µ-Computertomographie

Um das Ausmaß der Degradation der Eisenfolien im Zeitverlauf zu messen und zu visualisieren, wurden computertomographische Scans der Mäuseschwänze mit Implantat nach null (n = 1), drei (n = 3), sechs (n = 3) und neun (n = 4) Monaten durchgeführt, das Volumen der einzelnen Folien vermessen (Tab.12) und deren Abmessungen bestimmt. Eine Übersichtsdarstellung der einzelnen Bilder nach den verschiedenen Zeitpunkten findet sich im Anhang Abbildung III.

Tabelle 12: Volumen (mm³) und Abmessung (mm) der einzelnen Eisenfolien sofort nach der Implantation (0 Monate) sowie drei, sechs und neun Monate nach der Implantation.

Tierbezeichnung Volumen der Eisenfolie Abmessungen der Folie

0 Monate 0,5973 1,28 x 1,00 x 4,78

3 Monate I 0,3987 1,28 x 1,00 x 3,88

3 Monate II 0,3336 1,24 x 1,64 x 5,67

3 Monate III Tape defekt arithmetisches Mittel 0,3662

6 Monate I 0,3235 1,40 x 1,24 x 4,59

6 Monate II 0,1363 1,68 x 1,32 x 2,68

6 Monate III 0,2423 1,16 x 1,24 x 5,40

arithmetisches Mittel 0,2340

9 Monate I 0,3067 1,64 x 1,24 x 5,40

9 Monate II Tape defekt

9 Monate III 0,1940 1,44 x 1,24 x 5,75

9 Monate IV 0,2540 1,32 x 1,24 x 6,05

arithmetisches Mittel 0,2516

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - ERGEBNISSE

Die sofort nach der Implantation untersuchte Eisenfolie (0 Monate) stellte sich als längliche, spiralig gerollte, parallel zu den Schwanzwirbeln gelegene Röhre dar. Die Länge betrug 4,78 mm, die Breite 1,28 mm und die Tiefe von 1,00 mm. Das Volumen der untersuchten Folie betrug 0,5973 mm³. Die einzelnen Schichten der Rolle lagen dicht beieinander und waren gut voneinander abgrenzbar (Abb. 36). Die Kanten zeigten leichte Einkerbungen. Die Oberfläche war leicht uneben und im kaudalen Drittel der Folie geringgradig porös. Das Lumen der Folie war in den ersten acht Bildern zuerst verschlossen (Abb. 36), danach ca. in 160 Bildern offen (Abb. 37) und in den letzten 20 Bildern wieder verschlossen (Abb. 38).

Abbildung 36: µ-computertomographische Aufnahme der Eisenfolie im Mausschwanz direkt nach der Implantation. In den ersten acht Bildern der µ-CT-Scans war die Folie verschlossen.

Abbildung 37: µ-computertomographische Aufnahme der Eisenfolie im Mausschwanz direkt nach der Implantation. Über 160 Bilder war das Lumen der Folie offen.

Abbildung 38: µ-computertomographische Aufnahme der Eisenfolie im Mausschwanz direkt nach der Implantation. Im caudalen Drittel der Folie war das Lumen über 20 Bilder wieder verschlossen.

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - ERGEBNISSE

Drei Monate nach der Implantation der Eisenfolien wurden bei drei Tieren µ-CT-Scans durchgeführt. Die erste untersuchte Folie nach drei Monaten (3 Monate I) hatte eine Länge von 3,88 mm, eine Breite von 1,28 mm und eine Tiefe von 1,00 mm. Das Volumen betrug 0,3987 mm³. Die Oberfläche zeigte sich deutlich porös. Die Außenkante der Folie war uneben. Im kranialen Teil der Folie war die Spirale etwas ausgestülpt, im kaudalen Teil waren die Grenzen des Implantates nicht erkennbar.

Die einzelnen Schichten der Folie waren sehr gut voneinander abgrenzbar (Abb. 38).

