Einsatz neuartiger präzipitierender Flüssigembolisate zur endovaskulären Okklusion breitbasiger intrakranieller Aneurysmen

Abstract

Intrakranielle Aneurysmen werden meist erst bei ihrer Ruptur klinisch apparent. Dieser medizinische Notfall ist mit einer hohen Morbidität und Mortalität verbunden. Eine Aneurysmaruptur ist typischerweise mit einer Subarachnoidalblutung (SAB) als Blutaustritt in die äußeren Liquorräume zwischen Arachnoidea und Pia mater vergesellschaftet. Primäres Behandlungsziel eines Patienten mit einer aneurysmatischen SAB ist die zeitnahe Ausschaltung eines rupturierten Aneurysmas zur Verhinderung einer oftmals letal verlaufenden Rezidivblutung. Hierfür stehen im Wesentlichen zwei Behandlungsmöglichkeiten zur Verfügung: der endoluminale Verschluss über das Gefäßsystem durch Einbringung von Coils in das Aneurysma, sowie die operativ mikrochirurgische Ausschaltung durch Gefäßclips. Die Überlegenheit der endovaskulären Methode wurde im Rahmen der ISAT (International Subarachnoid Aneurysm Trial) Studie aufgezeigt. Hierbei wies das endovaskuläre Coiling eine niedrigere 30-Tage Mortalität auf, bei etwas erhöhter Rezidivblutungsrate. Auch das 5 Jahres Mortalitätsrisiko war in der endovaskulär behandelten Gruppe signifikant niedriger. Wesentliche Limitation der Coilembolisation ist jedoch die zum Teil recht hohe Rate inkomplett verschlossener Aneurysmen, insbesondere bei breitbasigen und großen bzw. Riesenaneurysmen. Gerade in solchen Fällen mag die Anwendung von Flüssigembolisaten vorteilhaft sein, bei der unabhängig von der Aneurysmakonfiguration theoretisch eine komplette Embolisatausfüllung des Aneurysmas erreicht werden kann. Onyx® (ev3 Inc., Irvine, USA) ist das einzige kommerziell verfügbare präzipitierende Flüssigembolisat zur Behandlung von Hirnaneurysmen als auch arteriovenösen Malformationen. Das Polymer ist zusammengesetzt aus zwei Untereinheiten, dem hydrophoben Ethylen und dem hydrophilen Vinylalkohol (Ethyl-Vinyl-Alkohol- Kopolymer, EVAL). Dieses ist in dem organischen Lösungsmittel Dimethylsulfoxid (DMSO) gelöst. Zudem ist die Mixtur mit Tantal zur Röntgensichtbarkeit versetzt. Bei Kontakt mit Blut diffundiert DMSO in die Umgebung. Dieser Prozess vollzieht sich an der Oberfläche innerhalb von Sekunden, so dass es zur Bildung einer aushärtenden Polymeroberfläche bei noch weichem Kern kommt, ähnlich erkaltender Lava. Hierdurch kann sehr kontrolliert durch vorsichtige erneute Injektion bis zum Aufbrechen dieser Kruste ein beliebig großer Embolus an der Katheterspitze geformt werden. In der Tat lassen sich mit Onyx® bei schwierigen Aneurysmen höhere Okklusionsraten erreichen im Vergleich zur Coilembolisation bei vergleichsweise niedriger behandlungsbedingter Morbidität. Dennoch sprechen diverse Nachteile für die Suche nach besser geeigneten Substanzmischungen: So ist eine aufwendige Vorbereitung mit Erhitzen, Schütteln und erneutem Erhitzen vor der Anwendung zur Verbesserung der Fließeigenschaften und Gewährleistung einer homogenen Röntgensichtbarkeit notwendig. