Chronic Endotoxemia and Peculiarities of Systemic Inflammatory Response in Patients with Osteoarthrosis Requiring Primary Arthroplasty of Large Joints

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

INTRODUCTION: Infectious complications after the primary arthroplasty of large joints in patients with end-stage osteoarthrosis are often associated with self-opportunistic pathogenic microflora in cases of compromised immune response and systemic inflammatory reactions. Thus, the associated pathogenic mechanisms require additional study.

AIM: To examine the peculiarities of signs of endotoxemia and the severity of the systemic inflammatory response (SIR) in patients with osteoarthritis of large joints requiring primary arthroplasty.

MATERIALS AND METHODS: A total of 110 patients (67 women, 43 men, average age 49.2 years, age range 41.1–52.8 years) with stage III–IV primary osteoarthrosis of the knee joints and 30 healthy individuals (control group) (15 men, 15 women, average age 49.4 years, age range 37.2–53.1 years) were examined. Analyses were carried out on blood serum concentrations of the endotoxemia parameter lipopolysaccharide (LPS), acute-phase proteins (C-reactive protein [CRP]), lipopolysaccharide-binding protein (LBP), and markers of the proinflammatory activity of cytokine regulation system (interleukine-1β [Il-1β]) and activation of cell-mediated immunity (neopterin). Correlation relationships between the studied parameters were evaluated depending on the severity of the SIR.

RESULTS: Forty patients were identified (28 women, 12 men) to have signs of high inflammatory activity (CRP concentration ≥ 7.59 g/L and erythrocyte sedimentation rate ≥ 10 mm/h) and evident synovitis based on the ultrasound data of the joint. The parameters in this group were analyzed: LPS, 12.08 (10.77; 12.65) ng/mL; LBP, 26.31 (25.48; 27. 11) µg/mL; Il-1β, 8.4 (7.3; 8.7) pg/mL; and neopterin, 9.36 (8.58; 9.62) pg/mL. These values significantly (р < 0.05, Kruskal–Wallis test) exceeded the values in the moderate SIR activity and control groups. Correlation analysis (Spearman r-test) in patients with signs of enhanced inflammatory activity revealed a moderate positive relationship between LPS and CRP concentrations, and reduction of positive relationships between LPS and Il-1β and in LPS and LBP.

CONCLUSION: Impaired SIR with the underlying excessive proinflammatory activity of the cytokine regulation system, activation of the cell-mediated immunity, and systemic endotoxemia in patients with end-stage osteoarthrosis of large joints requires additional preoperative and postoperative monitoring. The results substantiate the necessity of a detailed investigation of endotoxemia as a probable component of the pathogenesis and sanogenesis of complications following the primary arthroplasty of large joints.

About the authors

Ekaterina V. Gladkova

Scientific Research Institute of Traumatology, Orthopedics and Neurosurgery of Razumovsky Saratov State Medical University

Author for correspondence.
Email: gladkova.katya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6207-2275
SPIN-code: 3837-3244

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Saratov

Irina V. Babushkina

Scientific Research Institute of Traumatology, Orthopedics and Neurosurgery of Razumovsky Saratov State Medical University

Email: 10051968@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6740-1050
SPIN-code: 8777-6795

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Saratov

Vladimir Yu. Ulyanov

Scientific Research Institute of Traumatology, Orthopedics and Neurosurgery of Razumovsky Saratov State Medical University

Email: v.u.ulyanov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9466-8348
SPIN-code: 8280-3339

MD, Dr. Sci. (Med.), Associate Professor

Russian Federation, Saratov

Irina A. Mamonova

Scientific Research Institute of Traumatology, Orthopedics and Neurosurgery of Razumovsky Saratov State Medical University

Email: mamonova.83@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-3941-4334
SPIN-code: 7957-2955

