Review Article The Diagnosis and Treatment of Femoral Osteolysis Developed after the Hip Replacement Myung-Rae Cho, MD Department of Orthopaedic Surgery, School of Medicine, Daegu Catholic University, Daegu, Korea Purpose: To evaluate the diagnosis and treatment of femoral osteolysis. Contents: Osteolysis developed from biologic interaction by wear debris, is one of the common and important complications, which is the most influencing factor of the durability of artificial joint. However, it is difficult to diagnose and treat femoral osteolysis early, because there are no symptoms until a serious bone loss occurs. For the accurate treatment and the early diagnosis of femoral osteolysis, we evaluated the clinical and radiological findings, and also evaluated the medical and surgical managements. Conclusion: From the improvement of the quality and design of artificial joint, femoral osteolysis is reducing these days. However, it still remains a problem, so consistent effort are required to reduce it. Key Words: Hip replacement, Femur, Osteolysis, Diagnosis and treatment 서 골용해 (osteolysis) 는마모입자에의한생물학적반응으로인공관절의수명에큰영향을미치는가장흔하고중요한합병증이나, 심각한골결손및이완이발생하기전까지증세가나타나지않아조기진단과치료에어려움이있다. 또한골용해의병태생리학적인많은연구와이해의발전에도불구하고세부적인치료와예방에대해서는아직도논란이많아지속적인연구가필요한실정으로, 이에최근까지정립된가설과이론적배경을바탕으로인공고관절전치환술시행후발생하는대퇴골골용해의진단과치료에대하여정리해보고자한다. 론 용어의정의 골용해와관련하여다양한용어들이일부혼용되고있 Submitted: March 31, 2010 1st revision: May 24, 2010 2nd revision: June 15, 2010 3nd revision: June 21, 2010 Final acceptance: June 22, 2010 Address reprint request to Myung Rae Cho, MD Department of Orthopaedic Surgery, Daegu Catholic University Medical Center, 3056-6 Daemyung 4-dong, Nam-gu, Daegu 705-718, Korea TEL: +82-53-650-4270 FAX: +82-53-626-4272 E-mail: cmr0426@cu.ac.kr. 고, 이들중일부는치료에있어중요하므로논문의일관성유지와개념정립을위해먼저용어를정리해보고자한다. 골용해는삽입물 - 골또는시멘트와골사이에국소적 (focal) 혹은급속히팽창하는 (expanding) 방사선골음영의감소로정의한다 1). 이는다양한스펙트럼을갖는데, 단순방사선사진상고정이양호한삽입물주위의저음영 (radiolucency) 의형태부터광범위한 (expansive) 골결손의양상으로나타날수도있으며심한경우삽입물의불안정성 (instability) 을야기할수도있다. 이와같이고정이양호한삽입물주위로새로이나타난방사선저음영이진행하여역학적불안정성이나타나는경우를 무균성이완 (aseptic loosening) 이라고하는반면, 방사선저음영이빨리진행하지만이완을유발할수도있고하지않을수도있는상태를 골용해 (osteolysis) 라한다. 따라서두용어는무관한용어가아니라동일생물학적현상을가지고있으나양상이다소상이한방사선소견으로 2), 무균성이완을 2 mm 이상의방사선저음영을가진 선상골용해 로, 삽입물주위에큰부채모양 (scalloped) 또는풍선모양 (balloon-like) 의골병변을 국소적 (focal) 또는 팽창성의 (expansile) 의골용해로흔히혼용하기도한다. 111
