DISKUSSION
Die gesamte Resorptionszeit von as-polymerisiertem PLLA wurde in früheren Studien auf 3,5 Jahre geschätzt15,16. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen, dass die PLLA-Knochenplatte und -Schrauben, die 3,3 Jahre lang implantiert wurden, in Fragmente degradiert und in Partikel zerfallen waren, die im TEM eine nadelartige Struktur aufweisen. Die ultrastrukturelle TEM-Analyse des PLLA-Materials mit einer Implantationsdauer von 5,7 Jahren zeigt eine vergleichbare Morphologie. Die REM-Analyse lässt vermuten, dass die durchschnittliche Partikelgröße des 5,7 Jahre lang implantierten Materials viel kleiner ist. Zwischen 3,3 und 5,7 Jahren degradiert das PLLA-Material von Fragmenten zu Partikeln, die im TEM eine nadelartige Struktur aufweisen. Lichtmikroskopische Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Anzahl der PLLA-Partikel, die von Zellen internalisiert wurden, mit längerer Implantationsdauer zugenommen hat.
Das Molekulargewicht, etwa 5000, ist für beide Implantationszeiträume identisch. Rozema21 beschrieb, dass ein M¯n von 5000 ein Break-Even-Point sein kann, also der Beginn eines relativ hohen Zerfalls. Die PLLA-Partikel haben jedoch eine recht hohe Kristallinität21 , was wahrscheinlich einer der Faktoren ist, der sie sehr stabil und wenig anfällig für Hydrolyse macht. Dies könnte das sehr begrenzte Fortschreiten der Degradation der PLLA-Partikel im Zeitraum von 3,3 bis 5,7 Jahren erklären. Ein substanzieller Massenverlust oder eine vollständige Resorption hatte bis zu 5,7 Jahren nicht stattgefunden. Wenn ein PLLA-Partikel degradiert, dann wahrscheinlich in nicht nachweisbaren Oligomeren, die mit den Gewebeflüssigkeiten weggespült werden und in der Materialanalyse nicht nachweisbar sind. Dieser Mechanismus könnte die gleichen Werte von Molekulargewicht und Kristallinität für beide Implantationszeiträume erklären.
Der Ursprung der beschriebenen Quellung ist nicht ganz klar. Möglicherweise wird die Schwellung durch einen allmählichen Zerfall der PLLA-Knochenplatte und der Schrauben in Fragmente ausgelöst. Bergsma et al.18 beschrieben, wie die PLLA-Platten und -Schrauben während der Degradation in kleine Fragmente zerfallen, was zu einem erhöhten Volumen im Vergleich zum Volumen der intakten Knochenplatte und -schrauben führen kann. In einem Querschnitt eines für 3 Jahre implantierten Gewebes wurde die von den a-zellulären PLLA-Partikeln belegte Oberfläche auf 65 % der Gesamtoberfläche geschätzt. Die restlichen 35 % des Querschnitts wurden von der umhüllenden fibrösen Kapsel eingenommen. Böstman et al.22 vermuten in einer Studie mit intraossär platzierten Polyglykolid-Schrauben und -Pins, dass ein erhöhter osmotischer intrakavitärer Druck in Verbindung mit dem Abbau von Polyglykolid und dem Widerstand des umgebenden Gewebes für die Bildung eines Sinus verantwortlich sein könnte. Der Ursprung der beschriebenen Schwellung kann möglicherweise durch eine Kombination von Faktoren wie dem Zerfall des PLLA-Materials in kleine Partikel und einem erhöhten osmotischen Druck durch diese Fragmente und dem, im Vergleich zum Knochen, geringen Widerstand des subkutanen Gewebes erklärt werden.