Beim zweiten untersuchten Tier (3 Monate II) lag die Folie ebenfalls parallel zu den Wirbelkörpern. Sie besaß eine Länge von 5,67 mm, eine Breite von 1,24 mm und eine Tiefe von 1,64 mm. Das Volumen betrug 0,336 mm³. Die Oberfläche war deutlich porös und die Außenkante wies leichte Einkerbungen auf. Es befand sich ebenfalls eine leichte Ausstülpung am kranialen Pol der Folie.

Beim dritten untersuchten Tier nach drei Monaten (3 Monate III) konnte die Eisenfolie aufgrund eines defekten Magnettapes nicht am Computertomographen berechnet werden. Das Vermessen der Einzelbilder am Computer ergab eine Länge von 5,20 mm und eine Breite von 1,28 mm und eine Tiefe von 1,00 mm. Die Folie wies eine minimale Dislokation nach rechts ventral auf und war in sich etwas gekrängt.

Abbildung 39: µ-computertomographische Aufnahme der Mausschwänze mit Eisenfolien drei Monate nach Implantation. Die einzelnen Schichten der Folie waren im Querschnitt gut zu erkennen.

Beim ersten der drei Tiere nach sechs Monaten (6 Monate I) besaß das Implantat eine Länge von 4,59 mm, eine Breite von 1,40 mm und eine Tiefe von 1,24 mm. Das Volumen betrug 0,3235 mm³. Die Folie war deutlich porös, in der kaudalen Hälfte stärker als in der kranialen. Sie wies im kaudalen Bereich stellenweise eine leichte Transparenz auf. Der Außenrand war nicht durchgängig erkennbar und wirkte, wenn erkennbar, in Relation zur Drei-Monatsgruppe verdickt.

Das Implantat des zweiten Tieres nach sechs Monaten (6 Monate II) war 2,68 mm lang, 1,68 mm breit sowie 1,32 mm tief und besaß ein Volumen von 0,1363 mm³.

Hier zeigte sich sowohl im kaudalen, wie auch im kranialen Bereich eine leichte Transparenz der Oberfläche, während der ventrale Teil des mittleren Drittel der Folie noch sehr kompakt und eben war. Vor allem im kaudalen Bereich lagen Folienfragmente außerhalb der Foliengrenzen. Die Außenkante war nicht erkennbar (Abb. 40).

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - ERGEBNISSE

Das dritte Implantat (6 Monate III) war 5,40 mm lang, 1,16 mm breit und 1,24 mm tief. Das Volumen ergab 0,2423 mm³. Die Grenzen des Implantates waren klar erkennbar, jedoch zeigte sich eine regelmäßige leichte Transparenz über die gesamte Länge. Außerhalb des kranialen und kaudalen Pols lagen kleine Folienfragmente. Im kaudalen Bereich des gescannten Schwanzausschnittes war eine Veränderung im Bereich Knochen-/Implantatsgrenze zu beobachten (Abb. 41).

Abbildung 40: µ-computertomographische Aufnahme sechs Monate nach Implantation der Eisenfolien. Eine Schichtung ist nicht mehr zu erkennen.

Folienfragmente liegen außerhalb der Foliendurchmesser.

Abbildung 41: µ-computertomographische Aufnahme eines Tieres nach sechs Monaten (III). Veränderungen im Bereich Knochen-/Implantatsgrenze (Pfeil).

Neun Monate nach der Implantation wurden vier Tiere untersucht. Die Eisenfolie von Tier I wies eine Länge von 6,27 mm, eine Breite von 1,64 mm und eine Tiefe von 1,20 mm auf. Das Volumen betrug 0,3067 mm³. Die Eisenfolie war vor allem im kaudalen und im ventralen Bereich deutlich porös. An zwei Stellen war eine Frakturierung zu sehen (Abb. 41). Die Außenkante der Eisenfolie ließ sich nur im kranialen Bereich noch erkennen und war deutlich verdickt. Im Querschnitt war eine Schichtung der Folien nicht mehr zu erkennen (Abb. 42).