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass es während des Verarbeitungsprozesses zur Sedimentation von Tantal kommt, welches eine inhomogene Röntgensichtbarkeit mit dem Potential von Fehlembolisationen zur Folge haben kann. Darüber hinaus sind für das Lösungsmittel DMSO bei zu rascher intraarterieller Injektion angiotoxische Reaktionen mit Auslösung von Vasospasmus mit fatalen klinischen Folgen wie Schlaganfall und Subarachnoidalblutung beschrieben. Ziel der vorliegenden Arbeit war somit die Identifikation und experimentelle Testung eines neuen präzipitierenden Flüssigembolisates, welches eine vereinfachte und damit sicherere Anwendbarkeit bei verbesserter Bioverträglichkeit aufweisen sollte. Hierzu wurde ein neuartiges Polymer auf der Basis von EVAL mit jodierten Seitenketten (I-PVAL) synthetisiert. Das hochvisköse Gemisch aus I-PVAL und dem Lösungsmittel DMSO zeigte in vitro eine ausreichende intrinsische Röntgensichtbarkeit ohne Beimengung weiterer röntgendichter Substanzen, ließ sich problemlos über einen Mikrokatheter injizieren und wies günstige Präzipitationseigenschaften auf. Diese Mixtur wurde an 12 experimentell erzeugten breitbasigen Karotisseitwandaneurysmen des Schweins auf seine Eignung als präzipitierendes Flüssigembolisat untersucht. Die endovaskuläre Applikation erfolgte über einen transfemoralen Zugang mit Hilfe DMSO- resistenter Mikrokatheter unter temporärem Ballonverschluss des Trägergefäßes auf Höhe der Aneurysmabasis. Zur Feststellung von systemischen Effekten wurden EKG und Blutdruck sowie die Hämolyseparameter Hb, fHb und LDH bestimmt. An noninvasiven Bildgebungen erfolgten unmittelbar vor und nach der Intervention eine Mehrzeilen CT-Angiografie sowie eine Nachuntersuchung mittels MRT und invasiv bildgebend eine Kontrollangiografie. In der makroskopischen Analyse wurde die Verteilung des Flüssigembolisates und die Morphologie der Aneurysmabasis ausgewertet. Zur mikroskopischen Analyse erfolgten histopathologische Untersuchungen mit den Parametern: intraaneurysmatische Flüssigkeitsverteilung, Grad der Entzündung im Aneurysma, Auftreten einer begleitenden Fremdkörperreaktion, Bildung von Bindegewebe und einer Neointima auf der Basisinnenseite. Der Grad der Endzündungsreaktion wurde in einem 5 -Punkte-Score eingeteilt. Zudem wurde als nächstes die lokale Angiotoxizität von DMSO sowie zahlreichen weiteren organischen Lösungsmitteln am Rete mirabile des Schweins, einem dem Circulus arteriosus (Willisii) vorgeschalteten Kapillarnetzwerk, über die superselektive Katheterisierung der Arteria pharyngea ascendens (i.e.S. Retearterie) untersucht. Es erfolgte der direkte Vergleich der lokalen (angiografisch gemessener Grad des Vasospasmus), systemisch-hämodynamischen (Blutdruck, Herzfrequenz, EKG), laborchemischen (Hämolyse) und histopathologischen (Epithelschädigungen, Angionekrosen, Fibrinablagerungen, zelluläre Inflammation und Mikroeinblutungen) Veränderungen nach Injektion der entsprechend potentiell kompatibleren Lösungsmittel. Schließlich erfolgte die Kombination der zuvor herausgearbeiteten Innovationen des intrinsisch röntgendichten Polymers (I-PVAL) mit einer gering angiotoxischen Trägersubstanz (NMP) zu einem neuen präzipitierenden Flüssigembolisat und die Evaluation an dem bekannten experimentellen Aneurysmamodell, um somit seine Einsatzfähigkeit als Flüssigembolisat zu bestätigen. Die Auswertung erfolgte analog den Initialuntersuchungen. Im Ergebnis der ersten Studie, in der I-PVAL gelöst in DMSO zur Flüssigembolisation experimenteller breitbasiger Aneurysmen untersucht wurde, konnte gezeigt werden, dass I-PVAL für die kontrollierte intraaneurysmatische Anwendung ausgezeichnet geeignet ist. Es ist als gebrauchsfertig anwendbare Mischung ausreichend unter Röntgendurchleuchtung sichtbar und zeigt eine homogene Röntgendichte. Initial wurde ein durchschnittlicher Okklusionsgrad der Aneurysmen von 96% erreicht; nach vier