Ein weiterer Mechanismus, der die Schwellung induzieren oder aufrechterhalten kann, wird von Fornasier et al.23, die eine Korrelation zwischen dem Vorhandensein von doppelbrechenden Polyethylenpartikeln, der Dichte von Histiozyten und der Dicke einer fibrohistiozytären Membran beschrieben, die alle eine Zunahme mit der Zeit zeigten. Ein aus dem Material mit einer Implantationsdauer von 5,7 Jahren gewonnener Schnitt besteht aus einer dünnen faserigen Kapsel und mit verschiedenen Zellen durchsetzten Kollagenbahnen. Im Gegensatz zu dem Material, das 3,3 Jahre implantiert wurde, ist im Extrazellulärraum kaum PLLA-Material zu finden. Der größte Teil der PLLA-Kristalle wurde von phagozytierenden Zellen in membrangebundenen Vakuolen internalisiert. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass bei längerer Implantationsdauer eine allmähliche Verschiebung der PLLA-Partikel vom Extra- zum Intrazellulärraum in phagozytierenden Zellen, die in eine faserige Matrix eingebettet sind, stattfindet. Das Vorhandensein von Makrophagen und Fibrozyten als Reaktion auf die PLLA-Partikel ist zu erwarten, da Makrophagen dafür bekannt sind, Fremdkörpermaterial zu phagozytieren und zu entfernen. Als Reaktion auf die Internalisierung des Fremdkörpermaterials können Makrophagen fibroblastenähnliche Zellen aktivieren und anziehen.
Der extrazelluläre Abbau der PLLA-Partikel ist wahrscheinlich ein hydrolytischer Prozess. Allerdings können phagozytierende Zellen, insbesondere Makrophagen, eine Reihe von lysosomalen hydrolytischen Enzymen freisetzen, die den Abbau beeinflussen können. Wenn dies der Fall ist, wäre eine erhöhte Konzentration des lysosomalen Leitenzyms, der sauren Phosphatase, zu erwarten. Die saure Phosphatase ist in allen Lysosomen vorhanden und durch ihre einfache Identifizierung ein hervorragender Marker. In dem Gewebe mit einer Implantationsdauer von 5,7 Jahren wurde das Vorhandensein von saurer Phosphatase nachgewiesen, wenn auch nicht in großer Menge.
Ein weiteres Enzym, das untersucht wurde, ist die Laktatdehydrogenase (LDH). LDH wandelt Milchsäure in Pyruvat um, das im Zitronensäurezyklus verstoffwechselt werden kann. Wenn eine beträchtliche Menge an intrazellulären PLLA-Partikeln zu Milchsäure abgebaut wird, könnte ein Anstieg erwartet werden. Auch hier wurde das Vorhandensein von enzymbezogenen Präzipitaten nachgewiesen, jedoch nicht in großen Mengen. Obwohl nur eine sehr begrenzte Anzahl von Enzymen untersucht wurde, können diese Ergebnisse zu dem Schluss führen, dass die PLLA-Partikel letztendlich alle von phagozytierenden Zellen internalisiert werden, die die PLLA-Partikel nicht aktiv abbauen können. Hydrolyse ist wahrscheinlich der einzige Abbaumechanismus und die hochkristallinen Partikel scheinen sich nur sehr langsam abzubauen. Dies deutet darauf hin, dass intrazelluläre PLLA-Partikel dauerhaft vorhanden sind oder dass die Partikel in den extrazellulären Raum verdrängt werden, weil die Zelle die Partikel nicht aktiv abbauen kann. Unverdauliche Fremdkörperpartikel können eine kontinuierliche Anziehungskraft auf Makrophagen ausüben, die die PLLA-Partikel erneut phagozytieren und so den intrazellulären Zyklus wiederholen.
Basierend auf der Literatur über Silikonimplantate kann eine weitere Möglichkeit darin bestehen, dass PLLA-Partikel oder Makrophagen mit PLLA-Partikeln von der Implantatstelle in das Knotengewebe wandern24. In dieser Studie wurden keine Lymphknoten exzidiert, aber vielleicht sollte in zukünftigen Studien die Möglichkeit der Migration von PLLA-Partikeln in Lymphknoten untersucht werden.