Das Implantat vom zweiten Tier (9 Monate II) ließ sich aufgrund eines defekten Magnettapes nicht genau vermessen, besaß aber am Computer eine Länge von ca.

4,80 mm, eine Breite von ca. 1,00 mm und eine Tiefe von ca. 1,24 mm. Die Folie wies über die gesamte Länge eine durchscheinende Porosität auf, wobei das

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - ERGEBNISSE

kaudale Ende ausgestülpt war. Auch in diesem Präparat zeigte sich im kaudalen Bereich eine Frakturierung.

Das dritte Implantat wies eine Länge von 5,75 mm auf, eine Breite von 1,44 mm und eine Tiefe von 1,24 mm auf. Das Volumen betrug 0,1940 mm³. Die Grenzen der Eisenfolie waren nicht mehr erkennbar, es kam zu einem totalen Verlust der Strukturintegrität auf der gesamten Länge des Implantates (Abb. 43).

Das vierte Implantat hatte die Ausmaße 6,05 mm in der Länge, 1,32 mm in der Breite und 1,24 mm in der Tiefe. Das Volumen betrug 0,2540 mm³. Auch bei dieser Folie kam es zu einem kompletten Verlust der Integrität.

Abbildung 42: µ-computertomographische Aufnahme eines Tieres neun Monate (9 Monate I) nach Implantation. Frakturierung der Eisenfolie an zwei Stellen (Pfeile).

Abbildung 43: µ-computertomographische Aufnahmen neun Monate nach Implantation (9 Monate I) im Querschnitt. Die einzelnen Schichten der Folie waren nicht mehr intakt.

Abbildung 44: µ-computertomographische Aufnahme eines Tieres neun Monate (9 Monate III) nach Implantation. Totaler Verlust der Strukturintegrität der Eisenfolie neun Monate nach Implantation.

DISKUSSION

5 Diskussion

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind ein Hauptproblem im Gesundheitssystem der westlichen Welt (TOUCHARD u. SCHWARTZ 2006). Koronare Herzkrankheiten sind die Haupttodesursache in den USA, der Europäischen Union und in Kanada (PERKINS 2010). Es gibt eine Vielzahl von kardiovaskulären Implantaten aus verschiedenen permanenten oder resorbierbaren Werkstoffen für verschiedene Indikationen. Nach dem Einsatz von permanenten Implantaten kommt es oft zu Komplikationen, und eine möglicherweise erneute Applikation von Implantaten in derselben Region wird erschwert. Deshalb wurde in den vergangenen Jahren nach einem resorbierbaren Material geforscht, das sich nach Therapie des behandelten Gefäßes auflöst, ohne weitere lokale oder systemische Schäden hervorzurufen (BRATLIE et al. 2010). Ein viel versprechender Werkstoff dafür ist Reineisen, ein im Organismus natürlich vorkommendes, gut erforschtes Element, das als Legierung eine gute Stabilität besitzt und vergleichsweise langsam degradiert (PEUSTER et al.

2001a; PEUSTER et al. 2006a, b).

Die ISO EN 10993 ist eine Richtlinie, die für bestimmte Anwendungen Prüfungen zur biologischen Beurteilung von Medizinprodukten empfiehlt. Für kardiovaskuläre Implantate wird u. a. die Prüfung von Materialien an Zellkulturen, die subkutane Implantation des Materials und die Implantation in einem anwendungsnahen Modell angeraten. Die ersten beiden Modelle sind zur Auswahl von Kanditatenmaterialien sinnvoll, können aber trotz der Vielfalt an möglichen Untersuchungen keine Prognosen über die langfristigen Blut- und Gewebe-Implantat-Interaktionen bei langem oder permanentem Kontakt geben. So unterscheidet sich das Degradationsverhalten eines Werkstoffes in vivo mitunter stark von dem in Zellkulturen oder physiologischen Medien festgestellten (PEUSTER et al. 2001a). An Magnesiumimplantaten konnte gezeigt werden, dass die Degradation metallischer

Werkstoffe nicht nur abhängig von der Masse und der Oberfläche des Implantates ist, sondern auch von der Art des Gewebes, in das implantiert wurde (WITTE 2010).

