Untersuchungen zur Ursache der Thrombusbildung und Verbesserung der Biokompatibilität während der Entwicklung eines implantierbaren biventrikulären nonpulsatilen Systems zur mechanischen Kreislaufunterstützung

Abstract

Hintergrund: Die mechanische Kreislaufunterstützung ist fester Bestandteil im Therapiekonzept der Herzinsuffizienz. In ca. einem Drittel aller Patienten ist eine biventrikuläre Entlastung erforderlich, um eine ausreichende Hämodynamik sicherzustellen. Alle derzeit verfügbare implantierbare Systeme zur mechanischen Kreislaufunterstützung (ventricular assist devices=VAD) sind jedoch nur für eine univentrikuläre Unterstützung ausgelegt. Eine biventrikuläre mechanische Kreislaufunterstützung konnte bislang nur durch einen mechanischen Herzersatz (der jedoch wegen der fehlenden „bridge-to- recovery“ Option umstritten bleibt) bzw. durch extrakorporal gelegene Blutpumpen durchgeführt werden. Neben einer erheblich eingeschränkten Lebensqualität birgt die extrakorporale Lage von Blutpumpen ein hohes Risiko für Infektionen entlang der transkutanen Einfluß- und Ausfluconduits. Diese Infektionen stellen nach wie vor ein sehr ernstes Krankheitsbild dar. Aus diesen Gründen sollte ein „implantierbares biventrikuläres VAD (BVAD)“ entwickelt werden. Nur nonpulsatile Blutpumpen sind klein genug, daß zwei Blutpumpen in-situ implantiert werden können und diese aufgrund ihrer hydrodynamischen Effizienz dennoch in der Lage sind, ein ausreichendes Herzzeitvolumen zur Verfügung zu stellen. Das Konzept eines implantierbaren BVAD beruhte daher auf der Basis von zwei Zentrifugalpumpen. Die Auswirkungen einer nonpulsatilen Langzeitperfusion auf den Organismus bleiben jedoch seit Einführung dieser Flussform umstritten. Nahezu keine Erfahrungen lagen bezüglich einer biventrikulären nonpulsatilen Langzeitunterstützung vor. Mit einer Inzidenz von mehr als 10 Prozent stellen Schlaganfälle die vermutlich schwerwiegendste Komplikation im Rahmen mechanischer Kreislaufunterstützung dar. Innerhalb nonpulsatiler VAD werden Blutzellen unphysiologisch hohen Scherkräften ausgesetzt. Thrombozyten können durch Scherung aktiviert werden und aggregieren. Es wurde daher spekuliert, dass „Scher-induzierte Thrombzytenaktivierung“ ein möglicher Mechanismus bei der Entstehung von Thromben innerhalb nonpulsatiler VAD sein könnte. Ziele der Untersuchungen: Der Forschungsschwerpunkt widmete sich den Ursachen, die zur Thrombusbildung in nonpulsatilen VAD führen. Insbesondere sollte der Nachweis erbracht werden, ob Scher-induzierte Thrombozytenaktivierung ein pathophysiologischer Mechanismus bei der Entstehung von Thromben innerhalb nonpulsatiler VAD ist. Darüber hinaus Bestand ein weiteres Ziel darin, die subzellulären Mechanismen aufzudecken, die es Thrombozyten ermöglichen, trotz der hohen Strömungsgeschwindigkeiten auf der im Blutkontakt stehenden Grenzfläche von nonpulsatilen VAD zu aggregieren. Die Erkenntnisse über diese Wechselwirkung zwischen Blut und VAD-Oberfläche sollten schließlich zur Umsetzung von Oberflächenbehandlungen führen, die die Thrombusbildung unterdrücken und somit die Biokompatibilität des zu entwickelnden nonpulsatilen VAD verbessern. Ein weiteres Ziel bestand darin, unter Anwendung neu zu entwickelnder Methoden die Hämolyseeigenschaft und Thrombogenität der neuen Zentrifugalpumpe zu untersuchen. In-vivo Versuche im Großtiermodell hatten schließlich die Aufgabe das implantierbare BVAD vor der klinischen Anwendung zu evaluieren und die Auswirkungen einer nonpulsatilen biventrikulären Langzeitperfusion auf den Organismus zu untersuchen. Ergebnisse: Unsere Versuchsreihen zeigten, dass an die Fremdoberfläche adsorbiertes Fibrinogen und von Willebrand Faktor als Liganden für Thrombozyten dienen und die Grundlage für eine Thrombozytenadhäsion an der Blutgrenzfläche der Zentrifugalpumpe bilden. Durch a) physikalische Maßnahmen (Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit (Topographie) und b) chemisch-thermische Verfahren (Herstellung eines Titania Gels) wurde gezielt Einfluß auf diese Biolisation der Grenzfläche genommen. Hierdurch konnte die Proteinadsorption und resultierende Thrombozytenadhäsion- und aggregation sowie die Aktivierung des Gerinnungssystems auf der Grenzfläche des VAD reduziert werden. Mittels durchflußzytometrischer Analysen konnte in-vitro die Bindung von gelöstem von Willebrand Faktor an strömende Thrombozyten während nonpulsatiler VAD Perfusion nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse beweisen, dass Scher-induzierte Thrombozytenaktivierung eine Ursache für Thrombusbildung innerhalb nonpulsatiler VAD ist. Durch eine biologisch aktive Oberflächenbeschichtung wurden Scher-induzierte Thrombozytenaktivierung und Thrombozytenadhäsionen auf der Blut-Grenzfläche des VAD reduziert. Hierzu wurde ein GPIIb/IIIa Rezeptor Inhibitor an Albumin gebunden und durch ionische Bindung auf das Pumpeninnere aufgetragen. Durch diese Oberflächenbeschichtung konnte eine lokale antithrombogene Wirkung auf der im Blutkontakt stehenden Oberfläche erzielt werden: durch Inhibierung der Thrombozyten Interaktion wurde das Auftreten zirkulierender Thrombozyten- Mikroaggregationen sowie Thrombozytenadhäsionen signifikant verringert. Diese Maßnahmen verbesserten die Biokompatibilität der entwickelten Zentrifugalpumpe nachhaltig. Die präklinische in-vitro Evaluation der entwickelten Zentrifugalpumpe zeigte bei hoher hydrodynamischer Effizienz eine niedrigere Hämolysewirkung und Thrombogenität. Hieraus kann geschlossen werden, dass dieses Pumpendesign für langfristige Anwendungen geeignet ist. Unsere in-vivo Studien im Großtiermodell beschreiben erstmalig die erfolgreiche Durchführung einer langfristigen mechanischen Kreislaufunterstützung mit einem „implantierbaren BVAD“. Während der Beobachtungsperiode von bis zu drei Monaten zeigten sich keinerlei mechanische oder elektrische Fehlfunktionen. Die Hämolysewirkung des BVAD war insgesamt niedrig und blieb ohne klinische Relevanz. Unter der nonpulsatilen biventrikulären Unterstützung verblieben Leber- und Nierenwerte im Normbereich, die pulmonale Funktion und Hämodynamik zeigten unter einer balancierten Flußführung keine Beeinträchtigung. Diese Versuchsreihen belegen, dass durch eine biventrikukäre nonpulsatile Perfusion auch langfristig eine normale Endorganfunktion aufrecht erhalten werden kann. Darüber hinaus bewies das implantierbare BVAD in Belastungsstudien seine Zuverlässigkeit, Funktionalität und Sicherheit unter körperlicher Bewegung. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine biventrikuläre nonpulsatile Perfusion die Kreislaufregulation zu Beginn körperlicher Belstung nicht beeinflußt. Das implantierbare Gyro BVAD sollte daher in der Lage sein, Patienten eine ambulante Lebensführung zu ermöglichen. Diese Untersuchungen schlossen die präklinische Evaluation des Gyro BVAD ab. Das Gyro BVAD wurde von der Miwatech, Ltd. (Hokkaido, Japan), einer Tochter der globalen Mutoh Unternehmensgruppe erworben. Für das kommende Jahr ist die Durchführung der klinischen Studien in ausgewählten Zentren geplant.

