Copper-Coated Spacer for Total Femoral Replacement in Recurrent Periprosthetic Joint Infection: A Case Report

Cover Page

Cite item

Abstract

Background. There are few cases of entire femur modular replacement with hip and knee joints in patients with periprosthetic joint infection (PJI) in literature. They report encouraging results in patients of elderly and senile age. We present case of a copper-coated femoral spacer implantation to 50-year-old patient with multiple PJI episodes and osteomyelitis of the entire femur.

Clinical presentation. A 40-year-old male patient after resection of the proximal part of the right femur for fibrotic osteodysplasia underwent total hip arthroplasty with replacement of 15 cm of the femur. In December 2010 (20 months after implantation), instability of the femoral component developed, revision arthroplasty was performed with stem recementation. After 4 months, sinus tract formed in the area of the postoperative scar. After another 4 months, the head of the prosthesis was dislocated. In September 2011, the endoprosthesis components were removed and a unipolar cement spacer was implanted. The limb immobilized in a hip spica cast. Methicillin-sensitive S. epidermidis (MSSE) was detected in the preoperative joint aspiration puncture and periprosthetic tissues. After 3 months (December 2011), patient underwent revision total hip arthroplasty (25 cm defect was replaced). 5 years of PJI remission followed. In November 2016 after PJI recurrence the endoprosthesis was removed, and an articulating spacer was implanted. P. aeruginosa was detected in periprosthetic tissues. For the past 2.5 years there were periodically sinus tracts formations. In August of 2019 spacer’s migration resulted in an intercondylar fracture of the right femur. In September 2019, spacer was removed, and MSSE was detected in the surrounding tissues. An articulating cement spacer based on an oncological modular total femur coppercoated endoprosthesis was implanted. At each control examination during the year copper concentration in blood serum was determined, it did not exceed 900–1200 mcg/l. No local or systemic side effects were detected. The patient started working 3 months after surgery. After 6 months poor functioning sinus tract formed in the postoperative scar area in the lower third of the thigh. 1.5 years after the operation, the functional condition is satisfactory.

Conclusion. The use of the copper-coated spacer based on modular total femur endoprosthesis with hip and knee joints in a patient with multiple PJI allowed to improve the function of the limb and reduce the severity of the infectious process. No local or systemic toxic effects of copper were detected.

About the authors

А. A. Belokobylov

Nursultan Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: baa0711@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7930-1583

Alexey A. Belokobylov

Nur-Sultan

Kazakhstan

N. D. Batpenov

Nursultan Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: fake@neicon.ru

Nurlan D. Batpenov

Nur-Sultan

Kazakhstan

S. S. Balgazarov

Nursultan Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: serik.bal@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4193-7695

Serik S. Balgazarov

Nur-Sultan

Kazakhstan

V. D. Serikbayev

Nursultan Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: yese@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5256-7960

Valeriy D. Serikbayev

Nur-Sultan

Kazakhstan

A. A. Krikliviy

Nursultan Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: akriklivyy@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-5675-0471

Alexander A. Krikliviy

Nur-Sultan

Kazakhstan

S. V. Plotnikov

East Kazakhstan Technical University

Email: splotnikov@ektu.kz
ORCID iD: 0000-0002-4105-2128

Sergey V. Plotnikov

Ust-Kamenogorsk

Kazakhstan

A. Turlybekuly

Nazarbayev University

Email: aturlybekuly@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8686-949X

Anamzhol Turlybekuly

Nur-Sultan

Kazakhstan

D. V. Rimashevskiy

RUDN University

Author for correspondence.
Email: drimashe@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8122-5815

