Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Intravaskuläre Evaluierung biodegradierbarer Implantatwerkstoffe im Tiermodell am Beispiel Eisen

Arnold, Sylvia

The aim of the present study was the evaluation of biocompatibility and degradation behaviour of pure iron in a vascular murine model for cardiovascular applications. Therfore, a simple preclinical animal model was used, with wich biocompatibility and degradtion in an early state of development can be considered. Rolled iron foils were inserted in tail veins of 36 mice. In eleven animals the vessel was punctated as control. The implants were removed after three, six and nine months and histologically examinated with surrounding tissue. The effects of iron on the surrounding tissue were considered in light-microscopy and qualitatively characterized. The extent of the proceeded inflammation, the dissemination of the iron products and the regeneration of vessels around the implant were messured by semiquantitative histomorphometry. At four to seven animals of each time unit the implants and the tail were scanned by micocomputertomography. Moleculabiology analysis of the implant-associated tissue was performed nine months after implantation. All animals were regularly clinically examinated during the duration of the experiments. The implantation procedure of the iron foils was performed without any problems. One week after implantation no animal showed clinical symptoms of inflammation or circulatory disturbance. Histologically, a mild inflammation and foreign-body reaction could be detected, that was not changed significantly during observation period. Incorporated iron particles in macrophages in the implant surrounding area, such as increased accumulation of iron particles in the liver and in the spleen was shown. This indicates an evacuation of corrosion products in form of insoluble trivalent ironhydoxides by macrophages. Although a great amount of iron in relation to the small body size of the mouse was applicated, no functional failure of the organs was found. Quantitative and qualitative sufficient RNA for gene expression studies could be extracted and hybridized successfully on the gene chip. A classification of the up-regulated genes mainly took place in functional groups of the immune system process and response to external stimulus. Genes of the iron metabolism were not significantly regulated. The consideration of single genes showed regulation of calgranulin A and B, diverse integrins and nuclear factors, as well as the cytocine interferon 1ß. Down-regulated genes included several heat shock proteins, myosins and fatty acid synthase. These genes could give information about the pathway of metabolism of the degradation products. For the first time an advanced degradation of an iron implant could be shown by microcomputertomography after a relevant period of time. In reference to compatibility and rate of degradation, iron might be a promising material for the production of cardiovascular implants, although the organism does not eliminate its corrosion products completely. For the future, this animal model could be used to evaluate materials, that showed promising results in vitro, in an early preclinical state of developmental in reference to compatibility and metabolism.

Ziel der Arbeit war es, die Biokompatibilität und das Degradationsverhalten von Reineisen im vaskulären Mausmodell für die kardiovaskuläre Anwendung zu testen. Dafür wurde ein einfaches präklinisches Tiermodell verwendet, an dem sich Biokompatibilität und Degradationsgeschwindigkeit eines Materials zur kardiovaskulären Anwendung in einem frühen Stadium der Implantatentwicklung ablesen lassen. Dafür wurden gerollte Eisenfolien in die Mausschwanzvenen von 36 Tieren implantiert und bei elf Tieren zur Kontrolle das Gefäß punktiert. Die Implantate wurden nach drei, sechs und neun Monaten entnommen und mit dem umgebenden Gewebe histologisch untersucht. Dabei wurden die Auswirkungen des Eisens auf das umliegende Gewebe mikroskopisch betrachtet und qualitativ beschrieben. Das Ausmaß der stattgefundenen Entzündung, die Verbreitung der Eisenpartikel und die Gefäßneubildung um das Implantat herum wurden semiquantitativ histomorphometrisch gemessen. Bei jeweils einem Tier pro Zeiteinheit wurden einzelne eisenspeichernde Organe auf Ansammlung von Eisenpartikeln untersucht. Bei vier bis sieben Tieren pro Zeiteinheit wurden die Implantate im Schwanz belassen und mit diesem µ-computertomographisch gescant. Eine molekularbiologische Untersuchung des Implantat-assoziierten Gewebes von zehn Tieren erfolgte nach neun Monaten. Während der Versuchsdauer wurden die Tiere regelmäßig klinisch untersucht. Die Implantation der Eisenfolien erfolgte ohne Probleme. Eine Woche nach Implantation zeigte kein Tier klinische Symptome einer Entzündung oder Durchblutungsstörung. Histologisch konnte eine mäßige Entzündung und Fremdkörperreaktion festgestellt werden, die sich während des Beobachtungszeitraumes nicht signifikant veränderte. Inkorporierte Eisenpartikel in Makrophagen in der Implantatumgebung, sowie eine verstärkte Ansammlung von Eisenpartikeln in Leber und Milz wurden beobachtet. Diese weisen auf den Abtransport der Korrosionsprodukte in Form von unlöslichen dreiwertigen Eisenhydroxiden durch Makrophagen hin. Obwohl in Bezug auf die geringe Größe der Maus eine große Mengen an Eisen appliziert wurden, zeigten sich keine funktionellen Ausfälle der Organe. Molekularbiologisch konnte quantitativ und qualitativ ausreichend RNA für die Genexpressionsstudien gewonnen und erfolgreich auf die Genchips hybridisiert werden. Eine Einordnung der heraufregulierten Gene erfolgte hauptsächlich in funktionelle Gruppen des Immunsystemprozesses und der Antwort auf einen externen Stimulus. Die Betrachtung einzelner Gene ergab eine erhöhte Regulation u. a. von Calgranulin A und B, diverser Integrine und nukleärer Faktoren sowie dem Zytokin Interferon 1ß. Herunterreguliert waren v. a. verschiedene Hitzeschockproteine, Myosine und Fettsäuresynthase. Diese Gene könnten damit einen Hinweis auf die Art der Verstoffwechselung der Eisenprodukte geben. Bekannte Gene des Eisenstoffwechsels waren dabei nicht signifikant repräsentiert. µ-computertomographisch konnte erstmals eine weit fortgeschrittene Degradation von Reineisen nach neun Monaten gezeigt werden. Dies könnte der relativ großen Oberfläche der gerollten Eisenfolien zuzuschreiben sein. In Bezug auf Verträglichkeit und Degradationsgeschwindigkeit könnte Eisen daher ein vielversprechendes Material zur Herstellung kardiovaskulärer Implantate darstellen. Allerdings werden die Korrosionsprodukte vom Organismus nicht oder nicht komplett ausgeschieden. In Zukunft könnte dieses Modell verwendet werden, um Materialien, die sich in In-vitro-Tests als vielversprechend gezeigt hatten, in einer frühen präklinischen Phase auf Verträglichkeit zu testen, zu vergleichen und unbekannte Stoffwechselvorgänge aufzuzeigen.

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Arnold, Sylvia: Intravaskuläre Evaluierung biodegradierbarer Implantatwerkstoffe im Tiermodell am Beispiel Eisen. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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