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Sauerstoff-?berwachung in perfundiertem Muskelgewebe unter Verwendung von Durchflusszellen FTC-PSt3
K. Pr?bst1, A. Dragu2, C. Taeger2, B. Sommerfeldt1, H. Hübner1, R. Buchholz1, R. E. Horch2
1Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik, FAU Erlangen-Nürnberg, Deutschland
2Abteilung für Plastische und Handchirurgie, Universit?tsklinikum Erlangen, FAU Erlangen-Nürnberg, Deutschland
Muskelgewebe ist sehr empfindlich gegenüber isch?mischen Bedingungen, was die verfügbare Zeit, um freies Muskelgewebe zu transplantieren, stark begrenzt. Der freie Muskellappentransfer umfasst die Trennung der Blutgef??e des Muskels und das Wiederverbinden der Hauptgef??e mit der nativen Blutversorgung im Empf?ngerbett. Zwischen der Entnahme und der Anastomose der Gef??e des Lappens ist das Gewebe Isch?mie ausgesetzt. Das ?berschreiten der kritischen isch?mischen Phase kann zu Apoptose und sogar Nekrose des Gewebes führen, was oft zu partiellem oder totalem Verlust des Transplantates führt. Für die ?berbrückungszeit w?hrend intraoperativer Komplikationen, die es erforderlich machen den freien Muskellappen zu lagern, wird ein extrakorporales Perfusionssystem getestet, um das Gewebe am Leben und transplantierbar zu erhalten. Sauerstoff als kritischer Parameter wurde w?hrend der Perfusionsexperimente mit Durchflusszellen FTC-PSt3 online überwacht, die mit einem Mehrkanal-Sauerstoffmessger?t (OXY-4 mini) von PreSens verbunden waren. Die Ergebnisse zeigten einen aktiven Verbrauch des Gesamtsauerstoffs, der durch das Perfusat in kristalloiden L?sungen bereitgestellt wurde, weshalb eine aktive Oxygenierungseinheit, die im Perfusionszyklus implementiert ist, wünschenswert w?re.
Die Transplantation von freiem Gewebe ist eines der komplexesten Verfahren in der modernen Transplantationsmedizin und rekonstruktiven Mikrochirurgie. Die ?bertragung von freien Lappen ist manchmal die einzige Behandlungsm?glichkeit für die Rekonstruktion von gro?en und komplexen Gewebsdefekten aufgrund von traumatischen Verletzungen mit freiliegenden Vitalstrukturen oder nach Tumorresektionen. Techniken zur Transplantation von autologen freien Lappen haben enorm an Komplexizit?t gewonnen, aber es bleibt ein schwieriger chirurgischer Eingriff. Freie Lappen leiden zwischen Gewebeentnahme und Anastomose der adh?renten Blutgef??e unter Isch?mie. Isch?mie-Reperfusionsverletzungen sind für das Gewebe sehr gef?hrlich, und k?nnen letztlich zu einem teilweisen oder vollst?ndigen Lappenverlust führen.