Mechanical circulatory support is routinely used to treat patients with end stage heart failure. About one third of these patients require biventricular support. All currently available implantable VAD, however, are supposed for univentricular support only. Therefore, there is tremendous need for an implantable biventricular assist device. Nonpulsatile blood pumps are small enough to be implanted in a biventricular bypass fashion. The effects of long- term nonpulsatile perfusion on the organism are still controversial. Almost no information is available regarding the effects of prolonged biventricular nonpulsatile perfusion. With an incidence of 10%, VAD induced disabling stroke remains one of the most severe complication during mechanical circulatory support. Nonpulsatile VAD exert unphysiologically high shear stress on cellular and noncellular blood components: e.g. platelets become activated by elevated shear stress. Therefore, it is speculated, that “shear-induced platelet activation” might play an important role for thrombus formation within nonpulsatile assist devices. Aim of the study was to elucidate mechanisms for thrombus formation in nonpulsatile VAD, especially, if shear- induced platelet aggregation is involved. Furthermore, the blood contacting surface of a newly developed nonpulsatile VAD should be treated to improve the biocompatibility of the device. Finally, in-vivo experiments in calves were conducted to evaluate the effect of long-term nonpulsatile biventricular support and to demonstrate the safety and efficacy of such a biventricular assist device . Results: Our experiments demonstrated that platelet adherence on the VAD surface is mediated through interaction with adsorbed fibrinogen and von Willebrand factor (vWF) on the blood contacting surface of the device. Reduction of the surface roughness and improvement of the hydrophobic characteristics of the blood contacting surface utilizing a titania gel reduced platelet adhesion significantly. Furthermore, flowcytometric analysis revealed enhanced vWF binding to platelets during nonpulsatile VAD perfusion giving evidence of shear-induced platelet activation in nonpulsatile VAD. Coating of the blood contacting VAD surface with a platelet GP IIb/IIIa inhibitor reduced the amount of circulating platelet microaggregates and platelet adhesion on the surface and improved the biocompatibility of the device significantly. Long-term in vivo experiments demonstrated the safety and efficacy of the newly developed biventricular assist device. All cases showed low hemolysis; renal, pulmonary and liver function were kept normal despite the prolonged nonpulsatile perfusion. The animals demonstrated no thromboembolic neurological symptoms and tolerated moderate exercise. The device demonstrated effective and reliable in vivo performance with good biocompatibility. Based on these results we conclude that a biventricular nonpulsatile support is feasible for long-term mechanical circulatory support.