Wochen bestätigte sich bei allen erfolgreich behandelten Aneurysmen ein kompletter Verschluss. Es konnte eine Rate primär kompletter Aneurysmaokklusionen von 67% erzielt werden. Dies gelang trotz einmaliger Polymermigration ins Trägergefäß aufgrund einer DMSO-bedingten Katheterundichtigkeit mit konsekutivem Arterienverschluss (fortan genutzte Katheter waren alle DMSO-resistent) und zweimaliger minimaler Polymermigration ohne signifikante Gefäßstenose. In einem Fall fand sich ein partiell embolisiertes Aneurysma aufgrund eines Thrombus an der Katheterspitze. Die makro- und mikroskopische Untersuchung der resezierten Aneurysmen ergab größtenteils die komplette Bedeckung der Aneurysmabasis mit einer Neointima, die aus neu formierten Fibroblasten, bedeckt von einer einzelligen Schicht von Endothelzellen bestand. Histologisch bestätigte sich die gute Biokompatibilität von I-PVAL. Hämodynamik und Hämolyseparameter waren unauffällig. Da keine röntgendichten metallischen Mischungen für die Anwendung benötigt wurden, konnten die behandelten Aneurysmen gut mittels CT- und MR- Angiografie artefaktfrei nachuntersucht werden. In der zweiten Studie erfolgte die vergleichende Untersuchung der Angiotoxizität der organischen Lösungsmittel DMI (Dimethylisosorbid), DMSO (Dimethylsulfoxid), Ethyl Laktat, Glycofurol 75® (Tetrahydrofurfurylalkohol Polyethylenglycolether), NMP und Solketal® (Isopropylidenglycerol) am Rete mirabile des Schweins. DMI und NMP lösten hierbei einen wesentlich geringeren Vasospasmus im Vergleich zu DMSO auf, ohne dass sich Hinweise für eine systemische oder histopathologische Toxizität fanden, und stellten somit besser geeignete organische Lösungsmittel als Komponenten für präzipitierende Flüssigembolisate dar. Schließlich konnte in der dritten Studie die erfolgreiche Anwendung von I-PVAL gelöst in NMP zur Flüssigembolisation experimenteller breitbasiger Aneurysmen gezeigt werden. Die günstigen Präzipitationseigenschaften erlaubten auch mit diesem Embolisat eine kontrollierte intraaneurysmatische Polymereinbringung und damit eine hohe initiale Okklusionsrate von 98% ohne weitere technische Schwierigkeiten. Der in einem Fall beobachtete Übertritt von Embolisat ins Lumen der Trägerarterie führte weder zu einem sofortigen noch späten Verschluss. Hämodynamik und Hämolyseparameter waren auch hier unauffällig. Makroskopisch zeigten sich alle Aneurysmen von einer glatten Bindegewebsschicht bedeckt und histopathologisch bestätigte sich die Bildung einer Neointima bei leichter reaktiver Gewebsreaktion. Eine komplette Okklusion konnte im 4-Wochen-follow-up mittels konventioneller Angiografie, aber auch in der Mehrzeilen-CTA und MR- Angiografie artefaktfrei nachgewiesen werden. Somit war eine gute Abgrenzung der Aneurysmen von der Trägerarterie möglich, was wiederum eine präzise und detaillierte Darstellung der embolisierten Aneurysmen in axialen Schnittbildern und 3D Rekonstruktionen mit hoher räumlicher Auflösung ermöglichte. Schlussfolgernd kann festgehalten werden, dass I-PVAL gelöst in NMP ein neues vielversprechendes präzipitierendes Flüssigembolisat für die neurointerventionelle Behandlung von breitbasigen intrakraniellen Aneurysmen ist. Es kann als anwendungsfertiges Produkt appliziert werden, weist eine ausreichende Röntgensichtbarkeit unter Fluoroskopie auf und erlaubt somit eine vereinfachte artefaktfreie Untersuchung mittels CT und MRT. Das niedrigtoxische Lösungsmittel minimiert dabei unerwünschte Nebeneffekte.

