Comparar dos pares de fricción (metal/polietileno de ultra alto peso molecular [UHMWPE], metal/polietileno de alto entrecruzamiento) mediante análisis cuantitativo y cualitativo de partículas de polietileno en líquido sinovial a los 3 años postintervención en pacientes portadores de prótesis total de rodilla (PTR).
Material y métodosSe llevó a cabo un estudio de cohortes prospectivo, aleatorizado, con evaluación ciega incluyendo 25 pacientes a quienes se intervino de PTR de manera bilateral, con 6 meses de diferencia. A los 3 años postintervención, se realizaron artrocentesis de rodilla a 12 pacientes y se analizaron las partículas de polietileno.
ResultadosNo se hallaron diferencias significativas en el número de partículas generadas por los diferentes insertos de polietileno a los 3 años tras la implantación de una artroplastia total de rodilla (3.000×: x¯ entrecruzado=849,7; x¯ UHMWPE=796,9; p=0,63; 20.000×: x¯ entrecruzado=66,3; x¯ UHMWPE=73,1; p=0,76). Tampoco existen diferencias significativas entre los 2 tipos de inserto, entre la posibilidad de encontrar partículas de forma elongada (χ2=0,19; p=0,66) ni redonda (χ2=1,44; p=0,23). Sin embargo, la probabilidad de encontrar partículas de forma fibrilar es 3,08 veces mayor en el UHMWPE.
ConclusionesEl polietileno altamente entrecruzado no reduce significativamente la generación de partículas de polietileno en aquellos pacientes intervenidos mediante una artroplastia total de rodilla, con muestras a 3 años postintervención.
To compare two different types of inserts: Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and cross-linked polyethylene with a quantitative and qualitative study of polyethylene wear particles in synovial fluid 3 years after total knee arthroplasty.
Material and methodsA prospective, randomized, controlled cohort study with blinded evaluation was carried out on 25 patients undergoing staged bilateral total knee replacement, 6 months apart. Knee arthrocentesis was performed on 12 patients 3 years after surgery, and the polyethylene particles were analyzed.
ResultsNo significant differences were found in the number of particles generated by the two different types of inserts at 3 years from total knee arthroplasty (3,000×: x¯ cross-linked=849.7; x¯ UHMWPE=796.9; P=.63; 20,000×: x¯ cross-linked=66.3; x¯ UHMWPE=73.1; P=.76). Likewise, no differences in the probability of finding elongated (χ2=0.19; P=.66) or rounded (χ2=1.44; P=.23) particles in both types of inserts were observed. However, the probability of finding fibrillar particles is 3.08 times greater in UHMWPE.
ConclusionsCross-linked polyethylene does not significantly reduce the generation of polyethylene particles in patients with total knee arthroplasty, 3 years after the surgical procedure.
Los efectos biológicos del desgaste son un factor limitante a medio y largo término en la supervivencia de una artroplastia total de rodilla1.
Se han diseñado diferentes materiales protésicos con la finalidad de disminuir la producción de polietileno y poder minimizar sus efectos biológicos2.
El polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) es actualmente el material de elección como superficie de carga de las artroplastias totales de rodilla. El polietileno altamente entrecruzado surgió como alternativa al UHMWPE en cuanto a que se hipotetizaba que reducía el desgaste.
En las últimas décadas, se han llevado a cabo diferentes estudios para encontrar la manera de reducir el desgaste del polímero en prótesis totales de rodilla (PTR) a través del entrecruzamiento, mejorando así las propiedades mecánicas del material de carga3.
Los resultados obtenidos con el polietileno altamente entrecruzado en las prótesis totales de cadera han sido muy alentadores4,5, pero sus beneficios sobre el UHWMPE en PTR todavía son controvertidos6-9.
