Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur Reduktion von Gewebewachstum und Impedanz sowie zum Erhalt des Resthörvermögens durch Dexamethason-Langzeitapplikation nach Cochlea-Implantation im Tiermodell

Wilk, Maciej Ernest GND

Eine optimale Cochlea-Implantat(CI)-Versorgung hängt zum einen von der Anzahl intakter Spiralganglienzellen (SGZ), dem Zielort der elektrischen Stimulation und zum anderen vom Ausmaß der als Fremdkörperreaktion auf die Insertion des CIs auftretenden chronischen Entzündungsprozesse und Bindegewebsproliferation zwischen Prothese und Hörnerv ab. Eine Fibrosierung um den Elektrodenträger wird als der Grund für eine postoperative Erhöhung von Impedanzen und damit einen geringeren Lautstärkenbereich angesehen. Dexamethason (DEX) könnte zu einer Reduktion des Bindegewebswachstums mit nachfolgender Impedanzreduktion an den Elektrodenkontakten und zum Erhalt des Resthörvermögens führen. Allerdings lagen bisher keine Studien zur Sicherheit einer Glukokortikoid-Therapie auf das Innenohrgewebe, speziell der SGZ, vor. In der vorliegenden Studie wurde deshalb der Silikon-Elektrodenträger eines CIs mit Dexamethason in einer 1 %-igen bzw. 10 %-igen Konzentration beladen. Elektrodenträger ohne Dexamethason dienten als Kontrolle. Die Insertion des Implantats in die Cochlea von Meerschweinchen erfolgte mit einem Zugang über die Rundfenstermembran. Mittels eines evozierten Elektroden-Insertions-Traumas wurde ein Tiermodel geschaffen, das eine ausreichende Pathologie entwickelt, um mögliche Therapiestrategien zu untersuchen. Die Freisetzungsraten von Dexamethason waren in den ersten Tagen höher (62 ng/Tag für 1 % DEX und 166 ng/Tag für 10 % DEX) als die durchschnittlichen Freisetzungsraten über den gesamten Untersuchungszeitraum von 91 Tagen (16 ng/Tag für 1 % DEX und 49 ng/Tag für 10 % DEX). Mögliche additive oder synergistische Effekte einer Elektrostimulation über 60 Minuten auf die Impedanzentwicklung wurden mittels Impedanzmessung vor und nach der Stimulation am Tag der Implantation (Tag 0) sowie an Tag 7, 28, 56 und 91 direkt vor der Euthanasie der Tiere untersucht. Die Impedanzmessungen erfolgten zuerst an dem ersten, basalen und danach am zweiten, mehr apikal gelegenen Elektrodenkontakt. Akustisch evozierte, auditorische Hirnstammpotentiale (AABR) wurden vor dem operativen Eingriff abgeleitet, um die Ausgangs-Hörschwelle, d. h. den Hörstatus der Tiere vor der Manipulation, zu bestimmen. Weitere AABR-Messungen erfolgten nach der Operation sowie an Tag 7, 28, 56 und direkt vor der Euthanasie an Tag 91. Histologische Untersuchungen, um den Grad der Bindegewebsformation in der Scala tympani zu bestimmen, wurden an den in Epoxidharz eingebetteten Proben der entnommenen Cochleae durchgeführt. Dazu wurden die Rundfensternische, die Basalregion hinter der Nische und die erste basale Windung hinter dem Modiolus untersucht, da nur basal eine Fibrosebildung festgestellt wurde. Zudem wurden midmodiolare Schliffe des Rosenthal’schen Kanals histologisch aufgearbeitet, um die Dichte und den Zelldurchmesser der SGZ zu untersuchen In allen Experimentalgruppen wurden die höchsten Bindegewebsformationen in der Basalregion der Cochlea nahe der Rundfensternische detektiert. Beide Dexamethason-Konzentrationen (1 % und 10 %) reduzierten die Fibrose um den Elektrodenträger des CIs signifikant. Die Behandlung mit 10 % DEX führte sowohl in der Basalwindung der Cochlea (p < 0,05) als auch in der Rundfensternische (p < 0,01), die mit 1 % DEX nur in der Rundfensternische (p < 0,05) zu einer signifikant geringeren Fibrosierung im Vergleich zur Kontrollgruppe. Drei Monate nach der Implantation konnten signifikant niedrigere Impedanzwerte in beiden Dexamethason Gruppen als in der Kontrollgruppe ermittelt werden, wobei mit 10 % DEX ein größerer Effekt nachzuweisen war. Gleiche Effekte wurden auch vor und nach einer Elektrostimulation beobachtet: Niedrigste Impedanzen ergaben sich in der 10 % DEX-Gruppe nach der Elektrostimulation. Das Ausmaß des Bindegewebswachstums um den Elektrodenträger korrelierte signifikant mit den gemessenen Impedanzwerten am basalen Elektrodenkontakt (r = 0,37; p = 0,031) sowie am apikalen Kontakt (r = 0,38; p = 0,024). Die höchste Korrelation fand sich zwischen dem Bindegewebswachstum an der Rundfensternische und den Impedanzen am basalen Kontakt (r = 0,48; p = 0,0036). Hier führte die starke Fibrose zu einer deutlichen Impedanzerhöhung. Dagegen fand sich keine Beziehung zwischen der Bindegewebsbildung und dem Hörverlust, wobei die 10 % DEX-Gruppe zum Teil signifikant höhere Hörschwellen aufwies als die Kontrollgruppe. Die Dexamethason-Applikation hatte auf die Dichte der SGZ weder in der gesamten Cochlealänge noch in der basalen Region einen negativen Einfluss. Beide Dexamethason-Konzentrationen (1 % und 10 %) zeigten im Vergleich zur Kontrollgruppe einen vergrößerten Zelldurchmesser der SGZ in der ganzen Cochlealänge, der annähernd dem Zelldurchmesser normal hörender Meerschweinchen entspricht. Dieser Effekt wurde dagegen in der Basalregion nicht beobachtet. Zusammenfassend konnte diese Studie eine Korrelation zwischen dem Ausmaß der Bindegewebsbildung um die Elektrode und der Impedanzerhöhung nach einer Cochlea-Implantation mit Dexamethason-freisetzenden Elektroden aufzeigen. Dabei konnte eine insertionsbedingte Impedanzerhöhung und eine reduzierte Fibrosierung nachgewiesen werden. Aus den Ergebnissen kann gefolgert werden, dass Dexamethason-freisetzende CIs nicht nur die Bindegewebsbildung reduzieren, sondern auch durch Senkung der Elektrodenimpedanz den funktionellen Nutzen eines CIs verbessern. Allerdings ergab sich durch die Dexamethason-Anwendung in höherer (10 %) und niedriger (1 %) Dosierung in keiner der geprüften Frequenzen eine Schutzwirkung auf das Resthörvermögen. Andererseits zeigte die Studie, dass Dexamethason-Konzentrationen von 1 % und 10 % in einem Silikon-Elektrodenträger für die Applikation im Innenohr im Hinblick auf die Anzahl intakter SGZ eine sichere Behandlungsform darstellen. Die Ergebnisse sind für die klinische Anwendung von Dexamethason bei der Lokalbehandlung des Innenohres im Hinblick auf eine CI, wie auch für weitere Anwendungsgebiete von großer Bedeutung und sollten zukünftig in nachfolgenden Studien weiter untersucht werden.

