Etablierung eines Kleintiermodells für die Grundlagenforschung an Luftembolien:
Nachweis und Relevanz von Luftembolien bei zerebralen und kardialen katheterbasierten Interventionen
von Tabea Carina SchaeferIatrogene Luftembolien spielen bei unterschiedlichen zerebralen und kardialen endovaskulären Interventionen eine häufig unterschätzte Rolle für das Auftreten von postinterventionellen zerebralen Infarkten und daraus resultierenden neurologischen Funktionsstörungen. Das Gehirn ist aufgrund seiner Hypoxieempfindlichkeit und schlechten Kollateralisierung in besonderem Maße durch Luftembolien gefährdet.
In dieser Dissertation wird ein Modell zur Erforschung von Luftembolien entwickelt, mit welchem Luftblasen definierter und reproduzierbarer Größe und Anzahl produziert und im in in vivo - Modell appliziert werden können. Dieses Modell basiert auf einem Mikrofluidiksystem, mit dem die Zahl und Größe der erzeugten Luftblasen in Echtzeit unmittelbar vor der Injektion erfasst und kontrolliert werden kann. Hiermit ist eine systematische Untersuchung von Luftembolien im Kleintiermodell möglich – sowohl auf Basis von MR-tomographischen Untersuchungen in vivo als auch durch histologische Untersuchungen post mortem. Diese Methoden erlaubt, diverse Einflussfaktoren bei Luftembolien und die Pathophysiologie der daraus resultierenden Schädigungen näher zu untersuchen.
In einem ersten Schritt erfolgt die Etablierung des Modells. Es kann gezeigt werden, dass Luftblasen definierter Größe präzise und reproduzierbar erzeugt werden können (Median: 85,5 μm; SD 1,9 μm). Die automatische Zählung und Vermessung der Luftblasen erlauben eine Kontrolle der injizierten Blasen in Echtzeit. Durch die Möglichkeit, die Größe des Mikrofluidikkanals zu variieren und den Druck im System einzustellen, können Luftblasen unterschiedlicher Größe hergestellt werden. Somit bietet das Modell die Basis für systematische Studien mit unterschiedlichen Fragestellungen, etwa zum Einfluss der Bläschengröße, Bläschenzahl und des Applikationsorts auf das Infarktmuster.
In den meisten Fällen gelangt die Luft, welche Luftembolien verursacht, über einen Katheter in das Gefäßsystem. In einem zweiten Schritt werden daher Luftblasen proximal und distal eines Mikrokatheters vermessen und damit der Einfluss eines Katheters auf die Luftblasen untersucht. Es zeigt sich, dass sich nach Passage durch den Katheter der mittlere Durchmesser der Bläschen kaum verändert (Median: 86,6 μm), jedoch führt die Passage durch den Katheter zu einer größeren Streuung der Luftblasengröße (SD: 29,6 μm) und zu einer geringen Anzahl an Bläschen (60,1 % der injizierten Mikroluftblasen).
In einem dritten Schritt wird der Einfluss der Zahl der Luftblasen und des Applikationsorts auf die zerebrale Schädigung untersucht. Dabei bestätigt sich die Hypothese, dass eine höhere Anzahl an Luftblasen zu einer höheren Anzahl an Infarkten mit einem größeren totalen Infarktvolumen führt. Interessanterweise kann gezeigt werden, dass bei Injektion der gleichen Luftbläschenanzahl mit einheitlicher Blasengröße in die Aorta auf Höhe der Aortenklappe die gleiche Anzahl an zerebralen Infarkten nachzuweisen ist wie bei direkter Injektion in die A. carotis communis (5,5 vs. 5,5 (Median); p=0.769). Auch das Infarktmuster ist bei beiden Applikationsorten ähnlich. Allerdings sind die Infarkte größer, wenn die Luftblasen in die A. carotis communis injiziert werden (Infarktvolumen: 0,41 mm³ vs. 0,19 mm³ (Median); p<0.001). Dieses Ergebnis hat eine hohe klinische Relevanz, denn es lässt vermuten, dass das Risiko der Luftembolie durch kardiologische Interventionen ähnlich groß ist wie das durch neuroradiologische Interventionen. Bei Injektion in den rechten Vorhof – als Modell für die venöse Luftembolie – sind keine Infarkte nachweisbar. Dies zeigt, dass es bei der verwendeten Gesamtluftmenge im verwendeten Kleintiermodell nicht zu einer paradoxen Luftembolie kommt, am ehesten da die Filterkapazität der Lunge nicht überschritten wird.