Factores tales como el número, el tamaño, y la forma de las partículas de desgaste de polietileno parecen ser críticos en el desarrollo de la osteólisis. Un mayor volumen y el tamaño submicrométrico de las partículas de desgaste de polietileno estimulan una mayor respuesta macrofágica8-11. Las partículas de desgaste se generan en la articulación y se dispersan en el líquido sinovial. Algunas de ellas quedan secuestradas en la cápsula y otras migran hacia la interfase hueso-implante causando osteólisis y aflojamiento aséptico11.
Las características más significativas en las reacciones biológicas adversas asociadas al fracaso de la artroplastia total son el tamaño, la concentración, el material y la forma de las partículas de desgaste. El tamaño de la partícula es significativo en cuanto a que la fagocitosis juega un papel clave en la activación de los macrófagos8. El rango de tamaño crítico para la inducción de la fagocitosis tras la activación de los macrófagos por las partículas de desgaste se ha estimado entre 0,2 y 10μm12.
La asociación entre la tasa de desgaste del polietileno y la osteólisis o el aflojamiento ha sido descrita por diferentes autores. Kobayashi et al. hallaron que las características morfológicas y la concentración de partículas de polietileno acumuladas en los tejidos es el factor más importante en la patogénesis de la osteólisis10.
ObjetivosEl objetivo principal del estudio es la comparación del número y la concentración de partículas presentes en el líquido sinovial tras artroplastia total de rodilla entre un polietileno altamente entrecruzado y un UHWMPE a los 3 años postintervención.
El objetivo secundario es comparar la morfología de las partículas aisladas en el líquido sinovial en ambos tipos de polietileno, a 3 años postintervención.
Materiales y métodosSe trata de un estudio de cohortes prospectivo, aleatorizado, con evaluación ciega. El protocolo fue aprobado por el Comité Ético local y los participantes firmaron el consentimiento informado para su inclusión en el estudio en el momento de la intervención, y para la extracción de líquido sinovial a los 3 años postintervención.
Se incluyeron 25 pacientes a quienes se intervino quirúrgicamente de PTR de manera bilateral, con una diferencia entre ellas de 6 meses, implantando el UHMWPE (Sulene®) en un lado y el polietileno altamente entrecruzado (Durasul®) en el contralateral13. Las características de los implantes se describen en la tabla 1. Se utilizó como diseño protésico Natural Knee (Zimmer, Warsaw, IN, EE.UU.) en todas las rodillas.
Características de los 2 tipos de insertos de polietileno utilizados
| Tipo | UHMWPE Sulene (Zimmer) | Entrecruzado Durasul (Zimmer) |
|---|---|---|
| Material | GUR 1020 | GUR 1050 |
| Método de manufactura | Moldeado de láminas | Moldeado de láminas |
| Dosis (KGray) | 25-40 | 95 |
| Temperatura preirradiación (°C) | Temperatura ambiente | 125 |
| Fusión postirradiación | No aplicable | 150°C durante 2h |
| Método de esterilización | Gamma Nitrogen | Óxido de etileno |
| Método de almacenamiento | Gas nitrógeno | Al vacío |
Las cirugías fueron realizadas por el mismo cirujano. La primera rodilla implantada era aquella que suponía una molestia mayor para el paciente. El tipo de inserto implantado en la primera cirugía se obtenía mediante aleatorización.
A los 3 años tras la cirugía fueron realizadas artrocentesis del líquido sinovial, por el mismo cirujano, bajo condiciones completamente estériles.
Los criterios de inclusión de este estudio consideraron pacientes entre 65 y 80 años afectos de artrosis primaria grados 3 y 4 según la clasificación de Ahlbäck. El criterio de exclusión fue el diagnóstico de gonartrosis por enfermedades inflamatorias u osteonecrosis del cóndilo femoral.
Se analizaron 12 pacientes al seguimiento a los 3 años.
