tardivamente nei soggetti con una lunga aspettativa di vita. Le protesi articolari, una volta impiantate, vanno incontro a fenomeni di usura a livello dell’interfaccia materiale-tessuto, con conseguente liberazione di molecole che all’interno dell’organismo umano possono comportarsi come apteni, ossia come sostanze in grado di determinare una risposta immunitaria quando si legano ad una 73 proteina carrier, alterandone la struttura tridimensionale e rendendola pertanto irriconoscibile (non self) da parte del sistema immunitario. La risposta immunitaria che di norma si instaura nei confronti di tali complessi materiale-proteina consiste in un’ipersensibilità di tipo ritardato (DTH), ossia, come abbiamo visto, una particolare reazione immunitaria mediata da linfociti T CD4+, i quali, a contatto con l’antigene, proliferano e secernono citochine in grado di attivare linfociti T citotossici e macrofagi e tramite questi determinano un danno a cellule e tessuti. L’incidenza clinica dell’ipersensibilità legata ai biomateriali e il suo impatto sul fallimento della protesi sono ancor oggi sconosciute; il nostro studio è stato quindi volto ad analizzare ed eventualmente a dare delle risposte a queste domande. A tale scopo abbiamo selezionato una serie di pazienti suddivisi in tre gruppi: Pre-impianto (controlli) Protesi di ginocchio stabile Protesi di ginocchio mobilizzata In essi abbiamo studiato l’ipersensibilità ai vari materiali che compongono la protesi mediante l’utilizzo del patch test. PAZIENTI E METODI Pazienti Allo scopo di studiare l’incidenza clinica dell’ipersensibilità legata ai biomateriali ed il suo impatto sul fallimento della protesi, nel periodo compreso fra gennaio 2001 e aprile 2005, 174 pazienti afferenti alla VII Divisione degli Istituti Ortopedici Rizzoli di Bologna sono stati arruolati in uno studio clinico osservazionale retrospettivo. L'esecuzione dello studio è stata autorizzata dal Comitato Etico degli Istituti Ortopedici Rizzoli ed i pazienti hanno espresso il loro consenso informato per iscritto. Sono stati raccolti in un database i dati anagrafici, il follow-up, i principali dati anamnestici (presenza di allergia ai metalli, patologia che ha portato all'impianto 74 protesico, presenza di altri impianti o mezzi di sintesi), i dati clinici rilevanti come lo stato attuale dell'impianto, ovvero stabile o mobilizzato, presenza di infezione periprotesica e ove possibile tipo e composizione della protesi impiantata. Sono stati esclusi i pazienti con artrite reumatoide ed altre malattie ad eziologia autoimmunitaria, quelli in trattamento con corticosteroidei o altri immunosoppressori. I pazienti esclusi sono stati 27. Sono stati inoltre esclusi dalla valutazione statistica dei risultati altri 12 pazienti sottoposti a impianto primario in quanto erano già portatori di mezzi di sintesi che rendevano difficile la loro classificazione. I 135 pazienti ammessi allo studio sono stati suddivisi in tre gruppi: 59 soggetti sottoposti ad impianto primario di artroprotesi di anca o di ginocchio (gruppo A - controllo); 21 pazienti con protesi stabile di ginocchio, con un follow-up di almeno 6 mesi (gruppo B) e 55 pazienti con segni clinici e radiologici di mobilizzazione della protesi di ginocchio (gruppo C). Ulteriori dettagli relativi alla casistica esaminata sono riportati in tabella 5. In tutti i pazienti l’ipersensibilità ai materiali protesici (metalli e cementi) è stata determinata mediante il Patch test. 75 Tabella 5. Casistica esaminata. Gruppo A: controllo; gruppo B: pazienti con protesi stabile di ginocchio; gruppo C: pazienti con mobilizzazione della protesi di ginocchio. Gruppo A (n. 59) Maschi Femmine Età (anni) Mediana Range Patologia ortopedica di base Osteoartrosi primaria Osteoartrosi post-traumatica Fratture Altro * Anamnesi positiva per allergia ai metalli Follow up (mesi) Mediana Range Altri impianti * Osteonecrosi, malallineamento. 15 10 - 120 5 (25%) 24 5 - 132 13 (23,6%) Gruppo B (n. 21) Gruppo C (n. 55) 17 (28,8 %) 3 (14,3 %) 18 (32,7 %) 42 (71,2 %) 18 (85,7 %) 37 (67,3 %) 64 24 - 82 70 42 – 78 69 43 - 84 39 (88,6%) 11 (78,6%) 30 (83,3%) 5 (11,4%) 0 0 11 (18,6%) 1 (7,1%) 0 2 (14,3%) 0 3 (8,3%) 2 (5,6%) 1 (2,8%) 8 (14,5%) Patch test Il patch test è un test epicutaneo a lettura ritardata consistente nell'applicazione su cute sana ed integra di sostanze allergeniche in batterie predefinite, mediante bendaggio occlusivo; è impiegato per l’identificazione dell’ipersensibilità cellulo-mediata a varie sostanze. Pioniere di tale tecnica è ancora oggi considerato Josef Jadassohn (1863-1936), il quale circa un secolo fa, studiando 76 l’ipersensibilità ai sali di mercurio, riuscì a riprodurre l’eczema in alcuni pazienti, applicando