Sex and Risk of Hip Implant Failure

34
Sex and Risk of Hip Implant Failure: assessing the role of sexassociated biomarkers Lisa Torosyan, MD, PhD Division of Epidemiology, OSB/CDRH CDRH Health of Women (HoW) Program Launch June 25, 2013

Transcript of Sex and Risk of Hip Implant Failure

Sex and Risk of Hip Implant Failure:  assessing the role of sex‐associated biomarkers

Lisa Torosyan, MD, PhDDivision of Epidemiology, OSB/CDRH

CDRH Health of Women (HoW) Program Launch June 25, 2013

Copyright ©

2012 American Medical Association. All rights reserved.

Sex and Risk of Hip Implant Failure:

Assessing Total Hip Arthroplasty Outcomes in the United States. Inacio et al. JAMA Intern Med. 2013;173(6):435-441.

Figure. Kaplan-Meier survival plot of primary total hip arthroplasty survival by sex. Log rank P

=

.005. Shaded areas: 95% CIs.

• Kaiser Permanente 

Total Joint 

Replacement Registry: ‐

35

140 operations ‐

46 medical centers ‐

319 surgeons

• Revision rates at 

median follow‐up 

of 3 years:

F 2.3% 

M 1.9% 

• When controlling for 

potential confounders, 

RR for women:

1.23 to 1.30

Gender‐dependent  

reasons for revision:

•Aseptic revision:

F 0.57    M 0.44

•Aseptic loosening:

F 8.1%   M 14.7%

Sex and Risk of Hip Implant Failure:

Assessing Total Hip Arthroplasty Outcomes in the United States. Inacio et al. JAMA Intern Med. 2013;173(6):435-441.

More evidence on the sex‐dependent factors underlying MoM 

THA failure

Various sex ratio in THA patients with aseptic loosening: Prosthesis? Patient demographics? 35,140 THAs:

F 8.1% vs.

M 14.7% P = .006   (Inacio et al 2013)1589 THAs:    F 4.3% vs.

M 1.1%   P = .0006 (Latteier et al 2011) 2049 THAs:    F 3.8% vs.

M 0.9%   P = .002   (Berend et al 2012)

Risk factors for aseptic loosening following THA MacInnes et al., Recent Advances in Arthroplasty, published online Jan 2012

• Patients vary in their 

osteolytic response to 

particulate wear debris

• In‐vitro macrophage 

responsiveness to particulate 

debris varies between 

individuals

• PBMCs taken from patients 

with a susceptibility to 

osteolysis exhibit greater 

cytokine responses

• Genetically‐determined 

susceptibility and variable 

responsiveness to THA AE 

Degree of wear        degree of aseptic loosening !

Wear debris or much more ?...

Currently identified candidate  biomarkers for aseptic loosening 

following THA

GNAS1 as a sex‐related candidate  biomarker for aseptic loosening

• TT‐FEMALES: longer time to aseptic loosening compared to TC+CC (P = 0.022) 

• CC‐MALES: longer time to loosening than TC and TT carriers (P = 0.018, P = 0.023), and 

>11‐fold lower risk of loosening, HR 0.088 (95% CI: 0.02–0.50; P =0.006)

Gene Allele (MA)

Population MAF (95% CI)

White/ Caucasian MAF (95% CI)

White Hispanic MAF (95% CI)

Black African American MAF (95% CI)

Asian Hmong MAF (95% CI)

American Indian MAF (95% CI)

P value

GNAS C(T) 0.480 0.475-0.485

0.477 0.472-0.482

0.575 0.527-0.623

0.700 0.610-0.790

0.606 0.536-0.676

0.545 0.492-0.598 <0.0001

rs7121 20q13.3 GNASGeneID: 2778

Obesity, Cancer, ASEPTIC LOOSENING ?

GNAS1 rs7121:sex and ethnicity associations 

Cross et al. BMC Genet 2010 

1000 Genome project, Ensemble: 

Caucasians – T allele; Asians – C allele

Population Genetics of GNAS1 rs7121 variance

> T‐allele in AFRICANS

> C‐allele in 

EUROPEANS

GNAS1 as an example of  putative sex/ethnicity‐related genetic 

biomarkers for THA AE

Epidemiologic evidence:

A higher rate for revision due to aseptic loosening was found in

female THA patients 

predominantly of Caucasian/European descent.