Intracranial aneurysms do not usually become clinically apparent before their rupture. This medical emergency is connected with high morbidity and mortality. An aneurysm rupture is typically accompanied by a subarachnoid haemorrhage (SAH) as bleeding in the external CSF spaces between the arachnoid und pia mater. The primary aim when treating a patient with aneurismal SAH is the speedy elimination of the ruptured aneurysm in order to prevent an often fatal recurrence of the haemorrhaging. In order to achieve this there are essentially two treatment options available: endoluminal sealing through the vascular system by placing coils into the aneurysm or operative microsurgical elimination using vascular clips. The superiority of the endovascular method was demonstrated in the ISAT (International Subarachnoid Aneurysm Trial) study. In this study endovascular coiling was associated with a lower 30-day mortality whereby there was a slightly increased rate of renewed haemorrhaging. The group which was treated endovascularly also showed a significantly lower 5-year mortality risk. An important limitation of coil embolization is, however, the relatively high rate of incompletely closed aneurysms, particularly in the case of wide-necked and large or giant aneurysms. The use of liquid embolics can be advantageous especially in those cases in which theoretically independent of the aneurysm configuration the complete filling of the aneurysm with an embolic can be achieved. Onyx® (ev3 Inc., Irvine, USA) is the only commercially available precipitating liquid embolic which can be used for the treatment of cerebral aneurysms as well as for arteriovenous malformations. The polymer is composed of two subunits, hydrophobic ethylene and hydrophilic vinyl alcohol (ethylene-vinyl-alcohol- copolymer, EVAL). This is dissolved in the organic solvent dimethyl sulfoxide (DMSO). To achieve radiopacity tantalum is added to the mixture. When coming into contact with blood, DMSO diffuses into its surroundings. This process takes place on the surface within seconds so that a thermosetting polymer surface, with a core that is still soft, is formed, similar to cooling lava. An embolus of any size can be formed at the catheter tip through careful and very controlled renewed injection until the breaking of this crust. It is indeed the case that for difficult aneurysms superior occlusion rates can be achieved when using Onyx® in comparison to coil embolization, while treatment related morbidity is comparably low. However, there are several disadvantages so that the search for a more suitable substance mixture should continue. For example, elaborate preparation including heating, shaking and reheating before the application of the mixture is necessary in order to improve its rheology and to ensure homogenous radiopacity. A sedimentation of tantalum during the preparation process cannot be excluded which could cause inhomogenous radiopacity with potential nontarget embolizations. Furthermore, angiotoxic reactions triggering vasospasms with fatal clinical consequences such as apoplexy and subarachnoid haemorrhaging have been described in cases where a rapid intra-arterial injection of the solvent DMSO took place. Thus, the aim of this paper was the identification and experimental testing of a new precipitating liquid embolic which would have simpler and, therefore, safer applicability together with improved biocompatibility. For this purpose a new type of polymer was synthesized on the basis of EVAL with iodine-containing side chains (I-PVA). The highly viscid mixture of I-PVA and the solvent DMSO showed in vitro a sufficient intrinsic radiopacity without adding any further radiopaque substances. It could easily be injected using a micro-catheter and demonstrated good precipitation properties. The suitability of this mixture as a precipitating liquid embolic was examined on 12 experimentally generated wide-necked carotid sidewall aneurysms in swine. The endovascular application was performed using transfemoral access with a DMSO-resistent micro-catheter and temporary balloon occlusion of the carrier vessel at the level of the aneurysm base. ECG and blood pressure and the hemolysis parameters Hb, fHb and LDH were determined for the assessment of systemic effects. For non-invasive imaging, a multisection CT-angiography immediately before and after the intervention and a follow-up examination using MRI were performed. For invasive imaging, a control angiography was carried out. In the macroscopic analysis the distribution of the liquid embolic and the morphology of the aneurysm base were evaluated. In the microscopic analysis a histopathological examination was carried out with the following parameters: intra-aneurysmal liquid distribution, extent of inflammation inside the aneurysm, occurrence of an