Dies zeigt die Notwendigkeit eines speziellen vaskulären Tiermodells zur Evaluierung von kardiovaskulären Implantaten.

Daher war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, ein einfaches, präklinisches Modell zur vaskulären Biokompatibilitätsprüfung biodegradierbarer Materialien zu entwickeln. Es wurde eine einfache Implantatgeometrie in Form einer spiralig gerollten Folie verwendet, um die technischen Anforderungen in dieser frühen Phase der Werkstoffprüfung gering zu halten. Dafür wurden Mäusen manuell gerollte Eisenfolien in die ventrale Schwanzvene implantiert. Die Biokompatibilität wurde histologisch post mortem bei insgesamt 15 Tieren nach drei, sechs und neun Monaten sowie drei Kontrolltieren untersucht. Dabei wurden das Verhältnis des Lumens des implantierten Gefäßes zum nativen Gefäß, das Ausmaß der Entzündung und das Ausmaß der Degradation der Eisenfolien untersucht. Zehn Tiere der 9-Monatsgruppe wurden im Vergleich zu acht Kontrolltieren molekularbiologisch untersucht, indem ihre markierte mRNA auf einem, das gesamte Mausgenom enthaltenden Genchip hybridisiert und der Gehalt der mRNA quantifiziert wurde. Eine Untersuchung der Degradation der Eisenfolien erfolgte durch Anfertigung von µ-Computertomogrammen von kompletten Mausschwanzabschnitten mit Implantaten.

5.1. Herstellung der Eisenfolienimplantate und Implantation

In dieser Arbeit sollte ein einfaches Modell zur Testung intravaskulärer degradierbarer Implantatmaterialien entwickelt werden. Eine aufwendige Implantatherstellung ist in solch einem frühen Stadium der Testung jedoch nicht nötig (MANI et al. 2007). Daher wurde versucht, mit möglichst geringem technischem Aufwand die Eisenfolien manuell herzustellen. Nur in einem Fall zeigte sich in µ-CT-Aufnahmen nach sechs Monaten ein deutlich von der Morphologie der anderen Folien abweichendes

DISKUSSION

Implantat, was durch den Herstellungsprozess hervorgerufen sein könnte. Allerdings ist ursächlich auch eine Frakturierung durch Korrosion mit anschließender Embolisation des Implantates möglich. Ansonsten zeigten alle Eisenfolien nach ihrer unmittelbaren Herstellung sowie in den post mortem angefertigten µ-CT-Aufnahmen eine ähnliche Morphologie in ihren Abmessungen und ihrer spiraligen Form. Damit zeigte sich die gewählte Form als ausreichend für die durchgeführten Untersuchungen.

Die Implantation verlief in allen Fällen ohne Probleme. Nur bei einem Tier war die Folie nach neun Monaten deutlich disloziert. Die Ursachen hierfür sind ungeklärt, eine Verschiebung des Implantates durch mechanische Einwirkung, z. B. durch Handling durch die Pflegepersonen oder Automutilation sind möglich. Dieses Implantat wurde von weiteren Untersuchungen ausgenommen. Durch die Implantation am Schwanz, einem gut zugänglichen Teil der Maus war eine zusätzliche Visualisierung des Implantationsortes im Beobachtungszeitraum möglich, sodass extreme Reaktionen auf den Implantatwerkstoff sofort aufgefallen wären. Die von ALI et al. (2007) formulierten Anforderungen an ein Testmodell, das ein einfaches Operationsverfahren umfasst, das durch einen einzelnen Operateur durchzuführen ist, leicht zu erlernen ist und eine hohe prozedurale Erfolgsrate besitzt, wären damit erfüllt.