Denis V. Rimashevskiy

Moscow

Russian Federation

References

  1. Fritzsche H., Goronzy J., Schaser K.D., Hofbauer C., Postler A.E., Günther K.P. Komplikationsprofil und Revisionsstrategien nach Tumorspezialendoprothetik am Hüftgelenk [Complication profile and revision concepts for megaprosthetic reconstruction following tumour resection at the hip]. Orthopade. 2020;49(2):123-132. (In German). doi: 10.1007/s00132-020-03879-8.
  2. Masters E.A., Salminen A.T., Begolo S., Luke E.N., Barrett S.C., Overby C.T. et al. An in vitro platform for elucidating the molecular genetics of S. aureus invasion of the osteocyte lacuno-canalicular network during chronic osteomyelitis. Nanomedicine. 2019;21:102039. doi: 10.1016/j.nano.2019.102039.
  3. Amin S.J., Patel R.M., Gutowski C.J., Kim T.W.B. Outcomes After Antibiotic Megaspacer Implantation in Patients with Severe Chronic Periprosthetic Infections. J Orthop Res. 2021;39(2):308-319. doi: 10.1002/jor.24911.
  4. Canham C.D., Walsh C.P., Incavo S.J. Antibiotic impregnated total femur spacers: a technical tip. Arthroplasty Today. 2017;4(1):65-70. doi: 10.1016/j.artd.2017.06.001.
  5. Gundavda M.K., Katariya A., Reddy R., Agarwal M.G. Fighting Megaprosthetic Infections: What are the Chances of Winning? Indian J Orthop. 2020;54(4):469-476. doi: 10.1007/s43465-020-00080-z.
  6. Mayes W., Edwards P.K., Mears S.C. Management of Severe Proximal Femur Bone Loss With a Modular Articulating Antibiotic Spacer. Geriatr Orthop Surg Rehabil. 2019;10:2151459319847399. doi: 10.1177/2151459319847399.
  7. Sambri A., Zucchini R., Giannini C., Zamparini E., Viale P., Donati D.M., De Paolis M. Silver-coated (PorAg®) endoprosthesis can be protective against reinfection in the treatment of tumor prostheses infection. Eur J Orthop Surg Traumatol. 2020;30(8):1345-1353. doi: 10.1007/s00590-020-02705-3.
  8. Араньязова Э.Р. Влияние наночастиц меди на колониеобразующую способность Staphylococcus aureus. Бюллетень медицинских интернет-конференций. 2016;6(5):511. Режим доступа: https://medconfer.com/node/6725.
  9. Бабушкина И.В., Мамонова И.А., Гладкова Е.В. Этиологическая роль возбудителей хронического остеомиелита и влияние наночастиц меди на клинические штаммы Staphylococcus aureus. Вестник Пермского университета. Серия «Биология». 2014;(2):52-56.
  10. Симонов П.В., Резниченко Л.С., Чекман И.С. Влияние наночастиц меди на клиническую картину и морфологические показатели крови при экспериментальной генерализованной инфекции у крыс. Вестник Витебского государственного медицинского университета. 2015;14(4):112-117.
  11. Astasov-Frauenhoffer M., Koegel S., Waltimo T., Zimmermann A., Walker C., Hauser-Gerspach I., Jung C. Antimicrobial efficacy of copper-doped titanium surfaces for dental implants. J Mater Sci Mater Med. 2019;30(7):84. doi: 10.1007/s10856-019-6286-y.
  12. Ellenrieder M., Haenle M., Lenz R., Bader R., Mittelmeier W. Titanium-copper-nitride coated spacers for two-stage revision of infected total hip endoprostheses. GMS Krankenhhyg Interdiszip. 2011;6(1):Doc16. doi: 10.3205/dgkh000173.
  13. Gollwitzer H., Haenle M., Mittelmeier W., Heidenau F., Harrasser N. A biocompatible sol-gel derived titania coating for medical implants with antibacterial modification by copper integration. AMB Express. 2018;8(1):24. doi: 10.1186/s13568-018-0554-y.
  14. Mauerer A., Stenglein S., Schulz-Drost S., Schörner C., Taylor D., Krinner S. et al. Antibacterial Effect of a 4x Cu-TiO₂ Coating Simulating Acute Periprosthetic Infection-An Animal Model. Molecules. 2017;22(7):1042. doi: 10.3390/molecules22071042.