Genetic evidence:

GNAS1 rs7121 was identified as an independent factor determining

time to early 

loosening following THA

Synthesis of epidemiologic and genetic evidence on GNAS1 rs7121 could provide 

explanation for the higher risk of aseptic loosening in female THA patients in the 

US:

A majority of THA patients are of European/Caucasian descent and, therefore, are expected 

to carry the C‐allele associated with more  favorable prognosis only in male THA patients;

Only patients of Asian, Hispanic, and especially African descent

are expected to carry the 

T‐allele which was associated with more favorable prognosis in female THA patients.

SUMMARYDespite the enormous success of THA, patients face a number of 

potential complications, many of them sex‐dependent.

Further studies on discovery of molecular signatures associated with  unfavorable outcomes can clarify the reasons for variable individual 

susceptibility to THA AE.  

Biomarker‐based noninvasive diagnostic tests can enable early  detection and therapeutic management of undesired THA outcomes in 

sex‐, age‐, and ethnicity‐stratified patient subpopulations.

THANK YOU !

Questions or Comments?

[email protected]

ADDITIONAL SLIDES

Copyright ©

2012 American Medical Association. All rights reserved.

F vs. M:

•Women patients with THA were older 

than men

•The race‐related gender difference 

was found only in THA patients of Asian 

decent:   

F 4.1% vs.

M 2.7% 

The following diagnoses were more 

frequent in female THA patients:

•Osteoarthritis, the major underlying 

cause fro THA•Rheumatoid arthritis•Dysplasia

Sex and Risk of Hip Implant Failure:

Assessing Total Hip Arthroplasty Outcomes in the United States. JAMA Intern Med. 2013;173(6):435-441.

F vs.

M: •smaller femoral heads•more metal on XLPE 

implants •less MoM bearings•more frequent use of 

hybrid rather than 

cementless fixation

Even after statistically 

controlling for head 

sizes, women had a 

15% higher risk of 

revision.

Sex and Risk of Hip Implant Failure:

Assessing Total Hip Arthroplasty Outcomes in the United States. JAMA Intern Med. 2013;173(6):435-441.

Copyright ©

2012 American Medical Association. All rights reserved.

• 1589 primary MoM THA in 1363

patients, follow‐up ‐

60 months• Complications observed more frequently in women: 

• cup revision (8.2% vs. 2.7%; P = .0000);• aseptic loosening (4.3% vs. 1.1%; P = .0006), similar to the analysis of 2049 

THAs by Berend 2012: (3.8% vs. 0.9%, P = .002); and 

• failure for metal‐bearing complications (2.2% vs. 0.6%; P = .0126).

Additional sex‐related differences:•Smaller cups and heads in women compared to men, but no significant difference in 

size between failures and non‐failures in women.•A higher inclination angle in women compared to men, but no significant difference in 

the inclination angle in failures vs. non‐failures in women.•Higher inclination angles in male failures due to metal complications, and a failure 

increase with an inclination angle >45° only in men. •The need for further investigation of sex‐specific factors in THA failure

• The failure of MOM implants was almost twice as high for  women than men, which is consistent with data from the  England and Wales registries (5.1% vs 3.7% at 5 years) and  from a smaller US study (8.2% vs 2.7% at 2 years, Latteier 

et al, 2011).• NJR of England and Wales: higher occurrence of implant 

failure in women with MoM implants after adjusting for  age and femoral head size  (Smith et al. Lancet 2012). 

• Data on the risks and benefits of THA devices for women  and men could allow better informed choices for the more 

than 300

000 US patients undergoing THA annually, thus  reducing the need for revision surgery and its concomitant 

risk of myocardial infarction

Cross et al. BMC Genet. 2010; 11: 51. 

Population based allele frequencies of disease associated polymorphisms in 

the Personalized Medicine Research Project

• The allele frequencies for a panel of disease‐ associated 51 polymorphisms were determined 

within the entire Personalized Medicine Research  Project population based cohort. 

• Differences in allele frequencies between self  reported race, region of origin, and sex were 

determined.• One of the three genes that exhibited sex 

differences was GNAS.• GNAS was associated with different responses to 

hip arthroplasty. 

