Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2240
Authors: Tsaryk, Roman
Title: Effects of metal-induced oxidative stress on endothelial cells in vitro
Online publication date: 1-Apr-2010
Language: english
Abstract: Aseptic loosening of metal implants is mainly attributed to the formation of metal degradation products. These include particulate debris and corrosion products, such as metal ions (anodic half-reaction) and ROS (cathodic half-reaction). While numerous clinical studies describe various adverse effects of metal degradation products, detailed knowledge of metal-induced cellular reactions, which might be important for possible therapeutic intervention, is not comprehensive. Since endothelial cells are involved in inflammation and angiogenesis, two processes which are critical for wound healing and integration of metal implants, the effects of different metal alloys and their degradation products on these cells were investigated. Endothelial cells on Ti6Al4V alloy showed signs of oxidative stress, which was similar to the response of endothelial cells to cathodic partial reaction of corrosion induced directly on Ti6Al4V surfaces. Furthermore, oxidative stress on Ti6Al4V alloy reduced the pro-inflammatory stimulation of endothelial cells by TNF-α and LPS. Oxidative stress and other stress-related responses were observed in endothelial cells in contact with Co28Cr6Mo alloy. Importantly, these features could be reduced by coating Co28Cr6Mo with a TiO2 layer, thus favouring the use of such surface modification in the development of medical devices for orthopaedic surgery. The reaction of endothelial cells to Co28Cr6Mo alloy was partially similar to the effects exerted by Co2+, which is known to be released from metal implants. Co2+ also induced ROS formation and DNA damage in endothelial cells. This correlated with p53 and p21 up-regulation, indicating the possibility of cell cycle arrest. Since CoCl2 is used as an hypoxia-mimicking agent, HIF-1α-dependence of cellular responses to Co2+ was studied in comparison to anoxia-induced effects. Although important HIF-1α-dependent genes were identified, a more detailed analysis of microarray data will be required to provide additional information about the mechanisms of Co2+ action. All these reactions of endothelial cells to metal degradation products might play their role in the complex processes taking place in the body following metal device implantation. In the worst case this can lead to aseptic loosening of the implant and requirement for revision surgery. Knowledge of molecular mechanisms of metal-induced responses will hopefully provide the possibility to interfere with undesirable processes at the implant/tissue interface, thus extending the life-time of the implant and the overall success of metal implant applications.
Eine aseptische Lockerung eines Metallimplantats wird zumeist auf die Bildung von Abbauprodukten des Metalls zurückgeführt, die aus Partikel-förmigen Bruchstücken und Korrosionsprodukten, wie Metallionen (anodische Halbreaktion) und ROS (kathodische Halbreaktion) bestehen. Zahlreiche klinische Studien beschreiben verschiedene nachteilige Effekte dieser Metallabbauprodukte. Detaillierte Kenntnisse über die durch die Metalle verursachten zellulären Reaktionen, die möglicherweise für therapeutische Interventionen wichtig wären, liegen noch nicht vor. \r\nDa Endothelzellen am Entzündungsprozess und der Angiogenese beteiligt sind, zwei Prozesse, die für die Wundheilung und die Integration des Metallimplantats entscheidend sind, werden die Effekte der verschiedenen Metalllegierungen und ihre Abbauprodukte auf die Zellen untersucht. Endothelzellen auf Ti6Al4V-Legierung zeigen Zeichen von oxidativem Stress, die Ähnlichkeiten zu der Reaktion von Endothelzellen zeigen, die durch kathodische korrosive Teilreaktion direkt auf der Ti6Al4V-Oberfläche verursacht wurde. Darüber hinaus reduziert der oxidative Stress auf Ti6Al4V-Legierung die pro-inflammatorische Stimulation der Endothelzellen durch TNF- α und LPS. Oxidativer Stress und andere stress-verwandte Reaktionen wurden in Endothelzellen beobachtet, die Kontakt mit Co28Cr6Mo-Legierung hatten. Hervorzuheben ist, dass diese Reaktionen reduziert werden konnten, indem man das Co28Cr6Mo mit einer TiO2-Schicht überzieht. Es erscheint demnach günstig zu sein, solche Oberflächenmodifikationen bei der Entwicklung von Medizinprodukten für die orthopädische Behandlung einzusetzen. Die Reaktion der Endothelzellen auf die Co28Cr6Mo-Legierung zeigte teilweise Ähnlichkeiten zu der Reaktion auf Co2+, von dem bekannt ist, dass es von Metallimplantaten frei gesetzt wird. Co2+ induziert ROS-Bildung und schädigt DNS in Endothelzellen. Dies korreliert mit einer erhöhten Expression von p53 und p21, was wiederum darauf hindeutet, dass der Zellzyklus gestoppt wird. Da CoCl2 die gleichen Effekte hervorruft wie Hypoxie, wurde die HIF-1α –Abhängigkeit der zellulären Antwort auf Co2+ im Vergleich zu den durch die Anoxie-verursachenden Effekte untersucht. All diese Reaktionen der Endothelzellen auf Metall-Abbauprodukte spielen möglicherweise eine Rolle in den komplexen Prozessen, die im Körper als Folge einer Implantation von Metallprodukten ablaufen. Im schlimmsten Fall kann dies zu einer aseptischen Lockerung des Implantats und einer erneuten OP führen. Die Kenntnisse der molekularen Mechanismen der durch Metall induzierten Reaktionen werden hoffentlich die Möglichkeiten bieten, die unerwünschten Wirkungen an der Grenzschicht von Implantat und Gewebe zu beeinflussen. Dies sollte dann die Lebenszeit von Implantaten erhöhen und die Erfolgsrate bei der Anwendung von Metallimplantaten steigern. \r\n
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2240
URN: urn:nbn:de:hebis:77-22238
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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