la sostanza a contatto con la cute. La tecnica consiste nell’applicazione, sulla parte alta della schiena, di due sottili cerotti anallergici contenenti ciascuno diversi allergeni, preparati in opportune concentrazioni, veicolati da un gel disidratato e ipoallergenico (vaselina bianca, detta anche petrolato) e caricati su dei dischetti in alluminio (Finn Chambers) o in poliestere (T.R.U.E. test). Sul cerotto è posto anche un dischetto di controllo recante il solo veicolo senza allergeni: tale dischetto non dovrà determinare la comparsa di reazioni nell’individuo, altrimenti la prova sarà considerata non valida. A contatto con la pelle il gel torna ad idratarsi garantendo un lento rilascio dell’allergene, che penetra nella cute ed è quindi in grado di interagire col sistema immunitario. Secondo i normali canoni di esecuzione, l’apparato testante andrebbe rimosso dopo 48 ore, e la lettura effettuata subito e dopo 24 ore: premesso che questa rimane la tecnica raccomandata e correntemente utilizzata dalla maggior parte dei dermatologi che si occupano dei patch test, nella nostra pratica è stata eseguita la sola lettura a 48 ore, che comunque dà la possibilità di evidenziare lo stesso numero di positività (figura 6). È meglio evitare il test se ci si è esposti al sole nei giorni precedenti o se si è fatto uso di terapie topiche e/o sistemiche cortisoniche od antistaminiche; infatti in questi casi potremmo avere falsi negativi. Allo stesso modo non si deve eseguire il test su zone di cute che presentino dermatiti od eruzione; in tal caso potremmo avere invece dei falsi positivi. E’ importante anche evitare eccessive sudorazioni che potrebbero causare il distacco dei cerotti, rendendo il test poco affidabile. Inizialmente utilizzato per la diagnosi delle dermatiti allergiche da contatto, il patch test viene oggi impiegato anche nella diagnostica delle malattie allergiche del naso (riniti su base allergica) e dell’apparato digerente (afte ricorrenti del cavo orale, dolori addominali e diarrea). è disponibile un’ampia gamma di oltre 200 apteni. Oltre alle classiche serie metalli e GIRDCA sono disponibili le serie professionali (sostanze usate da parrucchieri, lattice ed altri materiali usati nella lavorazione della gomma), la 77 serie delle sostanze usate in ambito odontoiatrico, la serie degli alimenti ed additivi alimentari (coloranti e conservanti), la serie dei farmaci comprendente analgesici, anestetici, antinfiammatori ed antibiotici. Figura 6. Schema di lettura del patch test a b c a: grado 1 - eritema b: grado 2 - edema c: grado 3 - vescicole Nel nostro caso abbiamo utilizzato una particolare lista di apteni, rappresentativi dei principali materiali protesici, per valutare l’incidenza di DTH nei pazienti in studio. La scelta degli apteni si è basata anche su studi precedenti in cui è stato osservato che preparazioni speciali, quali vanadio e molibdeno, possono essere irritanti quando usate ad una concentrazione superiore al 2%. Gli apteni metallici usati erano nichel solfato 5%, cromo tricloruro 2%, potassio bicromato 0,5%, cloruro ferrico 2%, cobalto cloruro 1%, biossido di titanio 2%, alluminio cloruro 1%, vanadio tricloruro 2%, molibdeno cloruro 2%, manganese cloruro 2%. E’ stata valutata anche l’ipersensibilità al cemento acrilico utilizzando metil-metacrilato 5%, butil- 78 metacrilato 2%, trietilenglicole dimetacrilato 2%, etilenglicole dimetacrilato 2%, dimetil N-N p-toluidina 2%, idrossietilmetacrilato 5%, benzoile perossido 2%, idrochinone monobenziletere 1%. Gli apteni sono stati caricati sugli appositi cerotti (Haye’s test chambers con cellette quadrate di propilene con l’interno in carta da filtro, montato su cerotto poroso ipoallergico, dimensioni 7,3 x 12,5 cm); sia gli apteni che il supporto sono stati prodotti da F.I.R.M.A. S.p.a., Firenze. I cerotti sono stati applicati su una zona di cute glabra (dorso, avambraccio); la reazione è stata valutata dopo 48-72 ore. L'entità della reazione è graduata come 0 = negativa, +/- = debole eritema; +1 = eritema ed edema su almeno il 50% dell'area; 2+ = eritema e papule su almeno il 50% dell'area; +3 = eritema e vescicole su almeno il 50% dell'area (Drake et al., 1995). Analisi statistica Sui parametri quantitativi (età, follow-up) sono state calcolati mediana e range. Il test non parametrico di Kruskal-Wallis è stato impiegato per valutare l'effetto dell'ipersensibilità sui tre gruppi in esame ed il test di Mann-Whitney U è stato applicato per analizzare le differenze fra le coppie di gruppi (preimpianti vs. protesi mobilizzate, preimpianti vs. protesi stabili, protesi mobilizzate vs. stabili), sempre relativamente ai parametri quantitativi. Nell’ambito di ogni gruppo di pazienti