Ethnic composition in Iowa vs. USA

GNAS, rs7121 (1000 genomes, fragment)

• Areas of agreement SNPs overexpressed in patients with aseptic loosening and 

periprosthetic osteolysis:– GNAS1– TNF‐238 A allele; TNF‐α

promoter (‐308G→A) transition– IL6‐174 G allele, IL6 (‐597) and (‐572)– MMP‐1‐promoting gene, C/C genotype for the MMP1, MT1‐MMP, MMP‐2– TGFB1 signal sequence (29T→C) transitions– A/A genotype for the OPG‐163, and MBL 

He et al. International Orthopaedics  (SICOT) (2013) 37:1025–1031

• Despite the enormous success rates of hip  arthroplasty, patients face a number of potential 

complications• Osteolysis and subsequent aseptic joint loosening is 

the most common reason for joint revision• Diagnostic and prognostic biomarkers have the 

potential:– to provide an early, accurate, and noninvasive diagnosis of 

these undesired outcomes as well as help design  interventions to prevent some of these complications, 

especially AL.– Plasma level of multiple biomarkers in THA patients with 

prosthetic AL were elevated compared to healthy controls  and .

• 57 German Caucasian patients with revision for aseptic loosening

after THA• T393C polymorphism in GNAS1, the gene coding for the stimulatory

Gas subunit, a ubiquitous AMP‐

dependent G‐protein contributing to bone physiology 

• Gas/cAMP pathways are involved in:– parathyroid hormone‐mediated osteoblastogenesis;– bone disorders such as McCune‐Albright syndrome, Albright hereditary osteodystrophy, and 

functional defects of osteoblasts;

– IL6 activation in osteoblasts, macrophages and osteoclasts. • FEMALES: median time to aseptic loosening was not significantly associated with single T393C genotypes, 

but it was longer in TT carriers compared to TC+CC genotypes (P = 0.022). 

• MALES: the CC carriers had longer time to loosening than TC and TT carriers (P = 0.018, P = 0.023), and the 

CC genotype showed a more than 11‐fold lower risk of loosening, with a hazard ratio of 0.088 (95% CI: 

0.02–0.50; P =0.006).

• Compared with T393 homozygous males (reference group), heterozygous patients had a 6.25‐fold lower 

risk with a hazard ratio of 0.160 (95% CI: 0.04–0.71; P =0.016).

• T393C polymorphism may have gender‐dependent effects on the aseptic loosening after THA. More 

favorable prognosis is suggested for males with CC‐genotype and  females with TT‐genotype.

The C‐allele of the GNAS genetic variance (rs7121)  could have co‐modifying effect on the obesity and  aseptic loosening in female patients with THA

Hahn S, Frey UH, Siffert W, Tan S, Mann K, Janssen OE. The CC genotype of 

the GNAS T393C polymorphism is associated with obesity and insulin 

resistance in women with polycystic ovary syndrome.

Eur J Endocrinol.

2006, 

155:763‐70.  

•Case control study of 278 German women with poly cystic ovary syndrome 

and 820 controls.  

•The C allele of the GNAS1 polymorphism T393C (rs7121) was associated with 

a higher mean body weight, a higher BMI and a higher indices of insulin 

resistance compared to women without a C allele.

Individual susceptibility to periprosthetic osteolysis is associated with altered 

patterns of innate immune gene expression in response to pro‐inflammatory 

stimuli. Gordon et al. J Orthop Res.

2010;28(9):1127‐35. (UK)

See also Gordon’s publications on SNP analysis in hip arthroplasty

(Gordon et al. 2008, ref.61, from MacInnes’

Risk factors for asept loos., not found) 

Abstract Susceptibility to osteolysis after total hip arthroplasty (THA) varies between individuals. We 

examined whether patients susceptible to osteolysis (group I, n = 34 subjects) after cemented Charnley 

THA have quantitatively different innate immune responses to pro‐inflammatory stimuli versus patients 

without this susceptibility (group II, n = 28 subjects) at a mean of 14 years after primary surgery. 

Extracted peripheral blood mononuclear cells were stimulated for

3 h using endotoxin (LPS, 100 

ng/mL), endotoxin‐stripped titanium particles (Ti) or endotoxin‐stripped particles with adherent LPS 

added‐back (TI + LPS). Subjects returned 1 week later and the experimental protocol was repeated. 