accompanying foreign-body reaction, connective tissue formation and a neointima formation at the former aneurysm orifice. The degree of inflammatory response was divided into a five point score. In addition, the local angiotoxicity of DMSO and numerous other organic solvents was examined in swine rete mirabile, an upstream capillary network of the circulus arteriosus (circle of Willisi), via a superselective catherization of the ascending pharyngeal artery (i.e. the artery of the rete). A direct comparison was carried out between the local changes (angiographically measured degree of vasospasms), systemic hemodynamic (blood pressure, heart frequency, ECG), laboratory chemical (hemolysis) and histopathological changes (epithelial damages, angionecroses, fibrin deposits, cellular inflammations and microbleeds) after the injection of the respective potentially more compatible solvents. Finally the innovation of the intrinsically radiopaque polymer (I-PVA) was combined with a low angiotoxic carrier substance (NMP) to form a new precipitating liquid embolic. This was tested on the known experimental aneurysm model in order to confirm its suitability as a liquid embolic. The evaluation was performed in the same way as the initial examinations. The result of the first study, in which I-PVA dissolved in DMSO was tested for the liquid embolization of surgically constructed wide-necked aneurysms, showed that I-PVA is perfectly suited for controlled intra-aneurysmal application. As a ready-to-use mixture it has sufficient visibility under fluoroscopy and displays a homogenous radiopacity. Initially, an average occlusion rate of aneurysms of 96% was achieved; after four weeks a complete occlusion of all successfully treated aneurysms was confirmed. A rate of primary complete aneurysm occlusions of 67% was obtained. This was achieved despite one occurrence of polymer migration into the carrier vessel due to a DMSO-related catheter leakage with consecutive arterial occlusion (from then on all the catheters used were DMSO-resistant) and two occurrences of minimal polymer migration without significant vascular stenosis. In one case a partially embolized aneurysm occurred due to a thrombus at the catheter tip. The macroscopic and microscopic examination of the resected aneurysms showed to a large extent a complete coating of the aneurysm base with a neointima consisting of newly formed fibroblasts, covered by a single layer of endothelial cells. The histological examination confirmed the good biocompatibility of I-PVA. As no radiopaque metallic mixtures were needed for the application, the follow-up examinations of the treated aneurysms could be performed using CT and MR angiography without artifacts. In the second study a comparative examination was performed regarding the angiotoxicity of the organic solvents DMI (dimethyl isosorbide), DMSO (dimethyl sulfoxide), ethyl lactate, Glycofurol 75® (tetrahydrofurfuryl alcohol polyethyleneglycol ether), NMP and Solketal® (isopropylidene glycerol) in swine rete mirabile. Compared to DMSO, DMI and NMP triggered a significantly lower vasospasm without any indication of a systemic or histopathological toxicity and were, thus, better suited as organic solvents for precipitating liquid embolics. Finally, in the third study, the successful application of I-PVA dissolved in NMP for liquid embolization of experimental wide-necked aneurysms could be demonstrated. Its favorable precipitation dynamics allowed for a very controlled intra- aneurysmal polymer delivery, which resulted in a high initial occlusion rate of 98% and no technical difficulties were encountered. Only in one case was a small leakage of the embolic into the artery lumen observed which did not lead to an immediate or later stenosis. Hemodynamics and hemolysis parameters were normal. The macroscopic examination showed that all aneurysms were covered with a smooth layer of connective tissue and the histopathological examination confirmed the formation of neointima with a slightly reactive tissue response. After four weeks, complete occlusion could be demonstrated using conventional angiography as well as multisection CT angiography and MR imaging without artifacts. Thus, the aneurysms could be discriminated well from the parent artery which allowed for a precise and detailed depiction of the embolized aneurysm in axial sectional images and in 3D reconstructions with high spatial resolution. In summary, it can be seen that I-PVA dissolved in NMP is a new and promising precipitating liquid embolic for the neurointerventional treatment of wide-necked intracranial aneurysms. It can be applied as a ready- to-use product and it shows good radiopacity under fluoroscopy and enables a simplified artifact-free examination via CT and MRI. The low toxic solvent minimizes unwanted side effects.