Material & Methoden
Muskelgewebe zeigt im Vergleich zu anderen Gewebearten eine starke Empfindlichkeit gegenüber isch?mischen Bedingungen. Die ?berschreitung der kritischen Isch?miedauer führt zu einer signifikanten Zunahme von apoptotischen und nekrotischen Sch?den. Diese Studie ist Teil eines Projekts zur Evaluierung eines miniaturisierten, extrakorporalen Perfusions- und Oxygenierungssystems, das das Problem einer l?nger andauernden Isch?mie-Exposition vitaler muskul?ser freier Lappen aufgrund intraoperativer Komplikationen zu umgehen versucht. Zu diesem Zweck wurde das kaudale Segment des M. rectus abdominis von ausgewachsenen deutschen Schweinen mit dem Perfusionssystem verbunden. Dieser Muskel weist eine bemerkenswerte ?hnlichkeit mit seinem menschlichen Analogon auf. Die Blutversorgung des Muskels findet haupts?chlich durch zwei gro?e Gef??e statt, die Arteria epigastrica superior am kranialen und die untere epigastrischen Arterie am kaudalen Ende des Muskels mit ihren entsprechenden Venen. Für Perfusionsexperimente wurde der Muskel zwischen den unteren Verzweigungen aufgeschnitten und nur das kaudale Segment verwendet, wobei die untere epigastrische Arterie und Vene offen für die Perfusion blieben. Das System selbst bestand aus einer klinisch integrierten Infusionspumpe (Infusomat Space P, B. Braun Melsungen), die Perfusionsflüssigkeit aus einem Reservoir ansaugte und zur katheterisierten Arteria epigastrica inferior des gelagerten Muskels transportierte. Perfusat, das aus dem ven?sen Zweig des epigastrischen Gef??es austrat, wurde zum Reservoir zurückgeführt, so dass der Perfusionskreis geschlossen war. Für die Online-?berwachung wurden Durchflusszellen mit chemisch-optischen Sauerstoffsensoren (FTC-PSt3-L2.5, PreSens GmbH) in den arteriellen und ven?sen Fluss des Perfusionssystems integriert. Die Sensoren waren an ein Mehrkanal-Sauerstoffmessger?t angeschlossen (OXY-4 mini, PreSens GmbH). Die ?berwachung von Sauerstoff ist entscheidend für den Erfolg der Perfusion von Muskelgewebe, um Hypoxie zu verhindern. Die von PreSens angebotenen Sensoren sind minimal invasiv und aufgrund ihrer schnellen Ansprechzeit ideal für diese Zwecke geeignet. Diese optischen Sauerstoffsensoren messen unabh?ngig von Str?mungsgeschwindigkeiten und haben keine Querempfindlichkeiten mit Salz, pH-Wert oder gel?stem CO2 und SO2 im Medium, was zus?tzlich von Vorteil ist. Der Perfusionsstrom wurde auf 600 ml/h eingestellt, um die physiologische intravaskul?re Flussrate und den Druck festzulegen. Erste Experimente wurden mit einer kristalloiden Infusionsl?sung (Jonosteril, Fresenius Kabi) und Eigenblut durchgeführt. In beiden F?llen wurde Heparin als Antikoagulans verwendet (500 I.E./l).
Ergebnisse
Unter Verwendung von Jonosteril als Perfusat konnte in allen Experimenten erfolgreich ein kontinuierlicher Fluss von 600 ml/h etabliert werden, um einen moderaten intravaskul?ren Druck sicherzustellen. Die folgenden Daten sind ein repr?sentatives Beispiel für alle Experimente. Der ven?se Sauerstoffpartialdruck (OPP) fiel fast unmittelbar nach der Initialisierung der Perfusion ab (Abb. 1). Nach neun Minuten sank der Wert auf 0 % OPP im ven?sen Perfusat. Auf der arteriellen Seite blieb OPP auf einem konstanten Ausgangsniveau, etwa 21,0 %, und fiel nach sechs Minuten ab, da ven?ses sauerstoffarmes Perfusat aufgrund der Systemkonformation eines geschlossenen Kreislaufes in das Reservoir zurückgeführt wurde und sich mit der verbliebenen Flüssigkeit vermischte. Arterielles OPP fiel anschlie?end auf ein Minimum von 8,8 %, bevor frisches sauerstoffges?ttigtes Perfusat in das Reservoir gefüllt werden musste, um den Perfusatverlust, durch unvermeidlich w?hrend der Entnahme verletzte kleinere Gef??e des Muskels, auszugleichen. Daher