è stata calcolata la frequenza delle reazioni positive sia globalmente (almeno un aptene positivo), sia in relazione ai metalli o ai cementi nel loro insieme, sia in relazione ai signoli apteni. La presenza di differenze di frequenza significative nelle tavole di contingenza è stata calcolata utilizzando il test del chi-square e il test esatto di Fischer. L'accuratezza diagnostica del test è stata valutata applicando criteri probabilistici (sensibilità, specificità, "likelihood ratios" e relativi intervalli di confidenza), secondo le indicazioni degli “Standards for Reporting of Diagnostic Accuracy” (Bossuyt et al., 2003). Lo stesso metodo è stato impiegato per stabilire il 79 valore predittivo del test in relazione allo stato dell'impianto: in questo caso la specificità indica la capacità del patch test di escludere una mobilizzazione dell'impianto, la sensibilità quella di individuare un fallimento, e le "likelihood ratios" descrivono le proprietà discriminatorie di un test positivo o negativo: "likelihood ratio" positiva > 10 e "likelihood ratio" negativa < 0,1 indicano una ottima evidenza diagnostica del test in esame, mentre per una buona evidenza diagnostica si accettano valori >5 e < 0,2, rispettivamente (Kocher et al., 2004). Il metodo di Kaplan-Meier ha permesso di stimare la sopravvivenza degli impianti, ponendo come end-point la revisione della protesi per qualsiasi ragione dopo dieci anni dall'intervento; il logrank 'Mantel-Cox' test è stato applicato per evidenziare differenze significative fra le curve di sopravvivenza dei vari gruppi esaminati. Tutte le differenze sono state considerate significative per valori di p < 0,05. 80 RISULTATI Distribuzione delle frequenze e analisi delle tavole di contingenza L'età media dei soggetti appartenenti al gruppo A (pre-impianti) era significativamente inferiore rispetto agli altri gruppi (p = 0,013), ma la frequenza di reazioni cutanee positive non variava con l'età. Fra pazienti con protesi mobilizzata e soggetti con protesi stabile non vi erano differenze significative né per età né per durata del follow-up né per presenza di mezzi di sintesi o altri impianti. Fra i tre gruppi non vi erano differenze significative nella composizione per sesso, per patologia ortopedica di base e per anamnesi positiva per allergia ai metalli. In tutti i gruppi le femmine presentavano una maggiore frequenza di patch test positivi (tabella 6), mentre altre variabili cliniche come l'indicazione per TKR, la presenza di altri impianti e la presenza di infezioni non avevano effetto sulla frequenza di patch test positivi. Tabella 6. Frequenza di reazioni cutanee positive in pazienti pre-impianto e con TKR, suddivisi per sesso. Gruppo A: controllo; gruppo B: pazienti con protesi stabile di ginocchio; gruppo C: pazienti con mobilizzazione della protesi di ginocchio. Sesso Maschi Femmine Gruppo A (n. 59) 23,5% 47,6% Gruppo B (n. 21) 33,3% 38,8% Gruppo C (n. 55) 33,3% 75,7% La frequenza di patch test positivi ad almeno un aptene è risultata significativamente elevata (p = 0,04) nei pazienti con protesi mobilizzata (Gruppo C: 81 61,8%), sia rispetto al gruppo di controllo (Gruppo A: 40,7%) che al gruppo con protesi stabile (Gruppo B: 38,1%). In particolare la frequenza di reazioni positive era significativamente maggiore nelle pazienti con protesi mobilizzata e di sesso femminile (p = 0,01), mentre non erano riscontrabili differenze significative nei pazienti di sesso maschile. La differenza era da attribuire alla maggiore frequenza di reazioni positive ai metalli (Gruppo A: 35,6%; Gruppo B: 38,1%; Gruppo C: 58,2%; p = 0,04), e in particolare ai metalli diversi dal nichel (p = 0,02). Non vi erano invece differenze significative fra i gruppi per quanto riguardava l’allergia ai componenti del cemento. E’ da rilevare che alcuni pazienti presentavano allergia sia ai metalli che ai componenti del cemento: il numero di questi pazienti era più elevato nel gruppo C (Gruppo A: 5,1%; Gruppo B: 10,0%; Gruppo C: 16,4%) (figura 7). Differenze significative sono state in particolare osservate per quanto riguarda la frequenza di ipersensibilità al vanadio (Gruppo A: 8,5%; Gruppo B: 23,8%; Gruppo C: 25,4%; p = 0,04) e al manganese (Gruppo A: 10,3%; Gruppo B: 0%; Gruppo C: 21,8%; p = 0,03) (figura 8). Le significatività riscontrate erano legata alle protesi mobilizzate, che erano significativamente diverse dai preimpianti per quanto riguarda la frequenza di patch test positivi ad almeno un aptene (p = 0,02), la frequenza di reazioni positive ai metalli (p = 0,01), la frequenza di reazioni positive ai metalli diversi dal nichel (p = 0,005), la frequenza di reazioni positive sia ai metalli che ai cementi (p = 0,05) e la frequenza di reazioni positive al vanadio (p = 0,01). Per quanto riguarda il confronto fra protesi stabili e mobilizzate, vi era soltanto una frequenza significativamente diversa nelle reazioni positive al manganese (p = 0,02). Non erano riscontrabili invece differenze significative fra protesi stabili e preimpianti. 