Když něčemu přijdeme na kloub, znamená to, že jsme buď rozluštili záhadu, nebo jsme alespoň pokročili v jejím odkrývání. Kloub je důležité místo obratu, pohybu, posunu. Klouby dokáží pořádně trápit, zhusta i otravovat život až k nesnesení; jejich vrzání, loupání, bodání nebo nepohyblivost jsou zároveň příčinou značných ekonomických ztrát i výnosného byznysu. Přijít na kloub tomu, jak pomoci kloubům, se daří Miroslavu Šloufovi z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR.
Kyčelní kloubní náhrada sestávající z kovového dříku, femorální keramické hlavice, acetabulární UHMWPE jamky a kovového pouzdra
Ve vašem ústavu, zkráceně zvaném „Makro“, kloubíte základní výzkum s potřebami praxe. Konkrétně vy hledáte, jak prodloužit životnost umělých kloubních náhrad, jimiž se ročně jen v České republice nahrazují bolavé klouby desítkám tisíc pacientů. To představuje ohromnou cifru, zejména pokud bychom tento počet převedli do statistických kolonek zdravotních pojišťoven. Každý vynález má své slabiny, umělé náhrady nevyjímaje. Co je jejich bolestí?
Za několik desetiletí výroby kloubních náhrad jsme v jejich konstrukci obrovsky postoupili, umělé klouby dnes vydrží deset i více let, ale přesto se opotřebovávají. Se zkvalitňováním zdravotní péče se také jejich nositelé dožívají vyššího věku, a tady nastává problém: každá další výměna kloubní náhrady bývá složitější než ta předchozí. Je nutno vyjmout dosluhující endoprotézu, což při první implantaci není třeba. Poškozené konce kostí, na něž se nasazuje nová náhrada, se musí upravit, což je ve srovnání s první operací odborně, časově i finančně náročnější. Každá výměna kloubu vyžaduje určitý čas na rehabilitaci, což je pro pacienta spojeno s bolestí a pro zaměstnavatele a zdravotní pojišťovny s další finanční zátěží. Proto se snažíme životnost kloubních náhrad maximálně prodloužit.
Kolenní kloubní náhrady s UHMWPE vložkou
Všudypřítomné reklamy nás dnes přímo zavalují nejrůznějšími preparáty proti bolesti kloubů, na posílení chrupavek. Je právě ona měkká část nejvíc ohrožena také v kloubních náhradách, které jsou asi i poměrně velké?
Nejčastěji se vyměňují kyčelní klouby a nejpoužívanější typ endoprotézy sestává z kovové nebo keramické hlavice, která zapadá do polymerní jamky. Zmíněná jamka se vyrábí ze speciálního polymeru – ultravysokomolekulárního polyethylenu (UHMWPE), který má tak dlouhé molekuly, že by při pomyslném rozšíření molekuly na tloušťku špagety přesáhla její délka jeden kilometr! Nicméně UHMWPE představuje skutečně nejzatěžovanější a tudíž nejopotřebovávanější část kloubní náhrady. Kdybychom snížili opotřebení polymeru UHMWPE, podstatně bychom zvýšili životnost celých kloubních náhrad.
K poškození polymeru dochází především dvěma mechanismy: otěrem a oxidací. Otěr znamená, že se při pohybu kovové či keramické komponenty po jamce z UHMWPE uvolňují z povrchu polymeru mikroskopické, tzv. otěrové částice, které se hromadí v okolí umělého kloubu. Po jisté době zpravidla vyvolají otěrové částice v těle imunitní reakci, jež vede k poškození okolních tkání. Nakonec jsou v okolí náhrady natolik poničeny i kosti, že se umělá náhrada uvolní či vyviklá. Druhým škodlivým procesem je oxidace neboli pozvolná reakce polymeru s kyslíkem, který je přítomen v okolí nejen při výrobě a skladování kloubních náhrad, ale i v lidském těle. Kyslík působí na UHMWPE a štěpí jeho unikátně dlouhé molekuly natolik, že se polymer začne svou strukturou a vlastnostmi podobat běžnému polyethylenu, z něhož se vyrábí například kuchyňské potřeby či sáčky. Takto degradovaný materiál pro vysoce zatěžovanou kloubní náhradu pochopitelně nestačí a její opotřebení se výrazně urychlí.
Kdyby se minimalizoval otěr a oxidace polymeru UHMWPE, prodloužila by se tím životnost kloubních náhrad – což je předmětem našeho výzkumu. K tomu ale nejde využít žádné chemikálie, protože by se porušila medicinální čistota polymeru. Odolnost tedy zvyšujeme ozařováním, díky němuž dojde k síťování, kdy se z látky vytvoří jedna obří makromolekula. Pak musíme polymer tepelnou úpravou zbavit volných radikálů, které jinak způsobují oxidační poškození. Poslední fází je sterilizace.
