Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Evaluation einer selbsteinrollenden Chitosanfolie zum Überbrücken peripherer Nervendefekte

Huaroto Levy, Julia Isabel

Peripheral nerve defects are common problems resulting from accidents. Their repair normally requires a complex microsurgical procedure by specialists. However, such procedures can be avoided by the use of nerve guides, especially tubes. Many materials with positive characteristics have been examined for the construction of such tubes. Good results have been obtained from tests of permeable and bioabsorbable materials. Chitosan in particular is reported to show excellent qualities for the enhancement of  regeneration in different tissues.   Here, we report on the use of chitosan film, which automatically forms a tube, and automatically adjusts to the swelling nerve after resection. Furthermore, the procedure is very simple.   We resected the sciatic nerve in rats and used chitosan films to bridge a 10 mm gap. Both nerve stumps were introduced into a 14 mm long cuff restrained by two sutures. In order to test whether the length of the film affects the time and degree of regeneration, two different sizes were used, long (leading to 3 layers) and short (providing 1 layer). Furthermore, two other methods were examined for comparison; one in which the gap was bridged by silicone tubes, and one in which the stumps were connected by autologous nerve transplants. Further comparisons were made with a control group of nerves with a non-bridged 10 mm gap, a sham operation with no transection of the nerve, and untreated nerves. The surgical site was examined after one week and three months.   The degree of nerve regeneration was determined by macroscopical, electrophysiological and histological, especially immunohistological, examination. In all groups, the compound muscle action potentials (CMAP) measured in the M. gastrocnemius were analysed and compared as to amplitude and nerve conduct velocity. Immunohistological examination was made with antibodies against fibrin, axons (neurofilament), Schwann cells (S100, GFAP), and macrophages (ED1, ED2).   In all groups, and in almost all cases the stumps were connected after one week by a fibrin strand passing through the tube. The fibrin strand served as a matrix into which Schwann cells and axons grew. The diameter of the strand was greater in chitosan films than in silicone tubes. Macrophages were upregulated, especially in the proliferation zone in the proximal and distal parts of the matrix.   After three months, there was good regeneration in the chitosan group in almost every case with a quality equal to that of the autologous nerve transplant group. Schwann cells and axons regenerated through the films without complications. Blood macrophages accumulated at the tube wall, which started to degrade without signs of inflammation or foreign body reaction. The chitosan film was biocompatible, and clearly actively supported neuroregeneration. In only a single case did the silicone group show electrophysiological regeneration, even when a strand formed inside the tube. The tubes were surrounded by a thick capsule of connective tissue, indicating a foreign body reaction pattern, and the stumps showed neuromas and fibrosis.   Further analysis is necessary to determine the success of regeneration after long-term implantation and for more extensive nerve gaps. Our results comfirm that self-sizing chitosan films may be succesfully used instead of conventional neurosurgical procedures.

Verletzungen peripherer Nerven treten häufig als Folge von Schnitt- und Verkehrsunfällen bei Mensch und Tier auf. Eine adäquate und optimale Versorgung erfordert eine komplizierte mikrochirurgische Operation durch Spezialisten. Diese könnten durch den Einsatz von Nerven-Konduiten, insbesondere Röhrenstrukturen, vermieden werden. Dafür wurden verschiedenste Stoffe mit positiven Eigenschaften auf ihre Eignung untersucht. Permeable und resorbierbare Materialien wiesen gute Ergebnisse auf. Ausgezeichnete Eigenschaften zur Verbesserung der Nervenregeneration werden Chitosan zugesprochen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung einer speziellen Chitosanfolie zum Überbrücken von Nervendefekten. Die Folie rollt sich selbstständig zu einer Röhrenstruktur auf, passt sich dadurch automatisch dem anschwellenden Nerven an und ist sehr leicht anzuwenden.   Der N. ischiadicus in Ratten wurde durchtrennt und die Chitosanfolie zum Überbrücken einer Lücke von 10 mm eingesetzt. Die Nervenstümpfe wurden in die Öffnungen der 14 mm lange Röhrenstruktur eingeführt und mit zwei Einzelheften befestigt. Um zu untersuchen, ob die Foliengröße die Regeneration beeinflusst, wurden ein- und mehrlagig gewickelte Folien eingesetzt. Zum Vergleich kamen zwei weitere Behandlungsmethoden zur Anwendung: Erstens wurden Silikon-Konduiten und zweitens autologe Nerveninterponate zum Überbrücken implantiert. Weitere Vergleiche konnten mit einer Kontrollgruppe, bei denen die Nervenlücke nicht behandelt wurde, und einer Shamoperation ohne Durchtrennung vorgenommen werden.   Der Erfolg und das Ausmaß einer Nervenregeneration wurden durch makroskopische, elektrophysiologische und histologische, insbesondere immunhistologische, Analysen festgestellt. In allen Gruppen wurden die Massenaktionspotenziale (compound muscle action potentials, CMAP) im M. gastrocnemius gemessen. Die Amplituden und Nervenleitgeschwindigkeiten wurden miteinander verglichen. Für immunhistologische Untersuchungen wurden Antikörper gegen Fibrin, Axone (Neurofilament), Schwannzellen (S100, GFAP) und Makrophagen (ED1, ED2) verwendet. Nach einer Woche verband bei fast allen Tieren eine Fibrinstruktur die Stümpfe durch die Konduiten hindurch. Diese Struktur diente als Matrix, in welche Schwannzellen und Axone einwuchsen. Der Durchmesser der Fibrinmatrix war in Chitosanfolien größer als in den Silikon-Konduiten. Makrophagen wurden hochreguliert und akkumulierten besonders in den Proliferationszonen im proximalen und distalen Abschnitt der Matrix.   Nach drei Monaten zeigten fast alle Tiere der Chitosangruppe sehr gute Regenerationsergebnisse, welche mit denen der Interponatgruppe vergleichbar waren. Schwannzellen und Axone proliferierten durch die Folien ohne Komplikationen. Blutmakrophagen akkumulierten an den Chitosanwänden. An den Chitosan-Konduiten begann der Abbau ohne Zeichen einer Entzündung oder Fremdkörperreaktion. Die Chitosanfolie war biokompatibel und unterstützte aktiv die Nervenregeneration. Auch wenn sich im Inneren der Konduiten häufiger eine Verbindungsstruktur gebildet hatte, konnte in nur einem Tier der Silikongruppe eine elektrophysiologische Regeneration nachgewiesen werden. Das Silikon wurde als Zeichen einer Fremdkörperreaktion von außen mit einer dicken Bindegewebskapsel umhüllt. Die Stümpfe wiesen Neurome und Fibrosen auf.   Weitere Untersuchungen sind nötig, um den Erfolg bei Langzeitimplantation und bei Überbrückung ausgedehnterer Nervendefekte festzustellen. Unsere Resultate bestätigen, dass selbstanpassende Chitosanfolien konventionelle neurochirurgische Methoden erfolgreich ersetzen könnten.

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Huaroto Levy, Julia Isabel: Evaluation einer selbsteinrollenden Chitosanfolie zum Überbrücken peripherer Nervendefekte. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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