Assays for mRNA induction for interleukin (IL)‐1alpha, IL‐1beta, IL‐1Ra, IL‐6, IL‐10, IL‐18, and tumor 

necrosis factor (TNF) were made using quantitative real‐time PCR. Although baseline levels of mRNA 

expression were slightly lower in group I, inducibility of mRNA expression was markedly greater in 

group I versus group II for all cytokines in response to LPS or Ti + LPS, and for IL‐1alpha in response to Ti 

(P < 0.05). LPS or Ti + LPS stimulation also resulted in an increase in the IL‐1/IL‐1Ra mRNA ratio in group 

I versus group II (P < 0.05). mRNA induction was highly reproducible between subject visits (r > 0.7, P < 

0.001). Osteolysis‐susceptible patients show repeatable, quantitatively different patterns of innate 

cytokine gene expression in response to pro‐inflammatory stimuli versus THA patients who do not 

display this susceptibility. These innate immune differences may

contribute to the variation in 

osteolysis‐susceptibility observed clinically between individuals.

Suggestion: development of in vitro diagnostic/prognostic test for early detection and monitoring of 

the proinflammatory immune response based on cytokine production

in hip transplant patients

Risk factors for aseptic loosening following total hip arthroplasty (MacInnes et al., from a book:

Recent Advances in Arthroplasty, pp.275‐294, published online Jan 2012)

Risk factors for aseptic loosening following total hip arthroplasty (MacInnes et al., from a book:

Recent Advances in Arthroplasty, pp.275‐294, published online Jan 2012)

Biologic effects of implant debris, 

as reviewed in 

Hallab and Jacobs, 2009  • Immune reactivity depends on:

– the dose, i.e., the concentration of 

phagocytosable

particles per tissue 

volume, which can be characterized by the 

size distribution and amount of debris;– the shape: elongated  particles (fibers) are  

generally more proinflammatory than 

round particles; – the material: metal particles are more 

proinflammatory than polymers in vivo.

• Although to produce an in vitro

inflammatory 

response, particles need to be <10µm, i.e., 

phagocytosable,

both soluble and particulate 

debris derived from Co‐Cr‐Mo alloy implants can 

induce monocyte/macrophage activation and 

secretion of proinflammatory cytokines (IL1beta, 

TNFalpha, IL6, IL8) by upregulating NFkB and 

activating inflammasome danger signaling. 

• Identification of new pathways of implant debris‐

induced inflammatory reactions, such as 

activation of inflammasome‐mediated “danger 

signaling”, provides new targets for improved 

implant performance and therapeutic 

intervention.

NALP3=NLRP3=PYPAF1=CIAS1 and genetic autoinflammatory syndromes,

or 

Why NALP3 can mediate unprovoked systemic inflammation 

which involves CNS, skin and joint and bone tissues • This protein interacts with ASC, which contains a caspase 

recruitment domain, and is a member of the NALP3 

inflammasome complex. This complex functions as an upstream 

activator of NF‐kappaB signaling, and it plays a role in the 

regulation of inflammation, immunity, and apoptosis. 

• Mutations in this gene are associated with the cryopyrin‐

associated periodic syndromes: 

familial cold autoinflammatory syndrome (FCAS), 

Muckle‐Wells syndrome (MWS), 

chronic infantile neurological

cutaneous and articular

(CINCA) 

syndrome, and 

neonatal‐onset multisystem inflammatory disease (NOMID). 

• NOMID/CINCA

(or Prieur‐Griscelli syndrome) causes 

uncontrolled inflammation including severe arthritis

and 

neurologic

damage which may lead to the hearing loss.  Joint 

signs (35‐65%) can lead to unpredictable anomalies of growth 

cartilage and long bones epiphyses suggestive of a

pseudotumour. Biopsy of skin lesions shows a perivascular 

inflammatory infiltrate including granulocytes. 

• NOMID has been successfully treated with anakinra (IL1‐

receptor antagonist).

• Activated NLRP3 inflammasome in mouse model caused 

inflammation and abnormal skeletal development including 

accelerated bone resorption and increased osteoclastogenesis 

(Bonar et al. PLoS One 2012).http://a248.e.akamai.net/7/248/432/20101213115940/www.msdlatinamerica.com/

ebooks/ArthritisAlliedConditions/files/3b147cc82a21e2ab889fd76b34f4c516.gif

NOMID/CINCA symptoms which are similar to various clinical features attributed to the 

metallosis

in hip transplant patients