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Saratov

References

  1. Cherkasov MA, Tikhilov RM, Shubnyakov II, et al. The effectiveness of total hip replacement: how and when it should be assessed? Modern Problems of Science and Education. 2020;(5):115. Available at: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=30176. Accessed: 2021 May 12. (In Russ). doi: 10.17513/spno.30176
  2. Neuprez A, Neuprez AH, Kaux J–F, et al. Total joint replacement improves pain, functional quality of life, and health utilities in patients with late-stage knee and hip osteoarthritis for up to 5 years. Clinical Rheumatology. 2020;39(3):861–71. doi: 10.1007/s10067-019-04811-y
  3. Vorokov AA, Bortulev PI, Khaydarov VM, et al. Total hip and knee arthoplasty: on the issue of indications for surgery. Pediatric Traumatology, Orthopaedics and Reconstructive Surgery. 2020;8(3):355–64. (In Russ). doi: 10.17816/PTORS34164
  4. Khramov AE, Makarov MA, Makarov SA, et al. Sravnitel’nyy analiz infektsionnykh oslozhneniy endoprotezirovaniya tazobedrennogo i kolennogo sustavov u bol’nykh revmaticheskimi zabolevaniyami. In: IV Mezhdunarodnyy kongress assotsiatsii revmoortopedov: tezisy dokladov kongressa. Voronezh: Izdatel’sko-poligraficheskiy tsentr “Nauchnaya kniga”; 2020. P. 65–6. (In Russ).
  5. Babushkina IV, Bondarenko AS, Mamonova IA, et al. The role of microbial associations in the development of implant–associated infection after primary total knee replacement. Saratov Journal of Medical Scientific Research. 2018;14(3):492–7. (In Russ).
  6. Babushkina IV, Bondarenko AS, Shpinyak SP, et al. Obrazovaniye bioplenok enterobakteriyami pri infektsionnykh oslozhneniyakh endoprotezirovaniya krupnykh sustavov. In: Mikrobiologiya v sovremennoy meditsine: sbornik tezisov VII ezhegodnoy Vserossiyskoy zaochnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem. Kazan’: KGMU-KNIIEM; 2019. P. 24–6. (In Russ).
  7. Luo S, Shi Q, Chen J, et al. Expression and significance of MMPs in synovial fluid, serum and PBMC culture supernatant stimulated by LPS in osteoarthritis patients with or without diabetes. Experimental and Clinical Endocrinology & Diabetes. 2019;127(4):195–202. doi: 10.1055/s-0043-122223
  8. Gulneva MY, Malafeeva EV. Intestinal microbiota in elderly patients with osteoarthritis. Clinical Gerontology. 2020;26(5–6):17–21. (In Russ). doi: 10.26347/1607-2499202005-06017-021
  9. Zubova SV, Grachev SV, Prokhorenko IR. Uchastiye TRIF-zavisimogo puti v aktivatsii kletok vrozhdennogo immuniteta lipopolisakharidami raznoy struktury. In: 10-ya mezhdunarodnaya konferentsiya “Retseptory i vnutrikletochnaya signalizatsiya”; Pushchino, 20–24 May 2019. Pushchino; 2019. P. 25–30. (In Russ).
  10. Gomanova LI, Fokina MA. Contemporary Views of Pathogenetic Septic Shock Mechanisms. Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time. 2018;16(3–4). Available at: http://www.j-spacetime.com/2227-9490e-aprovr-e-ast16-3-4-2018-072.php. Accessed: 2021 May 12. (In Russ). doi: 10.24411/2227-9490-2018-12072
  11. Otdel’nova KA. Opredeleniye neobkhodimogo chisla nablyudeniy v sotsial’no-gigiyenicheskikh issledovaniyakh. Trudy II Moskovskogo meditsinskogo instituta. 1980;150(6):18–22. (In Russ).
  12. Baxter–Parker G, Roffe L, Cross S, et al. Knee replacement surgery significantly elevates the urinary inflammatory biomarkers neopterin and 7, 8-dihydroneopterin. Clinical Biochemistry. 2019;63:39–45. doi: 10.1016/j.clinbiochem.2018.11.002
  13. Hao X, Shang X, Liu J, et al. The gut microbiota in osteoarthritis: where do we stand and what can we do? Arthritis Research & Therapy. 2021;23(1):42. doi: 10.1186/s13075-021-02427-9
  14. Akashi S, Saitoh S–I, Wakabayashi Y, et al. Lipopolysaccharide interaction with cell surface Toll-like receptor 4-MD-2: higher affinity than that with MD-2 or CD14. The Journal of Experimental Medicine. 2003;198(7):1035–42. doi: 10.1084/jem.20031076
  15. Tripathy A, Khanna S, Padhan P, et al. Direct recognition of LPS drive TLR4 expressing CD8+ T cell activation in patients with rheumatoid arthritis. Scientific Reports. 2017;7(1): 933. doi: 10.1038/s41598-017-01033-7
  16. Fitzgerald KA, Kagan JC. Toll-like receptors and the control of immunity. Cell. 2020;180(6):1044–66. doi: 10.1016/j.cell.2020.02.041
  17. Huang ZY, Stabler T, Pei FX, et al. Both systemic and local lipopolysaccharide (LPS) burden are associated with knee OA severity and inflammation. Osteoarthritis and Cartilage. 2016;24(10):1769–75. doi: 10.1016/j.joca.2016.05.008
  18. Andryukov BG, Somovа LM, Drobot EI, et al. Defensive strategy of neutrophilic granulocytes against pathogenic bacteria. Health. Medical Ecology. Science. 2017;(1):4–18. (In Russ). doi: 10.5281/zenodo.345606
  19. Saleh LS, Carles–Carner M, Bryant SJ. The in vitro effects of macrophages on the osteogenic capabilities of MC3T3-E1 cells encapsulated in a biomimetic poly (ethylene glycol) hydrogel. Acta Biomaterialia. 2018;71:37–48. doi: 10.1016/j.actbio.2018.02.026
  20. Rajandran SN, Ma CA, Tan JR, et al. Exploring the association of innate immunity biomarkers with MRI features in both early and late stages osteoarthritis. Frontiers in Medicine. 2020;7:554669. doi: 10.3389/fmed.2020.554669
  21. Huang ZН, Perry E, Huebner JL, et al. Biomarkers of inflammation — LBP and TLR — predict progression of knee osteoarthritis in the DOXY clinical trial. Osteoarthritis and Cartilage. 2018;26(12):1658–65. doi: 10.1016/j.joca.2018.08.005

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2022 ООО "Эко-Вектор"


 


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».