Development of a polymeric coating for cochlear implant electrodes to deliver dexamethasone into the inner ear

Ceschi, Piera

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Development of a polymeric coating for cochlear implant electrodes to deliver dexamethasone into the inner ear

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Cochlea-Implantate (CI) werden immer häufiger für die Behandlung von Patienten mit sensorineuralem Hörverlust eingesetzt. In den letzten Jahren wurden deutliche Fortschritte in diesem Bereich, insbesondere im Hinblick auf Sprachwahrnehmung im Störgeräusch und beim Telefonieren, gemacht. Allerdings bleiben einige relevante Fragen offen, z. B. hinsichtlich der Verbesserung des Elektrode-Nerven Kontaktes. Um bessere Ergebnisse zu erzielen wurden das chirurgische Vorgehen und die technischen Eigenschaften des Implantates verbessert. Außerdem sind Strategien für die intertrochantäre Gabe von Antiphlogistika, die das Gewebewachstum um den Elektrodenträger nach der Implantation reduzieren sollen, entwickelt worden. Um die Wirkungen der Behandlungen im Innenohr zu untersuchen, muss eine histologische Analyse der Cochlea nach der Implantation durchgeführt werden. Die Einbettung des Präparates in Paraffin ist als Technik für die Untersuchung der Cochlea akzeptiert. Da die Elektrode jedoch metallische Teile enthält, die nicht geschnitten werden können, muss die Elektrode vor der Einbettung entfernt werden. Dadurch können auch Teile des Bindegewebes um den Elektrodenträger entfernt werden, was zu einem Mangel an Informationen über das Bindegewebewachstum um den CI führen kann. Um dies zu vermeiden, können die Proben in Epoxid eingebettet und danach geschliffen werden. Diese Technik wurde bereits für Insertions-Studien in Felsenbeinen verwendet. Jedoch war bisher nicht bekannt, ob diese Methode auch für die Untersuchung der Auswirkung lokaler Behandlungen auf die Nervenzellen des Innenohres, die Spiralganglienzellen (SGZ), geeignet ist. Daher wurden in dieser Arbeit Paraffineinbettung und Epoxideinbettung hinsichtlich Spiralganglienzelldichte und –durchmesser verglichen. Die Untersuchungen zeigten, dass nach Epoxideingettung SGZ-Dichte und -durchmesser in allen Windungen reduziert waren. Dies ist wahrscheinlich auf das Trocknen der Proben während der Einbettung zurückzuführen. Einen Beitrag hierzu liefert aber auch die Art der Auswertung, da nach Epoxideinbettung lediglich Informationen von der Oberfläche der Probe, nach Paraffineinbettung aber aus der gesamten Schnittdicke erhalten werden. In Analogie zu nicht ganz unumstrittenen Literaturwerten konnte der kleinste Durchmesser für gesunde SGZ nach Einbettung in Epoxid auf 8.4 μm bestimmt werden. Obwohl das Gewebe nicht so gut wie bei Paraffineinbettung konserviert ist, kann das Innenohr – insbesondere Anzahl und Durchmesser der SGZ – nach Einbettung in Epoxid dargestellt und ausgewertet werden. Daher wurde diese Methode gewählt, um neue Polymerbeschichtungen für CI in vivo zu untersuchen. Zwei biologisch abbaubare Polymere, Poly-L-Lactid (PLLA) und Poly-4-Hydroxybutyrat (P(4HB)), wurden als potentielle Substanzen für die Entwicklung einer CI-Beschichtung zur intracochleären Gabe von Antiphlogistika ausgewählt und in vitro und in vivo getestet. In vitro war das Überleben von SGZ auf allen Materialien reduziert, jedoch zeigten die Polymere keine toxischen Effekte im Vergleich zu Silikon. In vivo wurden Modellelektroden für 1 bis 6 Monate in die Scala tympani von normalhörigen Meerschweinchen implantiert. Obwohl schon nach einem Monat alle Tiere erhöhte Hörschwellen zeigten, wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den implantierten Gruppen nachgewiesen. Darüber hinaus, zeigten die histologischen Untersuchungen eine signifikante Reduktion der Anzahl der SGZ in der P(4HB) – Gruppe sechs Monate nach der Implantation in den basalen und mittleren Windungen und nur im Vergleich zu den normalhörigen Tieren. In der PLLA – Gruppe wurde ebenfalls sechs Monate nach der Implantation und nur im Vergleich zu den normalhörigen Tieren in den mittleren und apikalen Windungen eine Reduktion der Anzahl der SGZ nachgewiesen. Allerdings wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen unbeschichteten und beschichteten Proben gefunden, was zu dem Schluss führt, dass die Implantation und das damit verbundene Trauma eher einen Einfluss auf das SGZ Überleben hat, als die Degradation der Polymere. P(4HB) zeigte im Vergleich zu PLLA eine bessere mechanische Stabilität und eine gleichmäßigere Degradation. Daher wurde eine P(4HB)-Beschichtung gewählt, um die Auswirkungen der Freisetzung von Dexamethason im Innenohr zu untersuchen. Da in vitro keine toxischen Effekte von Dexamethason auf das Überleben der SGZ gefunden wurden, wurde P(4HB) mit Dexamethason beladen und entsprechend beschichtete Prototypen in die Cochlea von normalhörenden Meerschweinchen implantiert. Nach einem Monat waren die Hörschwellen in allen Gruppen erhöht, aber nur in der unbeladenen P(4HB) – Gruppe wurde bei einer Frequenz von 8 kHz eine signifikante Erhöhung nachgewiesen. Bei einer Frequenz von 32 kHz, also etwa dort, wo die implantierten Proben zu liegen kommen, wurde bei allen Gruppen außer bei der DMS-30 – Gruppe eine signifikante Erhöhung der Hörschwellen festgestellt. Dies könnte auf einen protektiven Effekt des Dexamethasons hinsichtlich der Reduktion des Insertionstraumas hindeuten. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur histologischen Analyse implantierter Cochleae mit dem Elektrodentröger in situ im Hinblick auf ihre Auswirkung auf das Gewebe des Innenohres, insbesondere die SGZ, charakterisiert. Unter Verwendung dieses Verfahrens erwiesen sich PLLA und besonders P(4HB) Beschichtungen als geeignet für die Anwendung auf CI. Über die Gabe von Dexamethason aus der P(4HB) Beschichtung konnte das Potential dieser Polymerbeschichtungen für die langfristige Gabe von Antiphlogistika im Innenohr gezeigt werden. Diese Strategie könnte für die betroffenen Patienten einen neuen Weg zur Reduktion des Bindegewebewachstumes nach CI Implantation aufzeigen.