1. 임상증상 진 초기단계의골용해는대개증상이없는경우가많다. 시멘트성대퇴주대의경우골용해로인한다량의골손실과이로인한무균성이완으로통증이있을수있으며, 무시멘트성대퇴주대의경우는마모입자로인한활액막염이나골용해병변주위로치환물주위골절이발생하여통증이나타날수있다 3,4). 일단골용해소견이방사선사진상관찰되면진행여부에대한주기적인방사선추시관찰이필수적이다. 2. 방사선학적소견 골용해의일반적진단방법은추시단순방사선사진을술후사진과비교하는것으로 5) 방사선학적골용해의증거는술자의주의정도에따라인지정도가다르다. 또한골용해병변의크기와위치가과소평가되기쉽고골용해의방사선학적소견도대퇴주대를고정하는방법에따라다르다. 1) 시멘트성대퇴주대대퇴골에서입자의이동 (particle migration) 에가장취약한부분은시멘트 - 금속접촉면, 시멘트 - 골접촉면으로선상, 국소형, 팽창형형태로나타난다 1,6,7). 대개선상형태가많으며잘고정된시멘트형대퇴주대에서국소적골용해는정상보행시높은관절압에의해마모입자가대퇴주대와시멘트사이공간으로통과한후시멘트내결손부위를통해시멘트 - 골사이의접촉면에도달하여발생한다 6). 2~3 cm 길이의시멘트 - 골접촉면사이의분열은비구부품과달리대퇴주대의경우큰접촉면적으로삽입물이완에는큰의의가없으며시멘트골절이나시멘트 - 금속의분리가없다면대부분이완을보이지않는다. 그러나대퇴골근위부골용해의경우점차적인골소실을야기할수있으므로주기적인추시가필요하다. 삽입물혹은시멘트의이동, 시멘트 - 금속접촉면사이의분리 (debonding), 대퇴주대의변형및골절등이관찰되는경우확정적인 (definite) 이완으로, 저음영선이시멘트 - 골주위로 100% 에서나타나는경우를유망한 (probable) 이완으로, 저음영선이 50~99% 에서나타나는경우를가능한 (possible) 이완으로정의한다 8-10). 2) 무시멘트성대퇴주대무시멘트성대퇴주대에서발생하는골용해의양상은삽입물의디자인과골내성장에따라달라진다. 초기의 Harris-Galante porous-coated stem (HGP, Zimmer, 단 Warsaw, IN), S-ROM (Joint Medical Products, Stamford, CT), Anatomic Porous Replacement (APR-I, Intermedics Orthopedics, Austin, TX) 삽입물은대퇴주대근위부외측부위에관절액이나마모입자들이이동할수있는틈 (seam) 이있어 Gruen zone 3, 4, 5 의골용해를야기할수있으며, 지속적인대퇴간부의골용해는대퇴주대의골내성장이적은경우하중에의해피로골절 (stress fracture) 등으로궁극적으로삽입물의이완이발생할수있다 11,12). Maloney 등은 HGP 대퇴주대를사용하여 5 년추시결과 52% 에서대퇴부골용해가발생한다고하였는데, 이는상기대퇴주대들의디자인실패를뒷받침하고있다 13). Circumferential porous-coated 대퇴주대인 Anatomic Medullary Locking (AML, DePuy, Warsaw, IN) 이나 Porous Coated Anatomic(PCA, Howmedica, Rutherford, NJ) 등은국소적골용해가대퇴근위부에가장흔하게나타나며간혹대전자혹은소전자의골절을야기할수는있으나, 임상적으로는의미가미미하다고보고되었다 3,14). 무시멘트성대퇴주대에서섬유성고정 (fibrous ingrowth) 의경우, 관절액과마모입자들이대퇴골수내로유입되는것을차단하는부분적인장막역할을하지만, 소위 windshield wiper 형태의선상골용해의원인이되기도한다. 삽입물의이동이나침강, 다공성피막 (porous coating) 의탈락 (shedding), 근위대퇴골의 stresss shielding 부재, porous coat 주위의환상형의저음영, 피질골의비후및주대말단부의주초형성 (pedestal formation) 등은무시멘트성대퇴주대의이완을시사하는소견이다 15). 또한역동적회전성전산화단층촬영술 (Dynamic rotational CT) 상최대외회전, 내회전시스템의위치가 2 이상차이가나는경우이완으로판단하기도한다 16). 3. 분류 Antonio 등은골용해로인한골결손의형태에따라대퇴피질골의파괴가있는경우를분절적인 (segmental) 골결손으로, 대퇴피질골의연속성이남아있는경우를공동성 (cavitary) 골결손으로, 둘형태가모두동반된경우를복합 (combined) 골결손으로분류하고, 이들중근위대퇴부의복합 (combined) 골결손이가장흔하다 17). 골결손위치에따라소전자하부의근위부에골결손이있는경우를 Level I, 이로부터원위 10 cm 까지를 Level II, 그이하원위부에골결손이있는경우를 level III 로분류하며 Level III 가가장치료가어렵다. 또한골결손의정도에따라재치환술후대퇴주대 - 골사이의접촉이완전하면 Grade I, 대퇴주대 - 골사이의안정성은있지만불완전한접촉이있으면 Grade II, 대퇴주대 - 골사이의안정성을확보하기위해구조적인골이식 (structural bone graft) 이 112
