Entwicklung, Evaluierung und Validierung einer Vorrichtung zum Schnellverschluss von Gefäßpunktionen nach perkutanen transluminalen, kardiologischen und radiologischen Eingriffen

Biesinger, Jakob (2016): Entwicklung, Evaluierung und Validierung einer Vorrichtung zum Schnellverschluss von Gefäßpunktionen nach perkutanen transluminalen, kardiologischen und radiologischen Eingriffen. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

In dieser präklinischen Machbarkeitsstudie wurden zunächst zahlreiche In-vitro-Tests durchgeführt, in denen die Materialauswahl, das Design, die Hämokompatibilität und auch die Handhabbarkeit mehrerer, in Zusammenarbeit zwischen dem UKT (Universitätsklinikum Tübingen) und dem ITV (Institut für Textil- und Verfahrenstechnik) in Denkendorf (Projektpartner) entwickelter Varianten eines neuartigen arteriellen Verschlusssystems überprüft wurden. Im Anschluss wurde vom ITV auf der Grundlage der Erkenntnisse der In-vitro-Tests ein Verschlusssystem-Prototyp des Applikators mit Verschlussstopfen (bestehend aus einem hochelastischen und resorbierbaren Spezialpolymer) hergestellt. Dieser Verschlusssystem-Prototyp wurde anschließend erstmalig im Rahmen dieser Pilotstudie in vivo in einem Schafmodell eingesetzt. Dadurch sollten sowohl die Praktikabilität als auch die biokompatiblen Eigenschaften des Devices gezeigt werden und erste Hinweise auf die Sicherheit und die Effektivität des neu entwickelten Devices gewonnen werden. Im Zuge der In-vitro-Tests wurde zunächst das Spann- und Rückstellverhalten von zehn sich in ihrer Materialzusammensetzung unterscheidenden Verschlussstopfen beim Einzug in einen Testapplikator bewertet. Sechs der zehn Materialien wurden anschließend aufgrund ihrer geeigneten Spann- und Rückstellkraft für weitere In-vitro-Tests herangezogen. In einem weiteren In-vitro-Versuch wurden sechs verschiedene Stopfen aus unterschiedlichen Materialien in einem Schweineaorten-Flussmodell implantiert und hinsichtlich ihrer Verankerung in der Gefäßwand bewertet. Dabei zeigte nur der Stopfen mit dem Material MEUV 12 eine unzureichende Verankerung. Aufgrund der Ergebnisse der ersten beiden Tests wurde eine Vorauswahl getroffen und mit je drei Stopfen von sechs unterschiedlichen Materialien (MEUV 7, MEUV 11, MQ 3, MQ 2, MQ 3 violett, MQ 2 violett) eine Hämokompatibilitätsprüfung durchgeführt. Zunächst wurden dazu die Verschlussstopfen 90 Min. bei 37° Celsius in leicht heparinisiertem (1 IU pro ml Blut) humanen Vollblut auf einer Rocking Platform inkubiert. Im Anschluss erfolgte die Bestimmung der Konzentrationen der Hämokompatibilitätsparameter im Probenblut. Dabei diente der Thrombin-anti-Thrombin-Komplex (TAT) als Marker für die Koagulation, der terminale Komplementkomplex (SC5b-9) als Marker für die Aktivierung des Komplementsystems, die PMN-Elastase als Hinweisgeber für eine Aktivierung von Leukozyten und β-Thromboglobulin als Marker für die Aktivierung von Thrombozyten. Darüber hinaus wurden auch die Erythrozyten-, Leukozyten- und Thrombozytenzahlen bestimmt. Dabei konnte bei keinem der Verschlussstopfen nach 90-minütiger Inkubation eine signifikante Differenz zur Kontrollgruppe (Blut ohne Stopfen) festgestellt werden. Die dennoch feststellbaren Differenzen zwischen den Baseline-Werten (Probenblut nicht inkubiert) und den Werten nach den Inkubationen waren auf modellinduzierte Backgroundaktivierungen zurückzuführen. Diese Ergebnisse deckten sich auch mit der nach der Inkubation durchgeführten rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung der Verschlussstopfen, an denen meist nur eine lokale Adhäsion von Thrombozyten, Erythrozyten, Fibrinfäden und Leukozyten festgestellt werden konnte. Außerdem wurden in weiteren Versuchen mit Schweineaorten-Modellen sich in der Anzahl ihrer Flügel oder in der Winkelung ihrer Grundköper