82 Figura 7. Frequenza di reazioni cutanee positive in pazienti pre-impianto e con TKR, in relazione al tipo di aptene saggiato. Pre-impianto: 59 pazienti; protesi stabile: 21 pazienti; protesi mobilizzata: 55 pazienti. Almeno una reazione positiva (patch test +): pre-impianto vs. protesi mobilizzata p = 0,02; metalli: pre-impianto vs. protesi mobilizzata p = 0,01; metalli+cementi: pre-impianto vs. protesi mobilizzata p = 0,05; metalli senza nichel: pre-impianto vs. protesi mobilizzata p = 0,005. 83 Figura 8. Frequenza di reazioni cutanee positive in pazienti pre-impianto e con TKR, in relazione al tipo di aptene metallico saggiato. Pre-impianto: 59 pazienti; protesi stabile: 21 pazienti; protesi mobilizzata: 55 pazienti. Vanadio: pre-impianto vs. protesi mobilizzata p = 0,01; manganese: protesi stabile vs. protesi mobilizzata p = 0,02. Una discreta percentuale di pazienti era allergica al nichel, al cromo o al cobalto, ma senza differenze significative fra i gruppi (allergia al nichel: Gruppo A: 28,8%; Gruppo B: 33,3%; Gruppo C: 54,5%; allergia al cromo: Gruppo A: 8,6%; Gruppo B: 9,5%; Gruppo C: 16,4%; allergia al cobalto: Gruppo A: 15,5%; Gruppo B: 4,8%; Gruppo C: 14,5%). L’assenza di significatività potrebbe essere favorita dal 84 fatto che l’ipersensibilità a questi apteni è abbastanza diffusa nella popolazione normale, come si può rilevare anche dal nostro gruppo di controllo. Rare in tutti i gruppi erano le allergie agli altri metalli (allergia al cloruro ferrico: Gruppo A: 0%; Gruppo B: 0%; Gruppo C: 1,9%; allergia al molibdeno: Gruppo A: 1,7%; Gruppo B: 0%; Gruppo C: 3,6%; allergia al titanio: Gruppo A: 1,7%; Gruppo B: 0%; Gruppo C: 3,6%). Nessun paziente era risultato allergico all’alluminio. In letteratura sono riportati casi di allergia crociata a nichel, cromo e cobalto. Nei nostri pazienti soltanto raramente si è presentata un’allergia crociata a due o a tre di questi apteni, senza differenze significative fra i gruppi (ipersensibilità a nichel e cromo: Gruppo A: 3,4%; Gruppo B: 4,8%; Gruppo C: 5,5%; ipersensibilità a nichel e cobalto: Gruppo A: 13,6%; Gruppo B: 0%; Gruppo C: 5,5%; ipersensibilità a cromo e cobalto: Gruppo A: 5,2%; Gruppo B: 0%; Gruppo C: 7,3%; ipersensibilità a nichel, cromo e cobalto: Gruppo A: 3,4%; Gruppo B: 0%; Gruppo C: 1,8%). Come già riportato in precedenza, non sono state riscontrate differenze significative fra i tre gruppi per quanto riguarda l’allergia ai cementi. Nella tabella 7 sono riportate le percentuali di frequenza di reazioni positive ai singoli componenti del cemento. Come si può osservare, la frequenza di ipersensibilità è molto bassa in tutti i gruppi; non sono state riscontrate differenze significative. 85 Tabella 7. Percentuale di frequenza di reazioni cutanee positive in pazienti preimpianto e con TKR, in relazione al tipo di aptene del cemento osseo saggiato. Gruppo A: controllo; gruppo B: pazienti con protesi stabile di ginocchio; gruppo C: pazienti con mobilizzazione della protesi di ginocchio. Aptene Metilmetacrilato Butilmetacrilato Trietilenglicole dimetacrilato Etilenglicole dimetacrilato Dimetil N-N-ptoluidina Idrossietilmetacrilato Benzoile perossido Idrochinone monobenziletere Gruppo A (n. 59) 3,4 1,7 3,4 1,7 1,7 0 1,7 3,4 Gruppo B (n. 21) 5,0 0 5,0 5,0 0 5,0 0 0 Gruppo C (n. 55) 7,3 3,6 1,8 0 0 1,8 9,1 3,6 In generale, l’ipersensibilità a due o più apteni (metalli o cementi) si è presentata con maggiore frequenza nel gruppo dei pre-impianti e nel gruppo delle TKR mobilizzate, in particolare per quanto riguarda due o tre apteni, mentre l’allergia a quattro o più apteni è stata piuttosto rara. Poco frequenti sono le allergie a più apteni nel gruppo delle protesi stabili (tabella 8). Non vi sono comunque differenze significative fra i gruppi. Tabella 8. Percentuali di frequenza di reazioni di ipersensibilità a più apteni. 