Myung-Rae Cho: The Diagnosis and Treatment of Femoral Osteolysis Developed after the Hip Replacement 필요한경우를 Grade III 로분류한다. 치 골용해는많은원인들이단독혹은복합적으로작용할수있으나일반적으로나이등의환자요인, 대퇴주대의재질과디자인등의삽입물요인, 수술적요인으로대별할수있으며 18) 이들원인에대한면밀한분석이필요하고환자의증상, 병변의진행정도, 골소실정도, 대퇴주대의안정성등여러가지요소를고려해야한다. 1. 약물적치료 골용해에대한병리생리학적인연구가진행되면서이들과정을중재할수있는여러약물들이소개되었다. 이들약물로는크게파골세포기능을조정하는약물, 파골세포의신호전달 (signaling) 을조정하는약물, 염증을조정하는약물, 싸이토카인 (cytokine) 억제제, 그리고성장인자 (growth factor) 의국소주입등으로대별할수있다 19). 먼저파골세포의기능을억제하거나혹은대식세포의세포자멸사 (apoptosis) 를유발시키는대표적약물로는비스포스포네이트 (bisphosphonate) 가있으며파골세포의억제뿐만아니라조골세포의분화및성장에도관여하여조골세포에도직접적으로작용하는것으로보고되고있다 20). 따라서, 증상은있으나수술적치료의대상이아닌경우와팽창성골용해병변이있는환자에서제한적으로사용을고려해볼수있으나발열, 근육통, 오심, 복부불쾌감, 백혈구감소증등의부작용이따를수있으며, 약물의반감기가 5~10 년으로길고, 불안정성에의한골흡수에는효과가없다는점을주의해야한다. 파골세포의신호전달을조정하는치료법은 OPG (osteoprotegerin) 에의한 RANKL-RANK(receptor activator of nuclear factor kb ligand) 결합억제가주요한기전으로현재많은연구가진행되고있다 20,21). OPG 는 RANKL 에대해 RANK 와상호경쟁적으로작용하여파골세포의활성화를저해시켜골용해를억제하는유혹수용체 (decoy receptor) 로알려져있으나, 파골세포의신호전달체계를조정하는이들약물은비스포스포네이트 (bisphosphonate) 에비해훨씬가역적으로불안정하므로용량이나반감기와같은약물역동학에대한연구가더필요한실정이다. 염증을조정하는약물로는일반적인비스테로이드성소염제외에도친염증성싸이토카인인 TNF-α, IL-1, IL-6, IL-8 등을억제하는약물로 TNF-a 의수용성억제제인엔타넬셉트 (etanercept) 등이소개되어있다. 또한염증케스케이드를약화시키는제제로포스포다이에스터레이즈 (phosphodiesterase) 억제제인펜톡시필린 (pentoxifylline) 이있는데시프로플록사신 (ciprofloxacin) 도유사한작용을 료 보이며, 에리스로마이신 (erythromycin) 은전사인자 (transcription factor) NFkB (nuclear factor kappa B) 를억제하는항생제로보고되었다. 포식소체내수소이온논도 (potential of hydrogen, ph) 가떨어지는것을방지하는제제들도코발트 - 크롬합금의독성을현저히감소시키는것으로알려져있으며악티노마이신 D (Actinomycin D) 도티타늄입자에의한 IL-6 의활성화와조골세포에서발현되는 monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) 의생성을억제한다고보고되었다. 마지막으로성장인자의국소주입은조골세포분화등을유발하여골형성을촉진시킴으로써골용해를예방내지치료하는것으로알려져있으며, TGF-β, FGF 등이시험중에있다 19). 그러나이들약제들은대부분동물실험에서효과가입증되었을뿐아직인간을대상으로는확실한장기추시결과가없으므로매우신중히접근해야할약제라고사료된다. 2. 수술적치료 수술적치료시고려사항은병변의위치, 진행가능성, 대퇴주대의안정성등이있다. 골용해의수술적치료의목적은골용해를야기하는원인제거, 골용해부위의소파및골량복원, 고관절불안정성및동통등의새로운문제발생예방등이며, 특히새로운문제발생예방을위해서는무증상의환자에게예방적인수술적치료의필요성에대한설명이중요하다 22). 골용해가증상이있는이완소견을동반할경우에는수술이필요하고, 이완없이잘고정된대퇴주대에골용해가발생한경우골용해발생의중요성에대한충분한설명과함께진행여부및정도의파악을위해 3~6 개월단위의주기적인방사선추시관찰이필요하다. 골용해병변의크기및위치, 환자의활동도및전신상태등을고려하여수술여부를결정하고, 골용해부위의소파술, 마모의원인 ( 손상된폴리에틸렌, 손상된대퇴골두, titanium 대퇴골두등 ) 제거, 골용해부위의골이식등으로치료한다. 특히잘고정된대퇴주대의제거는광범위한골소실을야기할가능성이있으므로주의하되, 대퇴주대가마모입자발생의원인인경우모노블럭티타늄 (monoblock titanium) 혹은모듈라테이퍼의광범위부식 (extensive fretting of the modular taper) 형태의대퇴주대, 특히비환상적피막 (noncircumferentially coated) 대퇴주대는치환되어야한다. 또한대퇴주대원위부의골용해는삽입물주위골절의원인이될수있으므로치환이필요하다. 수술적치료원칙으로는첫째, 골결손부를정확하게평가하기위한충분한시야확보가필수적이다. 이를위해서는골결손부의접근을위해인접한근육들의광범위한골막하박리가필요할수도있으며, 대퇴주대원위부의골내성장이있는경우전자부연장절골술 (extended trochanteric osteotomy) 이필요할수도있다 23). 113