Cochlear implants (CIs) are increasingly used for the treatment of patients suffering from sensorineural hearing loss (SNHL). Remarkable progress has been made in recent decades, and tangible results have been achieved in terms of speech perception both in quiet and noise, as well as during phone calls. However, some relevant issues remain unresolved, notably a poor electrode-nerve interface. Efforts are being made to improve the surgical procedure, the technical properties of the device, and to develop strategies for intra-cochlear anti-inflammatory drug delivery to reduce the tissue growth around the electrode array after implantation. To explore the effects of inner ear treatments, morphological analysis of the cochlea subsequent to implantation is essential. Paraffin embedding is well accepted as a technique for the investigation of the inner ear; however, the electrode has to be removed prior to embedding, as the metallic parts cannot be sectioned. This results in a lack of information about the presence of inflammatory tissue around the CI, as part of it is removed together with the electrode. Another strategy involves embedding the specimens in epoxy and subsequent grinding. This technique, which has been used for insertion studies in temporal bones, provides scope for embedding and grinding the cochlea after implantation without removal of the electrode. As it was still unclear whether this approach also allows the effects of any treatment on SGCs to be evaluated, the epoxy-embedding method was explored and compared with the paraffin-embedding technique in respect of SGC density and diameter. The present study showed that SGC density and diameter were reduced in all cochlear regions for specimens embedded in epoxy. This was probably due to the drying process during epoxy embedding – which can cause shrinking of the SGCs – and to the documentation approach, as information was obtained from the surface of the specimens, while information from paraffin sections was collected through the full thickness of the slices. Finally, it was possible to estimate a lower diameter limit for viable SGCs in cochleae processed for epoxy embedding (8.4 μm). This was calculated taking into consideration the lower limit for viable SGCs embedded in paraffin as given in the literature, although this value is admittedly still under debate. This study confirmed that, although tissue after epoxy embedding is not as well preserved as with paraffin embedding, the inner ear structures – in particular SGC density and diameter – can be investigated subsequent to epoxy embedding and grinding of the specimens. The technique was hence applied to investigate novel polymeric coatings for CIs. Two biodegradable polymers, poly-L-lactide (PLLA) and poly-4-hydroxybutyrate (P(4HB)), were chosen as potential platforms for a sustained intra-cochlear anti-inflammatory drug delivery and tested both in vitro and in vivo. In vitro SGC survival was reduced on all materials; however, no negative effects were exerted by the polymers in comparison with silicone. In vivo prototypes were implanted inside the scala tympani of normal-hearing guinea pigs for one to six months. Although all subjects already exhibited a threshold shift after only one month, no significant differences between implanted groups were found. Moreover, histological analysis showed a decrease in SGC density in animals that received a P(4HB) prototype in the basal and middle turns of the cochlea, and also in the PLLA group in the middle and apical cochlear turns merely six months post-implantation (in comparison with the normal-hearing guinea pigs only). However, no significant differences were detected between subjects which received the silicone samples and animals which were implanted with coated prototypes (both P(4HB) and PLLA). Hence, considering these findings and the fact that the prototypes have been implanted only in the basal cochlear turns, it is more likely that these outcomes are attributable to surgical trauma than to a toxic effect on SGCs exerted by the degradation of the polymers. P(4HB) showed better mechanical stability during implantation, and prototype analysis after explantation revealed that it is characterized by a more gradual degradation than PLLA is. Hence, P(4HB) would be preferable for use as a CI coating. On the basis of these outcomes, further testing was justified to investigate the effects of P(4HB) coating loaded with dexamethasone inside the inner ear. As no toxic effects of dexamethasone on SGCs were observed in vitro, a P(4HB) coating was loaded with dexamethasone, and prototypes were implanted in the cochlea of normal-hearing guinea pigs. After one month, hearing thresholds were shifted at high frequencies for all groups; however, a significant shift was detected only at a frequency of 8 kHz for the subjects who received an unloaded P(4HB) prototype, perhaps due to the surgical trauma. Importantly, at 32 kHz – a frequency associated with the anatomical structures close to the site where the specimens were positioned – hearing thresholds were significantly increased in all groups other than the DMS-30 group, suggesting a protective role of dexamethasone from surgical traumas in these animals. The investigations presented in this thesis allowed the characterization of epoxy embedding for histological evaluation of the effects of cochlear implantation on the soft tissue of the inner ear, with particular regard to SGCs. Using this method, PLLA and P(4HB) were found to be suitable for polymeric coating of these implants, with some advantages for P(4HB), justifying its use for the delivery of dexamethasone into the inner ear as an alternative means of sustained intra-cochlear delivery of anti-inflammatory drugs. This strategy would open up a new scenario for the management of the post-surgical tissue responses in CI patients.