Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Maria Stößel

Evaluation of enhanced chitosan nerve guides in hindlimb and forelimb rat models of peripheral nerve regeneration

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110963

title (ger.)

 Evaluation der Regeneration peripherer Nerven durch weiterentwickelte Chitosan-Nervenleitschienen in Hinter- und Vordergliedmaßen der Ratte

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/stoesselm_ws17.pdf

abstract (deutsch)

Periphere Nerven besitzen die intrinsische Fähigkeit, nach vorangegangener Verletzung zu regenerieren und bei erfolgreicher Reinnervation der Zielorgane eine Rekonstitution von Sensibilität und Motorik zu erreichen. Nach aktuellen Schätzungen leiden dennoch Millionen Menschen an den Spätfolgen peripherer Nervenverletzungen (PNV), da die funktionelle Wiederherstellung in der Regel unvollständig bleibt. Neben dem Alter und der gesundheitlichen Konstitution eines Patienten, beeinflussen verschiedene weitere Bedingungen den finalen Regenerationserfolg, wobei Lokalisation und Schweregrad der PNV dabei den größten Einfluss ausüben. Auch die Zeitspanne zwischen Verletzung und erfolgter Behandlung ist ein bedeutender Faktor. Seit dem frühen 19. Jahrhundert wurden die Möglichkeiten mikrochirurgischer Eingriffe stetig verbessert. Nichtsdestotrotz ist die Prognose nach PNV weiterhin unbefriedigend. Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftler verschiedener Fachrichtung an alternativen Behandlungsstrategien. Ein Fokus liegt dabei auf der Entwicklung künstlicher Nervenleitschienen (NLS). Vor wenigen Jahren wurde eine NLS aus Chitosan (CNLS) bis zur Marktreife geführt, wobei Chitosan bereits in vielen biomedizinischen Produkten Anwendung findet. Bisher sind jedoch die Mechanismen ungeklärt, durch welche besonders dieses Material die periphere Nervenregeneration fördert.

 

In Studie I konnten wir zunächst einen immunomodulatorischen Effekt von Chitosan auf Makrophagen aufdecken. Während der frühen Phase nach einer PNV besitzen besonders Makrophagen eine Schlüsselfunktion in den induzierten Regenerationsprozessen. Dank dieser Ergebnisse konnten wir eine potentielle Wirkweise aufzeigen, durch die weiterentwickelte CNLS zu bessere Regenerationserfolge in vorherigen Tierversuchen im gängigen Nervus ischiadicus Modell der Ratte führten. Aufgrund der klinischen Relevanz wurden diese CNLS, welche zuvor mit einem intraluminalen Chitosanfilm bestückt wurden, in Studie I umfangreich im selben Tiermodell jedoch nun vor dem Hintergrund der verzögerten Rekonstruktion getestet. Parallel haben wir uns in Studie II damit beschäftigt, hochbiegsame CNLS zu entwickeln. Bei über 50% der behandelten Patienten sind die Fingernerven betroffen, was häufig eine gelenküberspannende Rekonstruktion der betroffenen Nerven erfordert. Wie verschiedene klinische Studien zeigten, ist die Mehrzahl der zugelassenen NLS jedoch nicht dafür geeignet. In unseren Versuchen konnten die hochbiegsamen CNLS sowohl nach sofortiger als auch nach verzögerter Rekonstruktion des durchtrennten Nervus ischiadicus der Ratte einen zu den klinisch zugelassenen CNLS vergleichbaren Regenerationserfolg erzielen. Zur in vivo Untersuchung einer komplikationsärmeren NLS zur späteren Rekonstruktion gelenküberspannender Fingernerven stellt jedoch der Nervus medianus der Ratte ein geeigneteres Modell dar. Aus diesem Grund haben wir in Studie III dieses Tiermodell in unserer Gruppe etabliert und weiterentwickelt. Durch kombinierte Anwendung dreier verschiedener funktioneller Tests war es uns erstmals möglich, Beginn und Verlauf der Nervenregeneration nach Rekonstruktion des Nervus medianus der Ratte detailliert darzustellen.

 

Die umfangreichen Ergebnisse dieses PhD Projektes bilden die Grundlage für weitere Arbeiten an der Entwicklung einer idealen NLS sowohl zur Rekonstruktion langstreckiger oder aber auch gelenküberspannender Nervendefekte.

abstract (englisch)

In contrast to the central nervous system, peripheral nerves have the intrinsic capacity to regrow following injury and to restore sensation and motor function upon successful reinnervation of their target organs. However, it is estimated that millions of people suffer from peripheral nerve injuries (PNIs) since functional recovery often remains incomplete. Besides the patients’ age and general health condition, several other circumstances may impede the regenerative outcome. Most crucial factors are the location and severity of a PNI. Furthermore, the applied type of treatment, i.e. acute or delayed reconstruction, strongly influences the chances of regeneration. Although microsurgical techniques have been advanced since the early 19th century, we still have to face overall poor recovery rates. Therefore, scientists of many disciplines strive for alternative treatment strategies mainly focusing on the development of innovative nerve guidance conduits (NGCs). Two years ago, a NGC made of chitosan (CNG; i.e. chitosan nerve guide) entered the market. Chitosan is a promising biomaterial that is already widely used in several biomedical applications. However, the mechanism by which it facilitates peripheral nerve regeneration remained unknown so far.

 

In study I, we detected an immunomodulatory effect of the chitosan material on macrophages, which play a key role during the early processes following PNIs. Based on these new insights, we were able to reveal a potential mechanism by which CNGs enhanced with a longitudinally introduced chitosan film could have led to better results upon evaluation in the commonly applied rat sciatic nerve model. In study I, pre-clinical evaluations of these enhanced CNGs were carried out in a delayed repair approach due to clinical relevance. Besides, we enhanced CNGs in another direction considering that most of the clinically approved NGCs are not suitable to reconstruct nerves across joints, although the majority of PNIs occurs in the digital nerves. In the course of study II, we developed highly bendable CNGs that satisfactorily enabled functional recovery of the injured rat sciatic nerve to the same extend as the clinically available CNGs, again after acute and delayed reconstruction. However, this rat sciatic nerve model does not represent the best choice to mimic the highly mobile proximity of human digital nerves. In study III, we addressed this shortcoming and established the rat median nerve model in our group. Furthermore, we advanced this model by successful combination of three non-invasive evaluation methods to comprehensively monitor functional recovery over time. For the first time, we were able to precisely display a timeline on the onset and progression of peripheral nerve regeneration within this model.

The results obtained in the course of this PhD project deliver comprehensive knowledge for any future work on the development of enhanced CNGs for both reconstruction approaches, i.e. the delayed reconnection of long gap peripheral nerve defects as well as the repair of joint-crossing digital nerves.

keywords

Regeneration peripherer Nerven, Chitosan-Nervenleitschienen, Ratten Tiermodelle (Nervus ischiadicus, Nervus medianus), Peripheral nerve regeneration, Chitosan nerve guides, Rat sciatic and median nerve models

kb

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