Uno de los pacientes rechazó ser intervenido de una artroplastia total de la segunda rodilla debido a problemas familiares. Un paciente fue excluido por complicaciones médicas. El aislamiento de partículas de polietileno no pudo ser realizado en 6 muestras debido al fracaso en la digestión de materia orgánica, al exceso de partículas contaminadas o a un fallo técnico durante el filtrado. Cinco pacientes no acudieron al control postoperatorio a los 3 años, y no se pudieron realizar las artrocentesis.
La muestra final incluyó un 91,6% de mujeres y un 8,4% de hombres, con una edad media de 70,9 años (SE=4,2).
Técnica de aislamientoSiguiendo los estándares de la Asociación Internacional para el Ensayo y Materiales (American Society for Testing and Materials [ASTM]), que considera que la filtración es el método más efectivo para la obtención de partículas14, se procedió al aislamiento y caracterización de las muestras.
Las muestras extraídas se conservaban a –20°C en recipiente estéril hasta su procesamiento. Proteínas, lípidos y otros elementos orgánicos fueron debidamente eliminados de las muestras, y posteriormente se observaron mediante microscopio electrónico de barrido. Los hallazgos de las observaciones en el microscopio fueron confirmados por análisis y espectrometría (fig. 1). Las partículas de polietileno fueron identificadas, caracterizadas y recontadas utilizando una técnica validada previamente por Ries et al.15 a la que se le introdujeron algunas modificaciones, ya que su estudio era en condiciones in vitro por lo que se necesitaba menor tiempo de digestión con el ácido clorhídrico (HCl) y dilución con metanol.
La técnica de preparación constaba de diferentes procesos, que se realizaban dentro de una cámara blanca. En cada caso, se añadía HCl al 37% (J.T Baker) para su digestión agitando magnéticamente las diferentes soluciones a temperatura ambiente y a 50°C. Posteriormente, se diluía con metanol (CH3OH al 99,8% Merck) y la solución se filtraba sobre un filtro de policarbonato de 0,05μm contenido en una probeta.
Una vez que la muestra se encontraba en el filtro de policarbonato de 0,05μm de grosor (Whatman Internacional Ltd, Miadstone, UK), este se adhería a una placa de Petri y se recubría por polvorización catódica Polaron E5000 de entre 3 y 12KV con una capa de unos 30nm de oro.
Tras su fijación, la muestra se observaba en un microscopio electrónico de barrido Quanta 200 (FEI, Co.). Para cada muestra, identificamos 40 campos a diferentes aumentos: 20 campos a 3.000× (fig. 2) y 20 campos a 20.000× (fig. 3). Se escogieron esos aumentos para conseguir una representación más apropiada de los diferentes tamaños.
Partículas de polietileno más pequeñas se encuentran en las imágenes del microscopio electrónico de barrido a 20.000×. Asimismo, se puede observar la calidad de la muestra apreciando la correcta digestión y filtración de la misma al mostrarse una imagen nítida y los poros del filtro bien visibles.
La técnica combinada de la digestión con HCl y dilución con metanol nos permite obtener una muestra clara libre de partículas orgánicas para una óptima observación en el microscopio electrónico de barrido.
Análisis estadísticoLos datos estadísticos descriptivos incluyeron el número de partículas de polietileno y su morfología.
Para la comparación del número de partículas según el tipo de polietileno se ha realizado un análisis de la varianza de datos dependientes no paramétricos.
El análisis de la morfología de las partículas aisladas se ha realizado según el modelo de medidas repetidas para datos binarios (GEE), el cual es un abordaje conveniente y general del análisis de diferentes tipos de datos correlacionados, particularmente si los resultados son binarios.
El nivel de significación estadística se ha fijado en el 5% bilateral, y el análisis se ha realizado con los paquetes estadísticos SAS versión 9.1 y SPSS versión 23.
ResultadosEl volumen medio de líquido sinovial obtenido fue de 6,85ml (DE=6,93ml). No hay diferencias significativas entre el polietileno UHMWPE (X¯ = 8,68 ml; DE=9,11ml) y el polietileno entrecruzado (X¯ = 5,03; DE=3,17ml) (p=0,175).
