Einfluss lokaler Applikation von rekombinantem humanem Insulin-like growth factor-I (rh-IGF-1) auf die Anastomosenwundheilung im Darm: eine biomechanische Studie am Rattenmodell

Abstract

Hintergründe Anastomoseninsuffizienzen stellen eine gefürchtete Komplikation in der Visceralchirurgie dar. Mindestens ein Drittel der perioperativen Mortalität ist auf ein Leck im Bereich der Anastomose zurückzuführen. Eine der Hauptursachen für das Auftreten von Anastomoseninsuffizienzen ist eine unzureichende Durchblutung des Gewebes im anastomosierten Gebiet. Durch die Applikation von Wachstumsfaktoren könnte die Darmheilung stimuliert und Anastomoseninsuffizienzen vermieden werden. Es wurde eine Beschichtung von Nahtmaterial entwickelt, hierbei dient eine biodegradierbare Poly(D,L-Laktid) (PDLLA) Beschichtung als Wirkstoffträger. In die dünne, lackartige Poly(D,L-Laktid)-Beschichtung ist es durch ein kaltes Beschichtungsverfahren möglich IGF-I unter sterilen Bedingungen in seiner biologisch aktiven Form zu inkorporieren. Durch die lokale Applikation von Wachstumsfaktoren wie Insulinlike Growth Factor-I (IGF-I) könnte im Anastomosenbereich eine hohe Wirkstoffkonzentration erzielt werden, ohne den Organismus mit hohen systemischen Dosen zu belasten. Für die tierexperimentelle Studie wurden resorbierbare Fäden der Stärke 6/0 unter sterilen Bedingungen mit bioresorbierbarem Poly(D,L-Laktid) beschichtet, in diese Beschichtung wurde Insulinlike Growth Factor-I (IGF-I) in einer Konzentration von 2,5 % eingearbeitet. Bei 6 Monate alten, weiblichen Sprague Dawley Ratten wurde nach Vollnarkose standardisiert eine Dissektion des Colon transversum durchgeführt und mit unbeschichteten (Gruppe I), PDLLA beschichteten (Gruppe II) und PDLLA + IGF-I (Gruppe III) beschichteten Fäden in seromuskulärer, einschichtiger, fortlaufender Nahttechnik Anastomosen angefertigt. Nach 1, 3 und 7 Tagen wurden die Anastomosen histologisch (n=8) und biomechanisch (n=10 pro Gruppe) ausgewertet. Die histologische Auswertung ist nicht Teil dieser Promotionsarbeit. Für die biomechanische Evaluierung wurde ein intraluminaler Druckbelastungstest mit einem speziell konstruierten Versuchsaufbau durchgeführt. Die statistische Auswertung erfolgte über eine multiple Varianzanalyse ANOVA mit anschliessendem Bonferronitest mit einem Signifikanzniveau von 0,05. Rasterelektronenmikroskopische Analysen zeigten eine gleichmäßige, 10 µm dicke PDLLA Schicht auf den Fäden. Im Tierversuch wurde durch die biomechanischen Messungen deutlich, dass am dritten postoperativen Tag die Stabilität der Anastomosenregion in der Kontrollgruppe kritisch abnimmt. Gerade dieser Zeitraum konnte durch eine Beschichtung des Nahtmaterials mit PDLLA und IGF-I überbrückt werden. Es zeigte sich 3 Tage nach der Operation in Gruppe III (PDLLA+IGF-I) eine signifikant höhere biomechanische Stabilität der Anastomose im Vergleich zu den Kontrollgruppen I und II. Die Stabilität der Anastomosenregion blieb bei lokaler Applikation von IGF-I zu allen Zeitpunkten ungefähr gleich. Diese Ergebnisse wurden durch die Auswertung der histologischen und immunshistochemischen Färbungen der Anastomosen unterstützt. Diese Untersuchungen zeigten eine gesteigerte Überbrückung des Anastomosenspaltes durch Kollagen und Fibroblasten, sowie eine geringere Anzahl an Entzündungszellen in Gruppe III gegenüber den Kontrollgruppen. Es konnte gezeigt werden, dass die Beschichtung von Fadenmaterial mit Wachstumsfaktoren möglich ist, und die lokale Applikation von IGF-I die Heilung von Darmanastomosen im Rattenmodell signifikant verbessern kann. Das Fadenmaterial dient so nicht nur für die mechanische Stabilität von Anastomosen, sondern gleichzeitig als Drugcarrier. So könnten durch Anastomoseninsuffizienzen bedingte Komplikationen vermieden und dadurch Morbidität und Kosten gesenkt werden.

Background Anastomotic leakage is one of the most important and feared complication after visceral surgery. At least one third of the mortality after colorectal surgery is attributed to leaks at the anastomotic site. One of the main causes for leakage is an insufficient blood circulation at the operated zone. Through local application of growth factors the healing of intestinal anastomoses could be stimulated and the leakage reduced. A cold coating technique for suture materials has been established. Through this technique a thin biodegradable layer of poly(D,L-lactide) (PDLLA) provides a continuous release of incorporated growth factors as insulin like growth factor-I (IGF-I). Because of the cold coating technique IGF-I maintains biologically active. Due to the local application the concentrations of IGF-I at the anastomotic site can be high without loading and stressing the entire corporal system. Under sterile conditions the coating with PDLLA was established and IGF-I was incorporated in this layer with a concentration of 2,5%. For the experimental study 6 month old, female Sprague Dawley rats underwent laparatomy after anestesia and a dissection of the transvere colon was performed, followed by an anastomosis via seromuscular continous suture technique.The rats were randomized into 3 groups: uncoated suture material (group I), coating with PDLLA (group II) and coating with PDLLA + IGF-I (group III). After 1, 3 and 7 days anastomoses were tested histologically and biomechanically. The histological evaluation is not part of this dissertation. For the biomechanical testing intraluminal pressure measurements were performed and the bursting pressure was compared. The statistical evaluation was realized by a multiple variation analysis: ANOVA followed by a Bonferroni- test. Scanning electron microscope analisis revealed a coating thickness of in average 10 µm. In the animal experiment it became clear by biomechanical measurements that on the third day after surgery the stability of the anastomosis in the control group decreases and becomes critical. On that very day a significant higher biomechanical strength in group III (PDLLA+IGF-I) was found in comparison with the control groups I and II. The bursting pressure was nearly the same within group III on the different days after surgery. The histological evaluation supports the biomechanical results. More collagen and fibroblasts were found at the anastomotic site and less inflamation cells in group III comared to the control groups. This study demonstrated that coating of suture material with growth factors is possible and that the local application of IGF-I significantly improves anastomotic healing in a rat model. The suture material gives mechanical strength and works as a drug carrier at the same time. This way complications due to anastomotic leakage can be avoided and the morbidity and costs can be lowered.