Biologisch-technische Interfaces von Herzunterstützungssystemen – Interaktion von Kanülierungselementen mit Myokard und Blut

Abstract

Die Anschlusselemente von künstlichen Blutpumpen zur Herzunterstützung (VAD) sind aufgrund der Thrombogenität dieser Systeme prädestinierte Elemente bzgl. der Ausbildung von Thromben. Insbesondere die im Apex des linken Ventrikels liegende Zuflusskanüle heutiger Rotationsblutpumpen ist sowohl hinsichtlich des Auftretens als auch des Risikopotentials (Einsaugen von Thromben in die Pumpe / Embolisation ins arterielle Gefäßsystem) besonders kritisch.

An 175 explantierten Herzen von Patient:innen mit dem Medtronic HVAD™-System, nach Herztransplantation bzw. nach Versterben in situ entnommen, wurden zwischen 2009 und 2021 thrombotische Ablagerungen an der Zuflusskanüle in verschiedenen Bereichen fotografisch dokumentiert und die Thrombenlast erfasst. 2012 wurde durch den Hersteller eine Designänderung (Teilsinterung des unteren Bereiches der Zuflusskanüle) vorgenommen. In der vorliegenden Studie wurde ein direkter Vergleich der beiden Versionen (46 Fälle mit polierter [Pol] und 131 mit teilgesinterter [sTi] Zuflusskanüle), durchgeführt, um den Erfolg dieser Maßnahme zu untersuchen. Es wurden geometrische, hämodynamische und zeitliche Faktoren bzgl. ihres Einflusses auf das Thrombenwachstum berücksichtigt.

Die durch Sintern mit Titanmikrokügelchen texturierte Oberfläche an der Durchtrittstelle der Kanüle durch das Myokard verringerte das Thrombenwachstum signifikant (91,3% [Pol], 36,7% [sTi]; p<0,0001; mittlere Länge der Thromben 7,6mm [Pol], 1,9mm [sTi]; p<0,0001 [1]). Der Übergang von der gesinterten Basis zur polierten Spitze wurde als kritischer Ort für die Entstehung von Thromben erkannt. Thromben an dieser Stelle waren nach längerer Unterstützungszeit größer als im postoperativen Zeitraum der ersten 3 Monate (1-90 Tage nach Implantation 1,96mm gegenüber >90 Tage: 3,03mm; p=0,013 [1]). Die Gesamtinzidenz von Thromben unabhängig von der Lokalisation war durch die Designänderung nicht statistisch signifikant geringer geworden (91,3% [Pol], 86,3% [sTi]; p=0,372 [1]).

Diese Studie stellt die bislang einzige den Autoren bekannte umfassende klinische Beobachtung einer Vielzahl von relevanten Einflussfaktoren auf die Thrombenbildung an Zuflusskanülen von VAD dar. Bisherige veröffentlichte Untersuchungen beschränkten sich meist auf einzelne Aspekte, häufig in Form von computergestützten Simulationen.

Die wichtigsten Erkenntnisse dieser Studie waren: Eine texturierte Oberfläche der Zuflusskanüle ist Voraussetzung für ein schnelles und homogenes Einwachsen der Kanüle und damit ein minimiertes Risiko der Thrombenbildung an der Durchtrittstelle. Spezielles Augenmerk ist bei der Festlegung des Übergangs von texturierter zu polierter Oberfläche notwendig hinsichtlich Position und Konfiguration, da dieser einen zusätzlichen Ausgangspunkt für die Entwicklung von thrombotischen Ablagerungen darstellt.

Interfacing elements of ventricular assist devices (VAD) are prone to thrombus generation due to the thrombogenicity of the blood-contacting surfaces. Especially the intraventricular VAD inflow cannula has a high risk for embolizations causing pump thromboses or stroke secondary to thrombic mass mobilization.

Between 2009 and 2021, thrombus formations around the inflow cannula of the Medtronic HVAD™ systems were documented in 175 explanted hearts after heart transplantation or from deceased patients. Since the formerly polished inflow cannula was texturized by sintered titanium microspheres, photographic derived planimetric analysis of the thrombus load could be performed in both versions of the device (46 [Pol] investigated cases; 131 [sTi] cases). The thrombus load was correlated with geometric, hemodynamic and time depending factors.

There was a significantly reduced thrombus load at the entry site of the sintered inflow cannula (91.3% [Pol] vs. 36.7% [sTi]; p<0.0001; mean length 7.6mm [Pol], 1.9mm [sTi]; p<0.0001 [1]). However, the transition area between the sintered lower part of the cannula and the polished tip represents a new critical location for thrombus formation. The thrombus load increased with increasing time on VAD support (1-90 postoperative days (POD): 1.96mm vs. >90 POD: 3.03mm; p=0.013 [1]). Overall, there was no difference in the incidence of thrombus development at any of the two locations following the design adjustment (91.3% [Pol], 86.3% [sTi]; p=0.372 [1]).

Up to date this study is the first clinical observation of a multitude of relevant factors determining thrombus growth at the inflow cannula of VAD. Other studies are mostly limited to single aspects predominantly using computational simulations.

The main findings are: a structured inflow cannula surface is a prerequisite for homogenous and efficient wound healing and thus minimizes the risk of thrombogenesis at the entry site of the cannula. The transition from the structured to the polished part of the cannula requires special attention in terms of position and configuration, since this represents a new area at risk for thrombotic deposit development.