La tabla 2 muestra el número y la concentración de partículas de polietileno halladas en ambos insertos de polietileno a 3.000× y a 20.000× aumentos. No se hallaron diferencias significativas entre el número de partículas generadas por los diferentes insertos de polietileno a 3.000× o a 20.000× aumentos.
Número y concentración de partículas de polietileno halladas en ambos insertos de polietileno a 3.000× y a 20.000× aumentos, a los 3 años postintervención
| Entrecruzado | UHMWPE | p | |||
|---|---|---|---|---|---|
| x¯ | DE | x¯ | DE | ||
| Total partículas 3.000× | 849,7 | 210,4 | 796,9 | 287,9 | 0,627 |
| Partículas/mL (×106) 3.000× | 0,7 | 0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,104 |
| Total partículas 20.000× | 66,3 | 40,2 | 73,1 | 59,4 | 0,761 |
| Partículas/mL (×106) 20.000× | 2,4 | 1,7 | 1,9 | 2,5 | 0,565 |
| Volumen filtrado | 0,02 | 0,03 | 0,01 | 0,01 | 0,238 |
El tamaño de las partículas varió considerablemente de menos de 1 a 50μm.
Por otro lado, se describió la morfología de las partículas en función del tipo de inserto. Los datos se muestran en la tabla 3. No existen diferencias estadísticamente significativas entre los 2 tipos de inserto, entre la posibilidad de encontrar partículas de forma elongada (χ2=0,19; p=0,66) o redonda (χ2=1,44; p=0,23). Sin embargo, se observan diferencias significativas en la probabilidad de encontrar partículas de forma fibrilar (χ2=4,64; p=0,03), según los coeficientes estimados en el modelo GEE.
Número de partículas de cada tipo y porcentaje, según el tipo de polietileno, a los 3 años postintervención
| 3 años | ||
|---|---|---|
| Elongada | Entrecruzado (N=12) | 6 (50,0%) |
| UHMWPE (N=12) | 8 (66,7%) | |
| Total (N=24) | 14 (58,3%) | |
| Redonda | Entrecruzado (N=12) | 12 (100,0%) |
| UHMWPE (N=12) | 11 (91,7%) | |
| Total (N=24) | 23 (95,8%) | |
| Fibrilar | Entrecruzado (N=12) | 6 (50,0%) |
| UHMWPE (N=12) | 12 (100,0%) | |
| Total (N=24) | 18 (75,0%) |
En relación con la morfología de las partículas, las redondas son las más prevalentes a 3 años en el polietileno altamente entrecruzado, mientras que las partículas fibrilares son las más prevalentes en el UHMWPE.
La significación estadística de la morfología fibrilar deriva del hecho de que la forma de partícula fibrilar es 3,08 veces de aparición más probable en el tipo de polietileno de alto peso molecular que en el de alto entrecruzamiento (OR=3,08 [IC95%: 1,11-8,59]).
DiscusiónEl principal hallazgo de nuestro estudio es que el polietileno altamente entrecruzado no reduce significativamente la generación de partículas de polietileno en aquellos pacientes intervenidos mediante una artroplastia total de rodilla, con muestras a 3 años postintervención.
Las características de las partículas de polietileno (número, tamaño y forma) se han descrito como críticas en la aparición de osteólisis8. En presencia de volúmenes mayores de partículas, presencia de partículas submicrométricas y partículas de forma elongada es más probable que exista una estimulación y activación macrofágica11. Los efectos biológicos del polietileno no dependen tan solo del volumen total del desgaste y del número de partículas generadas, sino también de la proporción de partículas biológicamente activas16.