둘째, 재치환술동안골용해막 (osteolytic membrane) 을모두제거해야하며신생피질골 (neocortex) 도충분히제거하여시멘트성혹은무시멘트성대퇴주대가삽입될적절한골기반 (bone bed) 을조성해야한다. 셋째, 모든구조적인골결손부는구조적지지대이식 (structural strut graft) 으로보강해야하며지지대로는대퇴피골지지대 (cortical femoral strut) 나원위대퇴동종이식골 (distal femoral allograft) 이사용될수있고이때이식골과모골 (native bone) 의치밀한접촉을위해고속천공기 (burr) 등을이용하여세심하게모양을다듬어야한다. 또한피질골재건후골내막강 (endosteal cavity) 은동종이식조각들로메우고역학적축 (mechanical axis) 을재정립하여야한다. 마지막으로마모입자의원인을제거해야하는데손상된폴리에틸렌이나손상된대퇴골두의치환이외에도티타늄골두를사용한경우코발트 - 크롬대퇴골두로치환하고, 대퇴골두에손상이있는모노블럭 (monoblock) 대퇴주대의경우에는대퇴주대자체를치환하도록한다. 결 대퇴골골용해의약물적치료는아직명확히정립되지않은상태로많은연구가필요하다. 수술적치료시에는발생한마모입자뿐만아니라발생의원인까지제거해야하며, 골소실부의적절한치료가필요하다. 골용해와대퇴주대의이완이동반된경우이완된주대의제거와함께골소실부에소파및골이식을시행한다. 잘고정된대퇴주대의경우에는여러가지상황을고려하여수술적인접근을시도하여야한다. 인공관절의재질및디자인의향상으로마모입자의발생이감소되어향후골용해가줄어들것으로예상되나과민반응등새로운문제들에대한지속적인노력이필요할것으로사료된다. 론 REFERENCES 01. Harris WH, Schiller AL, Scholler JM, Freiberg RA, Scott R. Extensive localized bone resorption in the femur following total hip replacement. J Bone Joint Surg Am. 1976;58:612-8. 02. Sinha RK, Shanbhag AS, Maloney WJ, Hasselman CT, Rubash HE. Osteolysis: cause and effect. Instr Course Lect. 1998;47:307-20. 03. Heekin RD, Engh CA, Herzwurm PJ. Fractures through cystic lesions of the greater trochanter. A cause of late pain after cementless total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 1996;11:757-60. 04. Pazzaglia U, Byers PD. Fractured femoral shaft through an osteolytic lesion resulting from the reaction to a prosthesis. A case report. J Bone Joint Surg Br. 1984;66:337-9. 05. Engh CA Jr, Sychterz CJ, Young AM, Pollock DC, Toomey SD, Engh CA Sr. Interobserver and intraobserver variability in radiographic assessment of osteolysis. J Arthroplasty. 2002;17:752-9. 06. Anthony PP, Gie GA, Howie CR, Ling RS. Localised endosteal bone lysis in relation to the femoral components of cemented total hip arthroplasties. J Bone Joint Surg Br. 1990;72:971-9. 07. Zicat B, Engh CA, Gokcen E. Patterns of osteolysis around total hip components inserted with and without cement. J Bone Joint Surg Am. 1995;77:432-9. 08. Gruen TA, McNeice GM, Amstutz HC. Modes of failure of cemented stem-type femoral components: a radiographic analysis of loosening. Clin Orthop Relat Res. 1979;141:17-27. 09. Harris WH, McCarthy JC Jr, O Neill DA. Femoral component loosening using contemporary techniques of femoral cement fixation. J Bone Joint Surg Am. 1982;64:1063-7. 10. Kwong LM, Jasty M, Mulroy RD, Maloney WJ, Bragdon C, Harris WH. The histology of the radiolucent line. J Bone Joint Surg Br. 1992;74:67-73. 11. Goetz DD, Smith EJ, Harris WH. The prevalence of femoral osteolysis associated with components inserted with or without cement in total hip replacements. A retrospective matched-pair series. J Bone Joint Surg Am. 1994;76:1121-9. 