Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Prüfung der Biokompatibilität und Funktionalität eines innovativen Magnetventil-Implantats zur Glaukomtherapie im Kaninchenmodell

Schwerk, Birthe

Trotz bedeutender Therapiefortschritte zählt das Glaukom weiterhin zu den häufigsten Erblindungsursachen weltweit. Aktuelle Glaukom-Drainagesysteme zur operativen, langfristigen Therapie zeigen limitierte Erfolgsraten aufgrund einer häufig einsetzenden Fibrosierung und Verlegung der Drainage. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein innovatives magnetisch steuerbares Silikon-Magnetventil-Implantat zur Verhinderung einer Fibrosebildung im Abflusssystem im Tiermodell Kaninchen untersucht. Die Arbeit setzte sich aus zwei Experimenten zusammen, in denen die Durchführbarkeit der Operationsmethode, die Prüfung zweier Prototypen, die Funktion und Biokompatibilität der Implantate über verschiedene Zeiträume geprüft wurden. Postmortal wurden die Biokompatibilität des Implantats histologisch und die Ventilfuge rasterelektronenmikroskopisch bewertet. In einem zweiwöchigen Kurzzeitversuch wurden zwei Prototypen des zu untersuchenden Implantats in jeweils fünf gesunden New Zealand White Kaninchen auf ihre in vivo Fließeigenschaften und Verträglichkeit untersucht. Die Implantate unterschieden sich im Design des Ventilbereichs und der Dicke des Implantats. Die postoperative tonometrische Untersuchung zeigte statistisch signifikante Vorteile in der Regulation des Augeninnendrucks durch das Implantat-Modell mit einer nach ventral abgedichteten Ventilfuge (Prototyp B). In der direkten Ophthalmoskopie war eine initiale postoperative Entzündungsreaktion nachweisbar. Die pathohistologische Aufarbeitung zeigte eine überwiegend geringgradige Fremdkörperreaktion. Prototyp B wurde anschließend in einer modifizierten Form in einem viermonatigen Langzeitversuch getestet. Jeweils 10 gesunde New Zealand White Kaninchen wurden in drei Gruppen zusammengefasst, bei denen die Öffnungsfrequenz des Implantat-Ventils unterschiedlich gewählt wurde. Die vorgesehene Ventilöffnung wurde mittels Magneten im Rahmen der direkten Ophthalmoskopie ausgeführt und war größtenteils erfolgreich. Postoperativ war in wenigen Fällen eine transiente, okulare Hypotonie zu beobachten. Auch die initialen Entzündungsanzeichen klangen schnell ab. Der Konjunktiva-Flap löste sich im Laufe der Beobachtung bei fast allen Tieren, wodurch die Implantate partiell oder vollständig unbedeckt waren. Außerdem lockerten sich 73 % der Implantate, 33 % der Tiere erlitten einen vollständigen Implantat-Verlust. Mit der rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung konnte die Ventilfuge des Implantates bewertet werden. Abhängig von den Öffnungsfrequenzen stellte sich der Anteil an extrazellulärer Matrix als mäßig bis gering dar. Histologisch wurde eine reguläre fibröse Gewebsbildung seitlich und unterhalb des Implantats gefunden. In 68 % der histologischen Proben lag am Ende der Studie ein Verschluss der Sklerotomieöffnung vor. Das untersuchte Magnetventil-Implantat hat das Potential, als Glaukom-Drainagesystem zu fungieren. Positiv sind hierbei die mögliche nicht invasive Steuerung des Augeninnendruckes, die schnelle Abnahme der Entzündungsreaktion und die gute Biokompatibilität. Das Prinzip, durch die magnetische Steuerung den Ventilbereich offen zu halten, konnte bestätigt werden. Künftige Implantat-Modifikationen sind nötig, um die Sklerotomiefistel offen zu halten. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Wichtigkeit von Langzeit-Tierexperimenten in der Implantat-Forschung auch nach erfolgreichen in vitro und Kurzzeit-in-vivo-Studien.

Glaucoma remains one of the leading causes of irreversible blindness worldwide despite of therapeutic progress. Current glaucoma drainage devices for operative, long-term glaucoma therapy show limited success rates due to frequently emerging fibrous encapsulation and implant obstruction. Thus, an innovative magnetically adjustable silicone-valve-implant intending the prevention of fibrous formation in the outflow tract was examined in rabbits in the present work. The present study included two experiments, comparing two prototypes and evaluating the surgical techniques, the functionality and biocompatibility of the implants over different time periods. Postmortal, the biocompatibility and the valve kerf of the implant were verified in pathohistology and scanning electron microscopy, respectively. In a two-week short-term experiment, two prototypes of the examined implant were evaluated in terms of their in vivo flow characteristics and compatibility in five healthy New Zealand White rabbits, respectively. The implants differed in the design of the valve area and the implant thickness. The postoperative tonometric results showed statistically significant advantages in terms of the intraocular pressure control for the prototype with ventrally sealed valve kerf (prototype B). In the direct ophthalmoscopy, an initial postoperative inflammatory reaction was detectable. Histologically, mild foreign body reaction was mainly proved. In a four-month long-term experiment, the modified prototype B was tested. Ten healthy New Zealand White rabbits were summarised in three groups, respectively, which differed in the opening frequency of the implant valve. The valve opening was performed with a magnet in direct ophthalmoscopy and was mostly proved as successful. Postoperatively, transient ocular hypotony was rarely observed. The initial inflammatory reaction declined rapidly. The conjunctiva flap of almost all animals became loose during the experimental period, whereby the implants were partially or completely uncovered. During the experiment 73 % of the implants loosened and 33 % of the rabbits lost their implant. The evaluation of the valve kerf of the implant was possible in the scanning electron microscopic examination. Depending on the valve opening frequency, moderate to mild amounts of extracellular matrix were found. Histologically, regular fibrous tissue formation was detectable under and lateral of the implant. In 68 % of the histological specimens, a closure of sclerotomy existed at the end of the study. The examined implant showed potential as glaucoma drainage system. The possible non-invasive control of intraocular pressure, the rapid decline of the inflammatory reaction and the good biocompatibility were positively considered. The principle of preventing outflow tract obstruction by the magnetically adjustable valve mechanism was confirmed. Future implant modifications are necessary to ensure the patency of sclerotomy. The present work underlined the significance of long-term animal experiments in implantology to verify also previous positive results in in vitro and in vivo short-term studies.

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Schwerk, Birthe: Prüfung der Biokompatibilität und Funktionalität eines innovativen Magnetventil-Implantats zur Glaukomtherapie im Kaninchenmodell. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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