86 Numero di apteni Nessuna ipersensibilità 1 aptene 2 apteni 3 apteni 4 apteni > 4 apteni Gruppo A (Pre-impianti) 59,3 15,2 15,2 3,3 3,3 3,3 Gruppo B (Protesi stabili) 61,9 23,8 4,7 4,7 4,7 0 Gruppo C (Protesi mobilizzate) 38,1 21,8 20 12,7 3,6 3,6 Per quanto riguarda l’intensità delle reazioni allergiche, per la maggior parte si trattava di una ipersensibilità lieve o moderata (+ o ++), mentre solo saltuariamente si verificavano reazioni intense (+++). Non sono state fatte stratificazioni in base alla composizione dell'impianto perché nella maggior parte dei casi erano presenti sia leghe a base di titanio (Ti6Al4V) sia leghe a base di cromo-cobalto-molibdeno. Gli altri metalli esaminati sono comunque presenti in percentuali minori nella composizione delle principali leghe utilizzate per la costruzione delle protesi ortopediche. Accuratezza diagnostica Il pannello di apteni scelto per l'esecuzione dello studio si è dimostrato valido nell'evidenziare uno stato di ipersensibilità in soggetti con anamnesi positiva per allergia ai metalli. L'elevata sensibilità (0,95; limiti di confidenza o 95% CL: 0,851,05) e la bassa "likelihood ratio" negativa (0,08; 95% CL: 0,01-0,55) dimostrano che se il test è negativo la probabilità di essere allergico è trascurabile; al contrario la specificità (0,65; 95% CL: 0,56-0,74) e la "likelihood ratio" positiva (2,72; 95% CL: 2,07-3,58) non sono ugualmente convincenti perchè nella nostra casistica vi è una elevata percentuale di soggetti con reazioni cutanee positive, e quindi sensibilizzati ai metalli pur non sapendo di esserlo. 87 Per quanto riguarda il contributo prognostico, il patch test non ha mostrato alcun valore predittivo: infatti le "likelihood ratios” respingono l'accuratezza del test nel discriminare le protesi stabili dalle protesi mobilizzate (tabella 9). Tabella 9. Valutazione della performance del patch test (limiti di confidenza al 95% fra parentesi). Sensibilit à Risultati del patch-test e storia di allergia ai metalli. a Almeno un aptene metallico 0,95 0,65 (0,85-1,05) (0,56-0,74) 2,72 (2,07-3,58) 0,08 (0,01-0,55) Specificit à Likelihood ratio test positivo Likelihood ratio test negativo Risultati del patch-test ed esiti di TKRb Almeno un aptene Apteni metallici Apteni del cemento 0,62 0,62 (0,49-0,75) (0,41-0,83) 0,58 0,61 (0,45-0,71) (0,41-0,82) 0,20 0,90 (0,09-0,31) (0,77-1,03) 1,62 (0,90-2,91) 1,53 (0,85-2,75) 2,00 (0,48-8,25) 0,62 (0,38-0,99) 0,68 (0,43-1,07) 0,89 (0,73-1,08) a. I dati sono ottenuti da una tavola di contingenza 2 x 2, in cui sono stati inseriti i pazienti ‘positivi al patch test e con anamnesi positiva per ipersensibilità ai metalli’ (cioè ‘allergici’) ('allergici - positivi al test' o Veri positivi, VP), il numero di ‘non allergici - positivi al test’ (Falsi Positivi, FP), il numero di ‘allergici-negativi al test’ (Falsi Negativi, FN), e il numero di 'non allergici – negativi al test' (Veri Negativi, VN). b. I dati sono ottenuti da una tavola di contingenza 2 x 2, in cui sono stati inseriti i pazienti con ‘TKR mobilizzate - positive al patch test' (VP), il numero di 'TKR stabili - positive al test' (FP), il numero di ‘TKR mobilizzate - negative al test’ (FN), ed il numero di ‘TKR stabili negative al test’ (VN). Sensibilità = VP/(VP+FN), Specificità = VN/(VN+FP), Likelihood Ratio del Test Positivo = Sensibilità/(1-Specificità), Likelihood Ratio del Test Negativo = (1-Sensibilità)/Specificità). Analisi della sopravvivenza Nei soggetti con TKR mobilizzata non si sono osservate differenze significative nella durata dell'impianto fra chi aveva patch test positivo ad almeno un aptene (25,4 mesi) e chi aveva un patch test negativo (25,7 mesi); le differenze erano trascurabili anche quando è stata considerata la positività ad almeno un aptene 88 metallico (patch test + = 24,7 mesi; patch test - = 26,6 mesi) o ad almeno un aptene del cemento (patch test + = 23,1 mesi; patch test - = 26,6 mesi). L'analisi di sopravvivenza è stata condotta col metodo di Kaplan-Meier, e i risultati sono riportati in figura 10. Nella nostra casistica, la percentuale di protesi stabili a 10 anni era 9,7% (95%CL = -0,7% - 2%) nei soggetti con patch test positivo per almeno un aptene, mentre nessun paziente con patch test negativo aveva un follow-up così lungo. In questo caso non poteva essere fatto un confronto statistico fra le curve di sopravvivenza. La percentuale di protesi stabili a 5 anni era 16,2% (95%CL = 3,3% - 29%) nei soggetti con patch test positivo per almeno un aptene, e 21,0% (95%CL = 1,8% 40%) nei pazienti con patch test negativo: la differenza fra le percentuali è risultata statisticamente significativa (Logrank Mantel-Cox: chi-square 3,5; p = 0,05). Nei soggetti con reazioni positive ad almeno un aptene metallico la percentuale di protesi stabili a 5 anni è inferiore, ai limiti della significatività statistica (TKR stabili con patch test +: 14,0%, 95%CL = 1% - 26%; patch test-: 24%, 95%CL = 5% - 43%; Logrank Mantel-Cox: chi-square 3,0; p = 0,07). Al contrario nessun effetto poteva essere attribuito alla presenza di reazioni positive al cemento (dati non mostrati). Suddividendo ulteriormente la casistica in base alle diverse reattività sono stati considerati quattro gruppi, ovvero soggetti positivi solo ad apteni metallici, soggetti