Técnicas de aislamiento de desgasteDiferentes métodos de muestreo tisular se han descrito en la literatura. El método original de Campbell fue el primero utilizado en los años 90, y él y sus colaboradores fueron los pioneros en usar el hidróxido de sodio (NaOH) para el aislamiento de partículas de polietileno17. Muchos de los protocolos publicados actualmente se basan en el método Campbell.
Sin embargo, en nuestro estudio hemos utilizado la técnica combinada de digestión con HCl y de dilución con metanol, que fue presentada en el Sixth World Biomaterials Congress y ha sido utilizada por diferentes autores, como Michael D. Ries y Marcus L. Scott15,18. Este procedimiento permite obtener una muestra clara libre de partículas orgánicas19.
Los resultados obtenidos en nuestro estudio se corresponden con los hallazgos de Niedzwiecki et al.20, quienes también utilizaron HCl al 37%. Ellos describieron cómo las proteínas séricas eran eliminadas eficazmente. En su estudio, obtuvieron partículas de polietileno comparables en tamaño y forma a aquellas aisladas con NaOH14.
Otros estudios han utilizado hidróxido de potasio (KOH), ácido nítrico concentrado (HNO3), papaína, u otras enzimas tales como colagenasa disuelta en un reactivo de fosfato. Baxter et al.21 llevaron a cabo una revisión exhaustiva de los métodos de digestión de tejido periprotésico utilizados por diferentes autores. Hasta la fecha, ninguno de los métodos se ha identificado como el de elección y se precisan de más estudios para establecer la eficiencia de estos diferentes abordajes.
Nuestros resultados demuestran que disponemos de una técnica precisa y reproductible para la identificación y cuantificación de partículas de polietileno in vivo en el líquido sinovial de pacientes portadores de una artroplastia total de rodilla. Esta técnica permite estudiar el comportamiento in vivo de modelos protésicos con diferentes materiales y por tanto diferentes pares de fricción.
Resultados a 3 añosEn un estudio reciente in vivo, Hinarejos et al.7 realizaron un ensayo clínico prospectivo y aleatorizado utilizando el protocolo del NaOH en líquido sinovial incluyendo 34 pacientes con el mismo diseño protésico. Al 50% de los pacientes se les insertó un UHMWPE y al otro 50% un polietileno altamente entrecruzado con templado secuencial. Realizaron una artrocentesis un año tras la cirugía y no hallaron diferencias estadísticamente significativas entre los 2 grupos en la reducción de la concentración, tamaño o forma de las partículas de polietileno. Ellos también encontraron una gran variabilidad en la concentración de partículas en ambos grupos, y sugirieron que la tasa de desgaste de polietileno está determinada por diversos factores que son más importantes que el tipo de inserto de polietileno utilizado.
Minoda et al.6 analizaron líquido sinovial in vivo utilizando el protocolo del NaOH y no hallaron diferencias estadísticamente significativas entre ambos tipos de implante en una evaluación clínica y radiológica a los 2 años.
Otros autores tales como Wolfarth et al.22 analizaron el tamaño y la morfología de las partículas en el líquido sinovial con partículas extraídas de tejido sinovial periprotésico en 4 pacientes utilizando el método Campbell. Concluyeron que la morfología y tamaño no difería en los 2 grupos; aunque la concentración de partículas es mayor en el tejido, debido a que en el líquido sinovial existe una filtración continua, esta es representativa de la concentración del líquido sinovial.
Por el contrario, Iwakiri et al.23, utilizando el método Campbell, informaron diferencias respecto a las partículas de polietileno desprendidas del polietileno altamente entrecruzado, las cuales fueron menos numerosas, más pequeñas y más redondas.
Recientemente, Minoda et al.9 han publicado un estudio sobre el líquido sinovial a un año postintervención de 16 rodillas, comparando un polietileno convencional con uno de alto entrecruzamiento con templado secuencial. Sus resultados muestran que no existen diferencias significativas en cuanto al tamaño y la forma de las partículas de ambos grupos. Sí que hallaron diferencias significativas en la reducción del número de partículas en los portadores del polietileno de alto entrecruzamiento con templado secuencial.