Rentgenové snímky poškozených kyčelních náhrad před reoperací
Je nasnadě, že to vše by nedávalo smysl bez komunikace s českými lékaři, bez transferu nových poznatků a znalostí do nemocnic. V úvodu již zaznělo, že spolupracujete i s výrobci kloubních náhrad. Jsou tedy výsledky výzkumu přínosné pro české pacienty i zdravotní pojišťovny?
Tematika kloubních náhrad je velmi komplexní a prakticky využitelných výsledků by se bez mezioborové spolupráce nedalo dosáhnout. V našich výzkumných projektech se naštěstí sešli odborníci na makromolekulární chemii a fyziku, kteří se zabývají modifikací klíčového polymeru UHMWPE (výzkumníci přímo z našeho Ústavu makromolekulární chemie AV ČR), dále konstruktéři kloubních náhrad, kteří je vyrábějí (výzkumníci z firmy Beznoska Kladno, s. r. o.) a lékaři zabývající se biologickými a ortopedickými aspekty otěru UHMWPE (výzkumníci a lékaři z Fakultní nemocnice Motol a Univerzity Karlovy v Praze). Tím je zaručen kontakt mezi vývojem materiálů v laboratoři, jejich výrobou v provozních podmínkách i jejich aplikací v lékařské praxi.
V roce 2005 jsme podali patent na nový způsob modifikace UHMWPE, kterým vzniká polymer s vyšší odolností vůči otěru a oxidativní degradaci. Začátkem roku 2007 byl patent udělen a od konce roku 2007 se námi vyvinutý typ polymeru využívá při výrobě kyčelních kloubních náhrad ve firmě Beznoska. Paralelně jsme ve spolupráci s kolegy z Univerzity Karlovy zkoumali vliv modifikací UHMWPE na strukturu, vlastnosti a jeho otěr; přitom jsme prokázali výhodu nového způsobu sterilizace pomocí ethylen-oxidu, který byl následně zaveden i do výroby dalších typů kloubních náhrad. Všechna měření prokázala, že se náš materiál vyznačuje výrazně vyšší odolností vůči otěru a dlouhodobé oxidativní degradaci, takže by měl v kloubních náhradách vykazovat podstatně nižší opotřebení a vyšší životnost.
V Česku se ročně implantuje přes 25 000 endoprotéz, z čehož připadá téměř 14 000 na náhrady kyčelní, necelých 11 000 na náhrady kolenní a zbytek na ostatní velké klouby – loket, rameno ap. Implantace a výměny kloubních náhrad jsou vysoce odborně a finančně náročné operace. Máme výhodu, že se výzkum i výroba odehrává u nás, takže jsou české výrobky v průměru levnější a kvalitou se těm dovozovým naprosto vyrovnají.
Celokovový dřík kyčelní kloubní náhrady, který se upevňuje do stehenní kosti.
Typ UHMWPE, který jste vyvinuli, už lidem v kloubních náhradách slouží. Tím práce samozřejmě nekončí. Jakým dalším vylepšením endoprotéz se snažíte přijít na kloub?
Dosavadní typ modifikace našeho materiálu vede k tzv. síťovanému UHMWPE první generace, jenž je odolnější vůči hlavním příčinám selhání, otěru a oxidaci, ovšem za cenu určitého zhoršení ostatních, pro danou aplikaci méně důležitých mechanických vlastností, jako je tažnost a houževnatost. Ve světě se nyní intenzivně hledají modifikace, které povedou k síťovaným typům UHMWPE druhé generace – ty by měly mít všechny výhody předchozích typů a navíc ještě zvýšenou odolnost vůči oxidativní degradaci, aniž by se zhoršily mechanické vlastnosti. Náš tým z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR nyní získal grant, který umožňuje pracovat na zkombinování síťování se stabilizací materiálu proti škodlivým reakcím s kyslíkem pomocí vitaminu E. Tak chceme získat UHMWPE s ještě vyšší životností než doposud – v ideálním případě bychom měli do konce roku 2014 vyvinout a zavést do praxe ještě trvanlivější endoprotézu. Přitom každý rok životnosti navíc, který získá kloubní náhrada, představuje nejen subjektivní úlevu pro pacienty, ale také objektivní úsporu pro zdravotní pojišťovny.
MARINA HUŽVÁROVÁ
English