positivi solo al cemento, soggetti positivi sia ai metalli che ai cementi, e soggetti completamente negativi. La comparazione statistica delle curve di sopravvivenza non ha evidenziato differenze significative, anche se la percentuale più bassa di TKR stabili è stata osservata nei soggetti sensibili solo ad apteni metallici (14,0%; 95%CL= -1% - 29%) rispetto a quella dei soggetti non sensibilizzati (20,8%; 95%CL= 1,8% - 39,8%, rispettivamente). La valutazione statistica dei 2 soggetti positivi al solo cemento e dei 9 pazienti sensibili sia ai metalli che ai cementi non è affidabile. Infine è stata considerata la relazione fra sopravvivenza dell’impianto protesico di ginocchio e presenza di una ipersensibilità ai metalli precedente 89 all'impianto e clinicamente documentata: nessuno dei 5 pazienti che avevano patch test positivo e anamnesi positiva per ipersensibilità ai metalli aveva una protesi stabile dopo 3 anni, ma data l'esiguità numerica il confronto statistico con gli altri gruppi, ovvero "patch test positivo/allergia non nota" e "patch test negativo” non è risultato significativo. Figura 10. Curva di sopravvivenza dell'impianto in pazienti con reazione cutanea ad almeno un aptene (Kaplan-Meier). Le frecce indicano le differenze statistiche calcolate a 5 anni (p = 0,05) e 10 anni (n.a.: non applicabile). 90 91 92 1 .8 Cum. Survival .6 .4 .2 0 0 20 40 p=0.05 Cum. Survival (patch test +) Cum. Survival (patch test -) n.a. 60 80 Time (months) 100 120 93 DISCUSSIONE Il presupposto dello studio parte dal fatto che la sensibilizzazione alle componenti dell'impianto può condizionare il successo della protesi, indipendentemente dal fatto che il paziente sia sensibilizzato prima o dopo TKR. Anche se dallo studio non emerge una stretta relazione causa-effetto con la mobilizzazione protesica, l'ipersensibilità alle componenti dell'impianto dovrebbe essere comunque valutata nei soggetti che devono essere sottoposti ad intervento di artroprotesi, sia primaria che secondaria a mobilizzazione, in quanto rappresenta un fattore di rischio in grado di influenzare il destino della protesi. La positività al patch test per i vari apteni metallici o cementi nei pazienti candidati alla sostituzione protesica di ginocchio di per sè non costituisce una controindicazione assoluta alla protesi ma può essere inserita nell’elenco dei fattori di rischio che possono influenzare nel tempo l’esito dell’intervento. Il patch test, anche se le “likelihood ratios“ escludono l’accuratezza diagnostica nel discriminare tra protesi stabili e protesi che possono andare incontro a mobilizzazione, rappresenta un metodo idoneo per la valutazione routinaria dell’ipersensibilità, proprio perché è una procedura relativamente semplice e poco costosa che permette di analizzare rapidamente e simultaneamente molti apteni. Altri test, basati sulla reattività delle cellule linfomonocitarie ai complessi metallo-proteici, sono stati proposti per la valutazione dell’ipersensibilità ai materiali protesici (Hallab et al., 2000; Granchi et al., 2000; Valentine-Thon et al., 2003; Hallab et al., 2005), ma sono scarsamente adatti ad un impiego routinario su vasta scala in quanto complessi, eseguibili solo da laboratori specializzati, e costosi in termini di tempo, reagenti e materiale biologico del paziente. A nostro avviso tali test dovrebbero essere limitati a indagini precliniche o a studi su pazienti con casi particolari di ipersensibilità. Il patch test invece rappresenta un test semplice e poco costoso, adatto a impieghi su vasta scala. Fino ad oggi però non si è proceduto ad una sua validazione per quanto 94 riguarda il potere informativo nell'ambito dell'ipersensibilità sistemica in pazienti portatori di impianti. Allo scopo di ottimizzare la sensibilità della metodologia nella rilevazione del fenomeno biologico il primo passo dello studio è stato quello di scegliere un pannello di apteni rappresentativi delle componenti dell'impianto, poichè le serie standard disponibili in commercio per l'ortopedia, l'odontoiatria e la metallurgia non hanno soddisfatto le nostre esigenze (Van der Valk et al., 2003). La scelta degli apteni si è basata su studi precedenti in cui è stato osservato che preparazioni speciali, quali vanadio e molibdeno, possono essere irritanti quando usate ad una concentrazione superiore al 2% (Cancilleri et al., 1992). In generale i nostri risultati indicano che la sensibilizzazione al metallo è più frequente di quella osservata per il cemento ortopedico, forse per l’enorme distribuzione dei metalli in natura ed è un evento abbastanza comune nei pazienti candidati all'impianto di artroprotesi. Invece la sensibilizzazione ai metalli e cementi insieme è rara ed è stata