  15. Kim H.J., Lim H.S., Lee K.R., Choi M.H., Kang N.M., Lee C.H. et al. Determination of Trace Metal Levels in the General Population of Korea. 2017;14(7):702. doi: 10.3390/ijerph14070702
  16. Romero C.D., Sánchez P.H., Blanco F.L., Rodríguez E.R., Majem L.S. Serum copper and zinc concentrations in a representative sample of the Canarian population. J Trace Elem Med Biol. 2002;16(2):75-81. doi: 10.1016/s0946-672x(02)80032-3.
  17. Meyer T.J., Ranfall J., Thu P., Gadura N. Antimicrobial Properties of Copper in Gram-Negative and Gram- Positive Bacteria. Int J Pharmacol Pharmaceut Sci. 2015;9(3):274-278.
  18. Lemire J.A., Harrison J.J., Turner R.J. Antimicrobial activity of metals: mechanisms, molecular targets and applications. Nat Rev Microbiol. 2013;11(6):371-384. doi: 10.1038/nrmicro3028.
  19. Husain N., Mahmood R. Copper (II) generates ROS and RNS, impairs antioxidant system and damages membrane and DNA in human blood cells. Environ Sci Pollut Res Int. 2019;26(20):20654-20668. doi: 10.1007/s11356-019-05345-1.
  20. Tchounwou P.B., Yedjou C.G., Patlolla A.K., Sutton D.J. Heavy metal toxicity and the environment. Exp Suppl. 2012;101:133-164. doi: 10.1007/978-3-7643-8340-4_6.
  21. Linder M.C., Hazegh-Azam M. Copper biochemistry and molecular biology. Am J Clin Nutr. 1996;63(5):797S-811S. doi: 10.1093/ajcn/63.5.797.
  22. Linder M.C. Nutritional biochemistry of copper, with emphasis on the perinatal period. In: Avigliano L.A., Rossi L. (eds.) Biochemical Aspects of Human Nutrition. Trivandrum, Kerala, India: Transworld Research Network; 2010. p. 143-179.
  23. Itoh S., Ozumi K., Kim H.W., Nakagawa O., McKinney R.D., Folz R.J. et al. Novel mechanism for regulation of extracellular SOD transcription and activity by copper: role of antioxidant-1. Free Radic Biol Med. 2009;46(1):95-104. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2008.09.039.
  24. Tokar E.J., Diwan B.A., Waalkes M.P. Arsenic exposure transforms human epithelial stem/progenitor cells into a cancer stem-like phenotype. Environ Health Perspect. 2010;118(1):108-115. doi: 10.1289/ehp.0901059.
  25. Bergomi M., Rovesti S., Vinceti M., Vivoli R., Caselgrandi E., Vivoli G. Zinc and copper status and blood pressure. J Trace Elem Med Biol. 1997;11(3):166-169. doi: 10.1016/S0946-672X(97)80047-8.
  26. Ford E.S. Serum copper concentration and coronary heart disease among US adults. Am J Epidemiol. 2000;151(12):1182-1188. doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a010168.
  27. Salonen J.T., Salonen R., Korpela H., Suntioinen S., Tuomilehto J. Serum copper and the risk of acute myocardial infarction: a prospective population study in men in eastern Finland. Am J Epidemiol. 1991;134(3):268-276. doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a116080.
  28. Prinz C., Elhensheri M., Rychly J., Neumann H.G. Antimicrobial and bone-forming activity of a copper coated implant in a rabbit model. J Biomater Appl. 2017;32(2):139-149. doi: 10.1177/0885328217713356.
  29. Zapotoczna M., Riboldi G.P., Moustafa A.M., Dickson E., Narechania A., Morrissey J.A. et al. Mobile-Genetic-Element-Encoded Hypertolerance to Copper Protects Staphylococcus aureus from Killing by Host Phagocytes. mBio. 2018;9(5):e00550-00518. doi: 10.1128/mBio.00550-18.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Traumatology and Orthopedics of Russia

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».