12. Tanzer M, Maloney WJ, Jasty M, Harris WH. The progression of femoral cortical osteolysis in association with total hip arthroplasty without cement. J Bone Joint Surg Am. 1992;74:404-10. 13. Maloney WJ, Woolson ST. Increasing incidence of femoral osteolysis in association with uncemented Harris- Galante total hip arthroplasty. A follow-up report. J Arthroplasty. 1996;11:130-4. 14. Engh CA, Hooten JP Jr, Zettl-Schaffer KF, et al. Porouscoated total hip replacement. Clin Orthop Relat Res. 1994;298:89-96. 15. Callaghan JJ, Salvati EA, Pellicci PM, Wilson PD Jr, Ranawat CS. Results of revision for mechanical failure after cemented total hip replacement, 1979 to 1982. A two to five-year follow-up. J Bone Joint Surg Am. 1985;67:1074-85. 16. Berger R, Fletcher F, Donaldson T, Wasielewski R, Peterson M, Rubash H. Dynamic test to diagnose loose uncemented femoral total hip components. Clin Orthop Relat Res. 1996;330:115-23. 17. D Antonio J, McCarthy JC, Bargar WL, et al. Classification of femoral abnormalities in total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 1993;296:133-9. 18. Howell GE, Bourne RB. Osteolysis; etiology, prosthetic factor, and pathogenesis. Instr Course Lect. 2000;49:71-82. 19. Goodman SB, Trindade M, Ma T, Genovese M, Smith RL. Pharmacologic modulation of periprosthetic osteolysis. Clin Orthop Relat Res. 2005;430:39-45. 20. Im GI, Han JD. Suppressive effects of interleukin-4 and interleukin-10 on the production of proinflammatory 114
Myung-Rae Cho: The Diagnosis and Treatment of Femoral Osteolysis Developed after the Hip Replacement cytokines induced by titanium-alloy particles. J Biomed Mater Res. 2001;58:531-6. 21. Pollice PF, Silverton SF, Horowitz SM. Polymethylmethacrylatestimulated macrophages increase rat osteoclast precursor recruitment through their effect on osteoblasts in vitro. J Orthop Res. 1995;13:325-34. 22. Berry DJ. Liner and femoral head exchange for osteolysis. Orthopedics. 2003;26: 939-40. 23. Meek RM, Greidanus NV, Garbuz DS, Masri BA, Duncan CP. Extended trochanteric osteotomy: planning, surgical technique, and pitfalls. Instr Course Lect. 2004;53:119-30. 국문초록 인공관절시행후발생한대퇴부골용해의진단과치료 조명래 대구가톨릭대학교의과대학정형외과학교실 목적 : 대퇴부골용해의진단및치료방법을알아보고자한다. 내용 : 골용해 (osteolysis) 는마모입자에의한생물학적반응으로인공관절의수명에가장큰영향을미치는가장흔하고중요한합병증이다. 그러나심각한골결손및이완이발생하기전까지증세가나타나지않아조기진단과치료에어려움이있다. 조기진단과정확한치료를시행하기위해대퇴부골용해시나타날수있는임상적소견및방사선소견등을살펴보고필요한약물치료및수술적치료방법등을살펴보았다. 결론 : 인공관절의재질및디자인의향상으로마모입자의발생이감소되어골용해가줄어들고있으나여전히문제가존재하는상태로골용해방지를위해지속적인노력이필요할것으로사료된다. 색인단어 : 인공고관절전치환술, 대퇴부, 골용해, 진단및치료 115