unterscheidende Verschlussstopfen getestet. Dabei kam es während der Testung bei einem der 6-flügligen Stopfen zum Abbruch eines Flügels. Bei der Testung der Stopfenwinkelung ergaben sich bezüglich der Dichtigkeit nur geringfügige Unterschiede. Mit dem aus den Erkenntnissen der Vorversuche vom ITV hergestellten Verschlussstopfen-Prototyp (Material MQ 2, ein kurz resorbierbares hochelastisches Spezialpolymer, ausgestattet mit fünf Flügeln und einer 85° Winkelung des Grundkörpers) wurde letztlich eine In-vivo-Machbarkeitsstudie an sechs Merinoschafen durchgeführt. Dabei wurden insgesamt 29 Versuche unternommen eine Gefäßzugangsschleuse über Seldingertechnik in eine der beiden Carotiden der Versuchsschafe einzubringen, das Verschlusssystem über die liegende Schleuse vorzuschieben und nach der Entfernung der Zugangsschleuse nur den Verschlussstopfen in der Gefäßwand zurückzulassen. Dabei waren 25 der 29 Stopfenapplikationen technisch erfolgreich. Bei 21 der technisch erfolgreichen Stopfenapplikationen gelangen das Einführen des Verschlusssystems und der anschließende Verschluss der Punktionsstelle mit dem zurückgelassenen Verschlussstopfen in einer Zeit unter 90 s. In nur drei Fällen dauerte der Applikations- und Verschlussvorgang zwischen 90 und 180 s und lediglich in einem Fall über 180 s. Innerhalb des Versuchszeitraums (30 Tage pro Schaf) wurden die Implantationen der Verschlussstopfen bei den einzelnen Schafen in unterschiedlichen Zeitabständen vorgenommen. Ein Schaf verstarb einen Tag nach der dritten Stopfenlegung, die komplikationslos verlaufen war, höchstwahrscheinlich an einer Pansentympanie. Die anderen Schafe waren bis auf die an zwei Versuchstieren festgestellten, kleineren (< 2 cm) Verdickungen im Halsbereich während des Versuchszeitraums klinisch unauffällig. Bei der Explantation der Carotiden konnten 16 (64 %) der 25 technisch erfolgreichen Stopfenapplikationen in der Gefäßwand, fünf (20 %) im umliegenden Gewebe und vier (16 %) gar nicht aufgefunden werden. Durch die Herstellung von Dünnschliff- und Paraffinpräparaten und deren anschließender Färbung (HE- und Masson-Trichrom-Färbung) konnte erstmalig eine kontinuierliche histologische Beurteilung der Verschlussstopfen in der Gefäßwand im Zeitraum zwischen 0-30 Tagen vorgenommen werden. Eine beginnende Neointimabildung konnte das erste Mal an einem neun Tage alten Präparat gesehen werden und ab den 23 Tage alten Präparaten konnte eine Reendothelialisierung der Verschlussstopfen beobachtet werden. Bei den Akut-Präparaten (0-2 Tage) konnten frische punktionsbedingte Blutungen, in den älteren Präparaten in einen granulierend-fibrosierenden Zustand übergegangene Entzündungen festgestellt werden. In einigen Präparaten konnten kleinere intraluminale dem Verschlussstopfen aufsitzende Thromben gefunden werden. Ein Präparat wies eine vermutlich bei der Schleusenlegung verursachte Dissektionsverletzung der Gefäßwand auf. Des Weiteren konnte in wenigen Präparaten eine Dislokation bzw. ein Abbrechen eines Verschlussstopfens beobachtet werden. Überschießende Fremdkörperreaktionen sowie ausgeprägte eitrige Entzündungen konnten in keinem der Präparate festgestellt werden. Fremdkörperriesenzellen konnten lediglich bei einem der im Gewebe zum Liegen gekommenen Präparate und bei einem der Schnitte mit disloziertem Flügelanteil aufgefunden werden. Bis auf die in einigen Fällen schwierige Schleusenlegung und den etwas kleineren Gefäßdurchmesser der A. carotis des Schafes im Vergleich zu der A. femoralis des Menschen erwies sich das Schaf als geeignetes Modell zur Testung eines arteriellen Verschlusssystems. Aufgrund der geringen Stichprobe dieser Machbarkeitsstudie wären jedoch vor dem klinischen Einsatz weitere In-vivo-Testungen mit einem noch ausgereifteren, auf die Gefäßgröße besser angepassten Verschlusssystem wünschenswert.