Das im Rahmen dieser Dissertation etablierte Modell hat für weitere Untersuchungen zur Pathophysiologie, Prophylaxe und Therapie der iatrogenen Luftembolie eine hohe Relevanz, da das hier beschriebene innovative Setting (Luftblasengröße, Luftblasenzahl, Gesamtluftmenge, transfemorale Katheterisierung) weitgehend der simulierten Situation bei katheterbasierten Interventionen entspricht.
In dieser Dissertation wird ein Modell zur Erforschung von Luftembolien entwickelt, mit welchem Luftblasen definierter und reproduzierbarer Größe und Anzahl produziert und im in in vivo - Modell appliziert werden können. Dieses Modell basiert auf einem Mikrofluidiksystem, mit dem die Zahl und Größe der erzeugten Luftblasen in Echtzeit unmittelbar vor der Injektion erfasst und kontrolliert werden kann. Hiermit ist eine systematische Untersuchung von Luftembolien im Kleintiermodell möglich – sowohl auf Basis von MR-tomographischen Untersuchungen in vivo als auch durch histologische Untersuchungen post mortem. Diese Methoden erlaubt, diverse Einflussfaktoren bei Luftembolien und die Pathophysiologie der daraus resultierenden Schädigungen näher zu untersuchen.
In einem ersten Schritt erfolgt die Etablierung des Modells. Es kann gezeigt werden, dass Luftblasen definierter Größe präzise und reproduzierbar erzeugt werden können (Median: 85,5 μm; SD 1,9 μm). Die automatische Zählung und Vermessung der Luftblasen erlauben eine Kontrolle der injizierten Blasen in Echtzeit. Durch die Möglichkeit, die Größe des Mikrofluidikkanals zu variieren und den Druck im System einzustellen, können Luftblasen unterschiedlicher Größe hergestellt werden. Somit bietet das Modell die Basis für systematische Studien mit unterschiedlichen Fragestellungen, etwa zum Einfluss der Bläschengröße, Bläschenzahl und des Applikationsorts auf das Infarktmuster.
In den meisten Fällen gelangt die Luft, welche Luftembolien verursacht, über einen Katheter in das Gefäßsystem. In einem zweiten Schritt werden daher Luftblasen proximal und distal eines Mikrokatheters vermessen und damit der Einfluss eines Katheters auf die Luftblasen untersucht. Es zeigt sich, dass sich nach Passage durch den Katheter der mittlere Durchmesser der Bläschen kaum verändert (Median: 86,6 μm), jedoch führt die Passage durch den Katheter zu einer größeren Streuung der Luftblasengröße (SD: 29,6 μm) und zu einer geringen Anzahl an Bläschen (60,1 % der injizierten Mikroluftblasen).
In einem dritten Schritt wird der Einfluss der Zahl der Luftblasen und des Applikationsorts auf die zerebrale Schädigung untersucht. Dabei bestätigt sich die Hypothese, dass eine höhere Anzahl an Luftblasen zu einer höheren Anzahl an Infarkten mit einem größeren totalen Infarktvolumen führt. Interessanterweise kann gezeigt werden, dass bei Injektion der gleichen Luftbläschenanzahl mit einheitlicher Blasengröße in die Aorta auf Höhe der Aortenklappe die gleiche Anzahl an zerebralen Infarkten nachzuweisen ist wie bei direkter Injektion in die A. carotis communis (5,5 vs. 5,5 (Median); p=0.769). Auch das Infarktmuster ist bei beiden Applikationsorten ähnlich. Allerdings sind die Infarkte größer, wenn die Luftblasen in die A. carotis communis injiziert werden (Infarktvolumen: 0,41 mm³ vs. 0,19 mm³ (Median); p<0.001). Dieses Ergebnis hat eine hohe klinische Relevanz, denn es lässt vermuten, dass das Risiko der Luftembolie durch kardiologische Interventionen ähnlich groß ist wie das durch neuroradiologische Interventionen. Bei Injektion in den rechten Vorhof – als Modell für die venöse Luftembolie – sind keine Infarkte nachweisbar. Dies zeigt, dass es bei der verwendeten Gesamtluftmenge im verwendeten Kleintiermodell nicht zu einer paradoxen Luftembolie kommt, am ehesten da die Filterkapazität der Lunge nicht überschritten wird.
Das im Rahmen dieser Dissertation etablierte Modell hat für weitere Untersuchungen zur Pathophysiologie, Prophylaxe und Therapie der iatrogenen Luftembolie eine hohe Relevanz, da das hier beschriebene innovative Setting (Luftblasengröße, Luftblasenzahl, Gesamtluftmenge, transfemorale Katheterisierung) weitgehend der simulierten Situation bei katheterbasierten Interventionen entspricht.