osservata soprattutto nelle protesi mobilizzate. L'incidenza di ipersensibilità ai metalli (nichel, cromo, cobalto) nella popolazione generale risulta essere più bassa di quella rilevata nel nostro gruppo di controllo, ma è stato dimostrato che aumentando il numero di apteni testati aumenta anche la probabilità di avere un patch test positivo. Come gruppo di controllo abbiamo scelto una popolazione di soggetti che dovevano essere sottoposti per la prima volta a impianto protesico, in modo che fossero il più possibile simili per patologia di base ai pazienti protesizzati. Sono stati esclusi dal gruppo di controllo soltanto quei pazienti che erano già portatori di un impianto metallico (generalmente mezzi di sintesi, per pregresse fratture) che con la sua presenza nell’organismo poteva aver già indotto uno stato di ipersensibilità. Di questi ultimi pazienti non è stata eseguita una valutazione statistica a parte perché il gruppo era numericamente troppo esiguo (12 pazienti). La maggior parte dei soggetti arruolati nello studio e uniformemente distribuiti fra i tre gruppi erano affetti da osteoartrosi idiopatica, condizione in cui è stato evidenziato il ruolo etiopatogenetico dei linfociti di tipo 1, ovvero il tipo di cellule responsabile della ipersensibilità (Sakkas et al., 1998). Questa caratteristica 95 immunologica potrebbe essere un fattore predisponente alla sensibilizzazione e potrebbe spiegare l'elevata incidenza di patch test positivi che è stata osservata nel gruppo di controllo. La predisposizione alla sensibilizzazione ai metalli o ai cementi non è comunque un fattore sufficiente, di per sè, a indurre mobilizzazione, ma quest’ultima sarebbe favorita dall’associazione di altri fattori, come è dimostrato dal fatto che non tutti i pazienti con ipersensibilità ai metalli o ai cementi hanno la protesi mobilizzata. La maggior parte dei pazienti esaminati prima dell’impianto era sensibile a nichel, cromo o cobalto, mentre rare erano le reazioni positive al vanadio. Le pazienti di sesso femminile presentavano una maggiore frequenza di patch test positivi, mentre non ci erano differenze di positività legate all’età. Nell’ambito dei pazienti maschi non vi erano differenze significative nella frequenza di ipersensibilità fra protesi stabili e mobilizzate. L’ipersensibilità al nichel è abbastanza frequente nei pazienti di tutti e tre i gruppi esaminati, senza differenze significative. Questo metallo è presente in tracce sia nelle leghe di TiAlV che di CoCrMo, ma poiché l’allergia al nichel è presente in circa il 10-20% della popolazione normale può essere considerata come un indicatore dello stato immunitario del gruppo esaminato. Non esistevano differenze significative fra i gruppi neppure per il cromo e il cobalto. Sia nei pazienti con protesi stabile sia nei pazienti con protesi mobilizzata era presente un’alta incidenza di reazione positive al vanadio. In particolare le frequenza di tali reazioni nei soggetti con fallimenti protesici era significativamente superiore ai preimpianti. E’ da rilevare che l’allergia al vanadio è un evento raro nei preimpianti. Per quanto riguarda la ipersensibilità al manganese, metallo presente nelle leghe di cromo-cobalto-molibdeno, si osserva una differenza significativa di frequenza tra protesi stabili e protesi mobilizzate, mentre non ci sono differenze significative di frequenza tra pre-impianti e protesi mobilizzate. L’ipersensibilità ai cementi non presentava invece differenze tra i gruppi in esame. 96 Anche se sono noti casi con ipersensibilità crociata a nichel, cromo e cobalto nella popolazione generale, nella nostra casistica non esistevano differenze significative fra i gruppi per quanto riguarda l’ipersensibilità crociata a più apteni. Esisteva tuttavia una maggiore frequenza di ipersensibilità a due o tre apteni nei preimpianti e nelle protesi mobilizzate, mentre essa era rara nelle protesi stabili. In generale, comunque le reazioni di ipersensibilità riscontrate erano per lo più leggere o moderate e molto raramente intense. Nonostante che lo stato immunodepressivo rappresenti un fattore predisponente all’infezione periprotesica, l’ipersensibilità ai vari apteni nelle protesi infette non era significativamente diversa dalle protesi non infette. Evidentemente, lo stato di immunodepressione indotto da alcuni biomateriali e che si considera favorente l’insorgenza di infezioni periprotesiche, che è stato descritto nel capitolo riguardante le reazioni immunitarie, non è importante nei pazienti esaminati o non è in grado di influenzare la reazione epicutanea del patch test. Il pannello di apteni impiegati nello studio si è dimostrato accurato nel rilevare una ipersensibilità ai metalli quando essa