Optimal cochlear implant (CI) supply depends on the number of intact spiral ganglion neurons (SGN), target place of the electrical stimulation, and on minimizing chronic inflammatory processes and connective tissue proliferation between prosthesis and auditory nerve, a sign of foreign body reaction after insertion of CI. Fibrous tissue growth around the electrode array is thought to be the cause behind post-operative increase in impedance with decrease in loudness levels. Dexamethasone (DEX) eluting CIs may reduce loss of residual hearing and fibrous tissue growth, with decreasing impedance levels on the electrode, but the safety of glucocorticoid therapy on inner ear tissue, in particular spiral ganglion neurons isn’t yet clear. For this study, dexamethasone was incorporated into the silicone of the CI electrode arrays at 1 % and 10 % (w/w) concentration. Electrodes prepared by the same process but without dexamethasone served as controls. All electrodes were implanted into guinea pig cochleae through the round window membrane approach, and insertion trauma was created by repeating insertion and explantation of the CI. Release rates of dexamethasone were higher in the early stages of the experimental period of 91 days with average release rates from dexamethasone 1 % and 10 % loaded electrodes estimated to be 16 ng/day and 49 ng/day respectively. Potential additive or synergistic effects of electrical stimulation (60 minutes) were investigated by measuring impedances before and after stimulation at the day of implantation (day 0), day 7, 28, 56 and 91 prior to animal sacrifice at the basal contact and subsequently at the apical contact. Acoustically evoked auditory brainstem responses (AABR) were recorded before surgery to examine the baseline hearing threshold and again after CI insertion as well as on experimental days 7, 28, 56, 91 just before euthanasia. Additionally, histology performed on epoxy embedded samples of the cochlea enabled measurement of fibrous tissue growth in the basal region of the scala tympani (round window niche (RWN), basal region behind niche and first basal turn behind modiolus). Furthermore, histological examination of midmodiolar cross-sections of the Rosenthal’s canal was performed, to evaluate density and soma diameter of SGNs. In all experimental groups, the highest levels of fibrous tissue were detected in the basal region of the cochlea in vicinity to the round window niche. Both dexamethasone concentrations, 10 % and 1 % (w/w), significantly reduced fibrosis around the electrode array of the CI. 10 % DEX decreased fibrous tissue growth significantly in the basal turn of the whole cochlear length (p < 0.05) and the round window niche (p < 0.01), whilst 1 % DEX significantly reduced fibrosis only in the region of RWN (p < 0.05) compared to control. Following 3 months of implantation impedance levels in both dexamethasone-eluting groups were significantly lower compared to the control group. The 10 % group producing a greater effect. The same effects were observed before and after electrical stimulation: Lowest impedance levels were measured in the 10% DEX-group after ES. Tissue growth around the electrode array significantly correlated with the measured impedance on the basal electrode (r = 0.37; p = 0.031) as well as the more apical electrode (r = 0.38; p = 0.024). The highest correlation was found between tissue growth at round RWN and impedance measured on the basal contact (r = 0.48; p = 0.0036). No correlation was found between fibrous tissue formation and hearing loss, whereby 10 % DEX showed significantly higher hearing thresholds in higher frequencies (8, 16, and 32 kHz) than control. On the other hand, dexamethasone did not affect the SGN density of the total cochlea length and basal turn compared to control, whereas dexamethasone elution out of the implant in two concentrations increased the soma diameter compared to the control group over the full cochlear length, but did not affect the soma diameter in the basal region. This study enabled demonstration of a correlation between the extent of new tissue growth around the electrode and impedance alteration after cochlear implantation. We conclude that dexamethasone-eluting CIs are a means to reduce this tissue reaction and improve the functional benefits of the implant by attenuating electrode impedance, but in higher concentrations (10 % DEX) it didn’t seem to protect residual hearing. On the other hand, dexamethasone concentrations (1 % and 10 %), as applied in this animal model with silicone electrode array seems to be safe for inner ear delivery in terms of effect on SGN density. These are important findings in regard to clinical applications of dexamethasone for local treatment of the inner ear in view of cochlear implantation and other applications and should be verified in future studies.

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