Abstract

Initially in this preclinical feasibility study numerous in vitro tests were performed, where choice of material, design, hemocompatibility and operability of several variants of an innovative arterial closure device were examined. These devices had been developed by UKT (University Hospital Tübingen) in collaboration with ITV (Institute of Textile Technology and Process Engineering Denkendorf). Based on the results of the in vitro tests ITV manufactured a closure device prototype of the applicator with sealing plug (consisting of a highly elastic and resorbable specialized polymer) which afterwards was used for the first time in vivo in a sheep model within this pilot study. Hereby practicability as well as biocompatibility of the device should be proofed. Furthermore initial safety and efficacy hints of the newly developed device had to be obtained. In the course of the in vitro tests at first the tensioning and resilience performance of ten closure devices differing in the composition of their materials were evaluated during the retraction in a test applicator. Six of the initially tested ten materials were later used for further tests because of their suitable tensioning and resilience qualities. In another in vitro test six distinct plugs consisting of different materials were implanted in a porcine aorta model and evaluated in regard to their fixation in the vessel wall. Thereby only the plug consisting of the MEUV 12 material was insufficiently fixed. Because of the results of the first two tests a preselection was made, so that a hemocompatibility test with plugs consisting of six different materials (MEUV 7, MEUV 11, MQ 3, MQ 2, MQ 3 violet, MQ 2 violet), three plugs each, could be performed. To start with, the closure-plugs were incubated for 90 minutes at 37° C in slightly heparinized human whole blood (1 IU per ml blood) on a Rocking platform. Thereafter the concentrations of the parameters of hemocompatibility in the blood samples were determined. In the process the thrombin-anti-thrombin complex (TAT) served as a marker of coagulation, the terminal complement complex (SC5b-9) served as a marker for the activation of the complement system, PMN elastase served as whistleblower for an activation of leukocytes, and β-thromboglobulin served as a marker for platelet activation. In addition, the erythrocyte, leukocyte and platelet counts were determined. After 90 minutes of incubation none of the sealing-plugs showed a significant difference to the control group (blood without plug). The still detectable differences between the baseline values (blood samples not incubated) and the values after the incubations were due to model induced background activations. These results were consistent with the scanning electron microscopic examination of the sealing plug performed after incubation, where mostly only a local adhesion of platelets, erythrocytes, fibrin and leukocytes was found. In addition, in further experiments with porcine aorta models sealing plugs that differed in the number of their wings or in the angulation of their basic twill were tested. During the test one wing of one of the six-winged plugs was broken. When tested the plug angulation arose with respect to the tightness only minor differences. The findings of these preliminary tests enabled the ITV to produce a closure device prototype (MQ2 material, a short-resorbable highly elastic special polymer, equipped with five wings, 85° angulation of the body) which then was used for our in vivo feasibility study on six merino sheep. Here, 29 attempts have been made to introduce a vascular access port via Seldinger technique in one of the two carotid arteries of the experimental sheep, to advance the closure system over the already defined lock and, after removal of the access lock, to leave only the closure plug in the vessel wall. 25 of the 29 plug applications were technically successful. In 21 of the technically successful applications plug insertion of the closure system and the subsequent closure of the puncture site with the abandoned plugs succeeded in a time under 90 seconds. In only three cases the application and closing process took between 90 and 180 seconds and only in one case more than 180 seconds. Within the trial period (30 days per sheep) the implantations of the closure plugs have been made at different intervals at each sheep. One sheep died one day after the third surgery (that had been performed without complications) most likely due to a ruminal tympany. The other sheep were clinically silent during the trial period except smaller (< 2 cm) thickening in the neck recorded on two animals. In the explantation of the carotides 16 (64%) of the 25 technically successful plug applications were found in the vessel wall, five (20%) were found in the surrounding tisse, and four (16%) were not found at all. Through the production of the thin section and paraffin preparations and their subsequent staining (HE and Masson’s trichrome staining) for the first time a continuous histological evaluation of the sealing plugs in the vessel wall in the period between 0 and 30 days could be made. An incipient neointimal formation was the first time to be seen on a nine-day-old specimen, and from the 23-day-old and older specimens a re-endothelialization of the closure plugs could be observed. In the acute preparations (0-2 days) fresh puncture-induced bleedings were to be detected, in the older specimens in granulating-fibrotic conditions devolved inflammations were ascertained. In some preparations minor intraluminal thrombi, located on the plug, were found. A preparation had a dissection-injury of the vessel wall, probably caused during the initial surgical procedure (introduction of the vascular access port). Furthermore, a dislocation or breaking off of the plug could be observed in a few preparations. Excessive foreign body reactions and pronounced purulent inflammations were observed in any of the preparations. Foreign body giant cells were found in one preparation where the plug was situated in the tissue and in one section with a displaced part of a wing. Except for the sometimes difficult introduction of the vascular access port and the slightly smaller vessel diameter of the carotid artery of sheep compared to the human femoral artery, the sheep proved an appropriate model for testing an arterial closure system. Due to the small sample size of this feasibility study, however, further in vivo testing with a more mature and better to the vessel size adapted closing system would be desirable prior to clinical use.

Abstract

Englische Übersetzung des Titels: Development, evaluation and validation of a quick-acting closure-device for vascular punctures after percutaneous transluminal cardiological and radiological surgical procedures

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Gefäßpunktionen, Gefäßschnellverschluss, Vascular Closure Device
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. Februar 2016
• 1. Bericht­erstatter:in: Knubben-Schweizer, Gabriela