Biosynthetische Cellulose - Neuartige Barriere gegen Biofilmbildung auf Ventricular Assist Device – Drivelines

Abstract

Einleitung: Die chronische Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten Erkrankungen weltweit und geht in fortgeschrittenen Stadien mit einer schlechten Prognose einher. Die Utlima-Ratio bleibt weiterhin eine Herztransplantation. Aufgrund des anhaltenden Mangels von Spenderorganen, stellen linksventrikuläre Unterstützungssysteme eine wichtige Alternative dar. Aktuell verfügbare Geräte sind für einen gesicherten Energie- und Informationstransfer auf ein Verbindungskabel zur Controller-Einheit – eine sog. Driveline - angewiesen. Infektionen der Driveline, welche sich entlang des subkutanen Tunnels bis zum Mediastinum und damit zur Pumpeneinheit ausbreiten, sind weiterhin eine Hauptkomplikation während der Unterstützung mit diesen Systemen. Biosynthetische Cellulose zeichnet sich durch seine hohe Biokompatibilität aus und stellt aufgrund seiner geringen Porosität eine theoretische Barriere gegenüber der Durchwanderung von Pathogenen dar. In der vorliegenden Arbeit wurde die Barriere für eine bakterielle Durchwanderung einer oberflächenveränderten biosynthetischen Cellulose und deren Bedeutung in der Prävention einer Driveline-Kontamination durch Pathogene in einem Tiermodell untersucht.

Methoden: Primär wurde in vitro die Durchlässigkeit der Cellulose für fluoreszierende Mikropartikel in einem Zwei-Kammer-System untersucht, gefolgt von der Evaluation der Barriere gegenüber bakterieller Permeation. Nach Charakterisierung der Barrierefunktion in vitro, wurden die Außenhüllen von Drivelines mittels derselben Cellulose-Membranen ummantelt und anschließend die in-vivo-Barrierefunktion getestet. Insgesamt wurden 16 Kontrollen und 16 Cellulose-ummantelte Driveline-Außenhüllen in 8 Ziegen implantiert. Nach einer Implantationsdauer von 6 Wochen (4 Tiere) und 12 Wochen (4 Tiere) wurden die implantierten Driveline-Außenhüllen mitsamt umgebendem Gewebe explantiert. Die Driveline-Oberfläche wurde anschließend mittels Sonikation auf bakterielle Kontamination hin untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie wurden mittels deskriptiver Statistik ausgewertet.

Ergebnisse: Die untersuchte Cellulose stellt eine Barriere für Mikropartikel von 2 µm Größe dar und ist auch für Staph. aureus impermeabel. Auch in-vivo konnte diese Barrierefunktion reproduziert werden. Obwohl die Cellulose-beschichteten Implantate insgesamt häufiger infiziert waren als die Kontrollen, verhinderte die Cellulose-Membran in einer relevanten Anzahl der Fälle die Kolonisation der darunterliegenden Driveline-Außenhülle.

Schlussfolgerung: Die durchgeführte Studie liefert erste Hinweisen darauf, dass die verwendete oberflächenmodifizierte Cellulose-Membran eine Barrierefunktion gegenüber der bakteriellen Kolonisation der Driveline-Oberfläche besitzt. Zusammen mit der Möglichkeit, die bio-synthetische Cellulose mit antibiotischen Wirkstoffen zu beladen, stellt die Barrierefunktion der untersuchten Cellulose eine neuartige Möglichkeit dar, in der Zukunft die Infektion von Herzunterstützungssystemen zu verhindern.

Introduction: Chronic heart failure is one of the most common health conditions worldwide and is accompanied by a poor prognosis in a more advanced state. Heart transplantation remains the gold standard therapy in patients with terminal heart failure despite optimal medical and device therapy. Due to the ongoing organ donor shortage the use of left ventricular assist devices has been established as a bridge-to-transplant or as an alternative in the treatment of end stage heart failure. Available and approved state of the art systems rely on a continuous power and information transfer via an electrical cable to the controller unit – the so called driveline. Infection of the driveline are a main complication during the support with these systems and continuously endanger the life of the patient, since the pathogens are able to ascend along the driveline to the pump and therefore into the mediastinum. Biosynthesized cellulose is characterized as highly biocompatible and due to its low porosity as impermeable for bacteria. This study evaluates the barrier function against bacterial permeation and furthermore the prevention of driveline contamination in an animal trial.

Methods: In a first experiment the permeability of the cellulose for fluorescing microparticles was evaluated with a custom designed two chamber system, followed by evaluation of the barrier against bacterial permeation. After evaluation of the barrier function in vitro, the outer sheaths of drivelines were wrapped with the cellulose membranes and afterwards the in-vivo barrier function tested. In total 16 cellulose covered driveline mantles and 16 control driveline mantles were implanted in 8 goats. After being left in situ for 6- (4 animals) and 12-weeks, the implants and surrounding tissue were explanted. Sonication was used to evaluate the driveline surface for bacterial contamination. Results were analyzed using descriptive statistics.

Results: The evaluated biosynthetic cellulose presented to behave as a barrier for microparticles with a size of at least 2 µm and is also impermeable upon inoculation with Staph. aureus. This function as a barrier could be reproduced in-vivo. Despite higher colonization rates upon cellulose-covered driveline mantles, in a relevant number of cases the underlying driveline surface was colonization free while the cellulose was contaminated.

Conclusion: The performed study represents first evidence that the surface-modified cellulose acts as an impermeable barrier against bacteria and prevents the colonization of the driveline surface. Taken together with the possibility of loading the biosythesized cellulose with antibiotic substances, the barrier function evaluated in this study presents a novel strategy to reduce the rate of ventricular assist device infections caused by driveline contamination in the future.