stieg der arterielle OPP an, bevor die Sauerstoffkonzentration im Reservoir durch kontinuierliches Mischen mit ven?sem Perfusat verringert wurde. Dieser Vorgang wiederholt sich, wobei der arterielle OPP periodisch zwischen 16,2 % und 7,4 % schwankte. Ven?se OPP waren dagegen von diesen Schwankungen weitgehend unbeeinflusst und blieben weiterhin bei niedrigen Werten nahe 0 %. Das Gewebe verbrauchte also aktiv Sauerstoff. Die Verwendung von autologem Blut als Perfusat zeigt einige wesentliche Nachteile. Trotz der extensiven Verwendung von Heparin schien die Koagulation im Perfusionssystem unvermeidlich zu sein. Die Perfusion musste mit niedrigeren Raten von bis zu 400 ml/h initialisiert werden, um hohe intravaskul?re Drücke zu verhindern, bevor die Perfusionsrate langsam auf 600 ml/h erh?ht wurde. Der arterielle OPP blieb von Beginn der Perfusion an auf einem niedrigen Niveau, zwischen 3,0 % und 4,1 %. Ven?ser OPP zeigte nur geringfügig niedrigere Werte und blieb über die gesamte Perfusion zwischen 2,8 % und 3,5 %. Perfusatverlust machte das Nachfüllen des Reservoirs mit frischem, gesammeltem Eigenblut notwendig, wobei kein Anstieg des Sauerstoffgehalts gemessen werden konnte. Nach 42 Minuten konnte die gro?e Menge an Perfusatverlust nicht mehr mit gesammeltem Blut ausgeglichen werden, so dass ausgetretenes Perfusat gesammelt und erneut in das Perfusionssystem eingebracht wurde. Das der Umgebungsluft ausgesetzte Blut war mit Sauerstoff ges?ttigt, was zu einem Anstieg des OPP nach dem Einfüllen in das Reservoir führte. Ven?ser OPP blieb von dem gleichzeitigen Anstieg des arteriellen OPP unbeeinflusst.
Diskussion
Die Perfusatl?sung spielt eine wichtige Rolle bei der extrakorporalen Versorgung von Muskelgewebe. Unter Verwendung einer kristalloiden L?sung kann von Anfang an ein kontinuierlicher Fluss hergestellt werden, es findet keine Koagulation statt, und ausgetretenes Perfusat kann leicht ausgeglichen werden. Die Bildung von Gewebe?demfluid stellt jedoch immer noch einen wesentlichen Nachteil dar. Daher wird für zukünftige Anwendungen der Einsatz kolloidaler L?sungen in Betracht gezogen. Diese L?sungen werden in vielen Anwendungen für die Konservierung von Organtransplantaten eingesetzt und es hat sich gezeigt, dass die Bildung von ?demen aufgrund des niedrigeren kolloidosmotischen Drucks reduziert werden kann. Bislang kann eine stabile Perfusion über einen Zeitraum von 1 h aufrechterhalten werden. Aufgrund der ersten Ergebnisse k?nnen l?ngere Perfusionszeiten angestrebt werden. Die hier vorgelegten OPP-Werte zeigen, dass eine zus?tzliche komplement?re Oxygenierungseinheit wünschenswert w?re, es andererseits aber auch m?glich ist, Hypoxie abzufangen, indem der Muskel extrakorporal mit einem oxygenierten Perfusat durchstr?mt wird. Zu diesem Zweck sollte ein sekund?ren Oxygenierungskreislauf implementiert werden, der den verbrauchten Sauerstoff im Perfusat nachliefert, um eine Sauerstoffs?ttigung und eine Ents?ttigung des Kohlendioxidaufbaus sicherzustellen. Eine weitere M?glichkeit, die extrakorporale Perfusion zu optimieren, ist die aktive Regulierung der Gewebetemperatur zur Verbesserung der Gewebekonservierung. Die Einführung einer immunhistochemischen Untersuchung von Gewebeproben w?hrend der aktiven Perfusion zur Bestimmung von isch?mischen und apoptotischen Markern zur Verbesserung der Perfusionsergebnisse wird zus?tzliche Einblicke in die Perfusionsqualit?t liefern.
Applikationsbericht nach
Dragu A, Taeger CD, Buchholz R, Sommerfeld B, Hübner H, Birkholz T, Kleinmann JA, Münch F, Horch RE, Pr?bst K.., 2012 Jan 15., Online oxygen measurements in ex vivo perfused muscle tissue in a porcine model using dynamic quenching methods, Arch Orthop Trauma Surg. [Epub ahead of print]