La comparación de los estudios de Hinarejos et al.7 y Minoda et al.9 sugiere que el diseño protésico de las superficies articulares puede influir en la generación de partículas de polietileno in vivo11,24-26 y, por lo tanto, en el desarrollo de osteólisis a largo plazo. Este hecho justifica las diferencias encontradas entre nuestro estudio y otros estudios realizados con diseños protésicos diferentes.
Estudios in vitro realizados por otros autores tales como Muratoglu et al.27 demostraron que el desgaste del polietileno altamente entrecruzado se reduce en un 80-90% en comparación con el UHMWPE. Fisher et al.28 encontraron que las partículas de polietileno menores de 1μm eran 6 veces más activas que las partículas mayores de 1μm, para un volumen constante de desgaste.
Nuestros resultados a 3 años difieren de los de Muratoglu et al.27 y Fisher et al.28. Esto podría ser atribuido a las diferentes condiciones ambientales utilizadas, ya que el modelo utilizado por Muratoglu y Fisher es in vitro mientras que nuestros test se realizan in vivo. El número de partículas obtenidas in vivo es claramente inferior a las obtenidas en los test in vitro8.
Una de las ventajas de nuestro estudio es que todas las intervenciones quirúrgicas fueron realizadas por un mismo equipo utilizando el mismo procedimiento, diseño protésico y materiales implantados, siendo el inserto de polietileno la única diferencia entre ambos grupos. Este hecho permite el control de las variables externas relacionadas con la intervención. Por otro lado, intentamos controlar el efecto de factores inherentes al propio paciente, como el peso, el nivel de actividad física del paciente y el tamaño de la prótesis.
Otro punto fuerte del estudio es que empleamos un filtro con poros de 0,05μm en el procesamiento del líquido sinovial. Aunque las partículas que provocan un mayor desgaste se encuentran entre 0,1 y 1μm29, un filtro más pequeño puede haber facilitado la retención de partículas causantes de osteólisis.
Una de las limitaciones de nuestro estudio es el tamaño muestral. Aunque la mayoría de estudios cuentan con un número de casos similar o inferior, sería aconsejable ampliar el número de pacientes estudiados. Además, no sabemos de qué manera la pérdida de muestra en el seguimiento a 3 años puede haber influido en los resultados.
Otra limitación del estudio es el tiempo de seguimiento. Aunque la mayoría de estudios se limitan a los 2 años postintervención, consideramos necesario ampliar el tiempo de seguimiento para observar los efectos del desgaste del polietileno con el paso del tiempo.
Tal y como señalaban Paxton et al.30, conviene considerar si el incremento del coste de los implantes con polietileno entrecruzado y la falta de evidencia empírica en relación con sus supuestas ventajas clínicas justifican su implantación en las PTR. Sin embargo, los resultados favorables obtenidos en las prótesis de cadera6,30,31 deben fomentar más estudios a largo plazo (10 o 15 años postimplantación) para evaluar los posibles beneficios del polietileno altamente entrecruzado en PTR.
Podemos concluir que este estudio no muestra ventajas en la utilización del polietileno altamente entrecruzado en relación con el UHMWPE a los 3 años postintervención.
Nivel de evidenciaNivel de evidencia III.
Responsabilidades éticasProtección de personas y animalesLos autores declaran que los procedimientos seguidos se conformaron a las normas éticas del comité de experimentación humana responsable y de acuerdo con la Asociación Médica Mundial y la Declaración de Helsinki.
Confidencialidad de los datosLos autores declaran que han seguido los protocolos de su centro de trabajo sobre la publicación de datos de pacientes.
Derecho a la privacidad y consentimiento informado.Los autores han obtenido el consentimiento informado de los pacientes y/o sujetos referidos en el artículo. Este documento obra en poder del autor de correspondencia.
Conflicto de interesesLos autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