era nota dai dati anamnestici; tuttavia il test non si è dimostrato sufficientemente specifico, perché molti pazienti con un'anamnesi negativa hanno avuto un patch test positivo. La specificità del metodo migliora quando vengono considerate solo le reazioni di intensità +2/+3 (dati non riportati). Tuttavia le reazioni 1+ sono frequenti e non possono essere ignorate. Le linee guida suggeriscono una certa cautela nell'interpretare questo tipo di reattività che viene classificata come "possibile allergia da contatto" (Drake et al., 1995). E' ragionevole ipotizzare che le positività meno intense siano da considerarsi come falsi positivi per una diagnosi di dermatite di contatto, ma possono comunque riflettere la capacità dell'individuo di reagire in presenza di uno stimolo, che non è comune a tutti ma è presente nei soggetti predisposti. Tale stimolo nel nostro caso è sicuramente rappresentato dalla protesi impiantata, in grado di indurre ipersensibilità in soggetti predisposti ma senza anamnesi positiva per allergia ai metalli prima dell’intervento. E’ da rilevare che nei soggetti di sesso femminile, maggiormente predisposti alle allergie, e portatori di protesi, esista una frequenza superiore di reazioni allergiche. 97 Per quanto riguarda il contributo prognostico, il patch test non ha alcun valore predittivo, e non è possibile sulla base di questa indagine stabilire se la protesi è stabile o mobilizzata. Il potere informativo sembra emergere quando viene esaminata la relazione fra risultato del patch test e sopravvivenza dell'impianto: la probabilità di avere un'artroprotesi stabile a 5 anni è significativamente ridotta nei soggetti con sensibilizzazione ad almeno un aptene. La presenza di una pregressa storia di ipersensibilità ai metalli sembra essere rilevante ai fini del successo dell'impianto: nessuno dei cinque pazienti con un'anamnesi positiva di allergia ai metalli aveva una protesi stabile dopo i 36 mesi. Questo risultato è in accordo con quanto dimostrato in una più ampia casistica di artroprotesi d'anca dove è stato dimostrato che nei soggetti in cui è nota una ipersensibilità ai metalli la probabilità di fallimento dell'impianto è molto elevata (Granchi et al.,2004). 98 CONCLUSIONE In base ai risultati ottenuti da questo studio si può affermare che è stata identificata una serie di apteni utili alla rilevazione di uno stato di ipersensibilità alle componenti di un impianto ortopedico. Nonostante il fatto che l’ipersensibilità ai vari componenti delle protesi non possa essere considerata una controindicazione alla sostituzione protesica, alla luce dei risultati ottenuti dallo studio l’ipersensibilità può entrare a fare parte nei fattori di rischio importanti che possono incidere sulla durata di vita della protesi, poiché il test non ha un valore predittivo assoluto, ma solo relativo. Infatti nei soggetti sensibilizzati l'impianto ha una vita più breve a dimostrazione del fatto che, pur non essendovi una stretta relazione causa-effetto con la mobilizzazione protesica, l'ipersensibilità contribuisce in maniera determinante ad accelerare tutti i processi che portano al fallimento dell'impianto. A proposito di questo fatto parlano chiaramente le curve di sopravvivenza che dimostrano una durata di vita della protesi nettamente superiore nei pazienti con patch test negativo e cioè mancata ipersensibilità ai componenti della protesi. Per la sua semplicità e facilità di esecuzione, il patch test può essere considerato un valido strumento, nonostante la sua moderata specificità, per evidenziare i pazienti a rischio di mobilizzazione della protesi in considerazione del numero sempre più elevato di pazienti candidati alla sostituzione protesica. Inoltre l’ipersensibilità ai vari componenti dell’impianto vista alla luce dei diversi fattori di rischio costituisce una sfida da superare nel campo dell’ortopedia protesica ai fini di creare materiali sempre più biocompatibili. 99 BIBLIOGRAFIA Adami S, Viapiana O. Nuove prospettive nella patogenesi dell’artrosi. Reumatismo 2001; 53 (1): 18-25. AHRQ Evidence Reports: http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/books American Society for test and Materials. Standard Practice for selecting tests for determining the propensity of materialsto cause immunotoxicity. Designation: F 1905 – 98 (Reapproved 2003). Badford D, Ceramics in total knee replacement – A new concept, in Puhl W., (Hrsg.): Bioceramics in Orthopedics – New Applications, 1998:112-118. Balboni C. G, Brizzi E, Bastianini A, Castorina S, Comparini L, Filogamo G, Manzoli A. F, Anatomia umana, EDI ERMES, 1993; 300-309. 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Report "IPERSENSIBILITÀ RITARDATA IN PROTESI DI GINOCCHIO"