In der orthopädischen Literatur wurden viele Studien über aseptische Lockerung von Prothesengelenken aufgrund des Vorhandenseins von partikulären Polymertrümmern im fibrösen Gewebe, Makrophagen und Fremdkörperzellen veröffentlicht. Horowitz et al.25 beschrieben in einer In-vitro-Studie, dass die Exposition gegenüber Polymethylmethacrylat (PMMA)-Partikeln die DNA-Synthese von Makrophagen hemmt, ihre zytotoxische Fähigkeit beeinträchtigt und die Zellen schließlich abtötet. In unserer Studie zeigten Zellen, die die lamellaren oder nadelförmigen PLLA-Partikel internalisiert hatten, Anzeichen einer leichten Zellschädigung wie vergrößerte Mitochondrien und Akkumulation von Glykogen. Menschliche Fibroblasten in Kultur akkumulieren Glykogen in ihrem Zytoplasma, wenn sie sich der Seneszenz nähern. Bei den 5,7 Jahre alten Proben wurden keine Anzeichen von Zellschäden beobachtet. Wenn ein implantiertes Material zelluläre Schäden verursacht, ist ein Anstieg der Freisetzung von intrazellulärer Laktatdehydrogenase zu erwarten. Die schädigende Wirkung der PLLA-Partikel scheint sehr gering zu sein, es konnten keine erhöhten Mengen an mitochondrialer LDH nachgewiesen werden, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die internalisierten PLLA-Kristalle keine schwere Zellschädigung oder Zelltod verursachen. Die PLLA-Partikel induzieren wahrscheinlich eine Makrophagen- und Fibrozytenreaktion. Die Zeit, die für den vollständigen hydrolytischen Abbau der PLLA-Kristalle benötigt wird, bestimmt wahrscheinlich die Dauer der Schwellung.
Die Ergebnisse des trepanierten Knochens des Patienten mit einer Implantationsdauer von 5,7 Jahren zeigen eine Reihe von Unterschieden im Vergleich zu den Ergebnissen von subkutan implantiertem Material. Die Degradation des PLLA-Schraubengewindes ähnelt der Degradation der PLLA-Knochenplatte, aber die Schraubenreste sind nicht mit Kollagenfasern verflochten und die Internalisierung der PLLA-Partikel durch phagozytische Zellen ist sehr begrenzt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es Unterschiede im Abbaumechanismus zwischen subkutanen und intraossären PLLA-Implantaten und der histologischen Reaktion, die das Implantat auslöst, geben kann. Diese Unterschiede können dadurch erklärt werden, dass vielleicht der kortikale Knochen dem osmotischen Druck des abbauenden Materials standhalten kann und somit ein Aufquellen des PLLA-Materials verhindert. Das PLLA-Material bleibt dicht gepackt, was vielleicht das Einwachsen von Zellen und die Internalisierung von PLLA-Partikeln verhindert.
Zusammenfassend kann der Zerfall von PLLA in Partikel mit der damit einhergehenden Volumenzunahme des PLLA-Materials selbst und des fibrösen Gewebes den Ursprung der beschriebenen Schwellung erklären. Die PLLA-Partikel mit einer sehr langsamen hydrolytischen Abbaugeschwindigkeit sind zwar nicht sehr reizbar für die Zelle, induzieren aber dennoch eine zelluläre Reaktion. Dies sind Prozesse, die denen ähneln, die bei aseptischen Knochenlockerungen in orthopädischen Anwendungen beobachtet werden. Die Biokompatibilität des nicht degradierten PLLA-Materials wurde in einer Reihe von Studien nachgewiesen. Die degradierten PLLA-Partikel verursachen keine größeren Zellverletzungen, aber sie können eine klinisch nachweisbare Schwellung induzieren und aufrechterhalten, was bedeuten könnte, dass diese PLLA-Partikel nicht mehr als vollständig biokompatibel angesehen werden können. Zukünftige Forschung muss sich auf biologisch abbaubare Polymere konzentrieren, die nicht in hochkristalline Partikel zerfallen, um sehr lange Abbauzeiten und in einigen Anwendungen eine klinisch nachweisbare Schwellung zu vermeiden.