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In dieser präklinischen Machbarkeitsstudie wurden zunächst zahlreiche In-vitro-Tests durchgeführt, in denen die Materialauswahl, das Design, die Hämokompatibilität und auch die Handhabbarkeit mehrerer, in Zusammenarbeit zwischen dem UKT (Universitätsklinikum Tübingen) und dem ITV (Institut für Textil- und Verfahrenstechnik) in Denkendorf (Projektpartner) entwickelter Varianten eines neuartigen arteriellen Verschlusssystems überprüft wurden. Im Anschluss wurde vom ITV auf der Grundlage der Erkenntnisse der In-vitro-Tests ein Verschlusssystem-Prototyp des Applikators mit Verschlussstopfen (bestehend aus einem hochelastischen und resorbierbaren Spezialpolymer) hergestellt. Dieser Verschlusssystem-Prototyp wurde anschließend erstmalig im Rahmen dieser Pilotstudie in vivo in einem Schafmodell eingesetzt. Dadurch sollten sowohl die Praktikabilität als auch die biokompatiblen Eigenschaften des Devices gezeigt werden und erste Hinweise auf die Sicherheit und die Effektivität des neu entwickelten Devices gewonnen werden. Im Zuge der In-vitro-Tests wurde zunächst das Spann- und Rückstellverhalten von zehn sich in ihrer Materialzusammensetzung unterscheidenden Verschlussstopfen beim Einzug in einen Testapplikator bewertet. Sechs der zehn Materialien wurden anschließend aufgrund ihrer geeigneten Spann- und Rückstellkraft für weitere In-vitro-Tests herangezogen. In einem weiteren In-vitro-Versuch wurden sechs verschiedene Stopfen aus unterschiedlichen Materialien in einem Schweineaorten-Flussmodell implantiert und hinsichtlich ihrer Verankerung in der Gefäßwand bewertet. Dabei zeigte nur der Stopfen mit dem Material MEUV 12 eine unzureichende Verankerung. Aufgrund der Ergebnisse der ersten beiden Tests wurde eine Vorauswahl getroffen und mit je drei Stopfen von sechs unterschiedlichen Materialien (MEUV 7, MEUV 11, MQ 3, MQ 2, MQ 3 violett, MQ 2 violett) eine Hämokompatibilitätsprüfung durchgeführt. Zunächst wurden dazu die Verschlussstopfen 90 Min. bei 37° Celsius in leicht heparinisiertem (1 IU pro ml Blut) humanen Vollblut auf einer Rocking Platform inkubiert. Im Anschluss erfolgte die Bestimmung der Konzentrationen der Hämokompatibilitätsparameter im Probenblut. Dabei diente der Thrombin-anti-Thrombin-Komplex (TAT) als Marker für die Koagulation, der terminale Komplementkomplex (SC5b-9) als Marker für die Aktivierung des Komplementsystems, die PMN-Elastase als Hinweisgeber für eine Aktivierung von Leukozyten und β-Thromboglobulin als Marker für die Aktivierung von Thrombozyten. Darüber hinaus wurden auch die Erythrozyten-, Leukozyten- und Thrombozytenzahlen bestimmt. Dabei konnte bei keinem der Verschlussstopfen nach 90-minütiger Inkubation eine signifikante Differenz zur Kontrollgruppe (Blut ohne Stopfen) festgestellt werden. Die dennoch feststellbaren Differenzen zwischen den Baseline-Werten (Probenblut nicht inkubiert) und den Werten nach den Inkubationen waren auf modellinduzierte Backgroundaktivierungen zurückzuführen. Diese Ergebnisse deckten sich auch mit der nach der Inkubation durchgeführten rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung der Verschlussstopfen, an denen meist nur eine lokale Adhäsion von Thrombozyten, Erythrozyten, Fibrinfäden und Leukozyten festgestellt werden konnte. Außerdem wurden in weiteren Versuchen mit Schweineaorten-Modellen sich in der Anzahl ihrer Flügel oder in der Winkelung ihrer Grundköper unterscheidende Verschlussstopfen getestet. Dabei kam es während der Testung bei einem der 6-flügligen Stopfen zum Abbruch eines Flügels. Bei der Testung der Stopfenwinkelung ergaben sich bezüglich der Dichtigkeit nur geringfügige Unterschiede. Mit dem aus den Erkenntnissen der Vorversuche vom ITV hergestellten Verschlussstopfen-Prototyp (Material MQ 2, ein kurz resorbierbares hochelastisches Spezialpolymer, ausgestattet mit fünf Flügeln und einer 85° Winkelung des Grundkörpers) wurde letztlich eine In-vivo-Machbarkeitsstudie an sechs Merinoschafen durchgeführt. Dabei wurden insgesamt 29 Versuche unternommen eine Gefäßzugangsschleuse über Seldingertechnik in eine der beiden Carotiden der Versuchsschafe einzubringen, das Verschlusssystem über die liegende Schleuse vorzuschieben und nach der Entfernung der Zugangsschleuse nur den Verschlussstopfen in der Gefäßwand zurückzulassen. Dabei waren 25 der 29 Stopfenapplikationen technisch erfolgreich. Bei 21 der technisch erfolgreichen Stopfenapplikationen gelangen das Einführen des Verschlusssystems und der anschließende Verschluss der Punktionsstelle mit dem zurückgelassenen Verschlussstopfen in einer Zeit unter 90 s. In nur drei Fällen dauerte der Applikations- und Verschlussvorgang zwischen 90 und 180 s und lediglich in einem Fall über 180 s. Innerhalb des Versuchszeitraums (30 Tage pro Schaf) wurden die Implantationen der Verschlussstopfen bei den einzelnen Schafen in unterschiedlichen Zeitabständen vorgenommen. Ein Schaf verstarb einen Tag nach der dritten Stopfenlegung, die komplikationslos verlaufen war, höchstwahrscheinlich an einer Pansentympanie. Die anderen Schafe waren bis auf die an zwei Versuchstieren festgestellten, kleineren (< 2 cm) Verdickungen im Halsbereich während des Versuchszeitraums klinisch unauffällig. Bei der Explantation der Carotiden konnten 16 (64 %) der 25 technisch erfolgreichen Stopfenapplikationen in der Gefäßwand, fünf (20 %) im umliegenden Gewebe und vier (16 %) gar nicht aufgefunden werden. Durch die Herstellung von Dünnschliff- und Paraffinpräparaten und deren anschließender Färbung (HE- und Masson-Trichrom-Färbung) konnte erstmalig eine kontinuierliche histologische Beurteilung der Verschlussstopfen in der Gefäßwand im Zeitraum zwischen 0-30 Tagen vorgenommen werden. Eine beginnende Neointimabildung konnte das erste Mal an einem neun Tage alten Präparat gesehen werden und ab den 23 Tage alten Präparaten konnte eine Reendothelialisierung der Verschlussstopfen beobachtet werden. Bei den Akut-Präparaten (0-2 Tage) konnten frische punktionsbedingte Blutungen, in den älteren Präparaten in einen granulierend-fibrosierenden Zustand übergegangene Entzündungen festgestellt werden. In einigen Präparaten konnten kleinere intraluminale dem Verschlussstopfen aufsitzende Thromben gefunden werden. Ein Präparat wies eine vermutlich bei der Schleusenlegung verursachte Dissektionsverletzung der Gefäßwand auf. Des Weiteren konnte in wenigen Präparaten eine Dislokation bzw. ein Abbrechen eines Verschlussstopfens beobachtet werden. Überschießende Fremdkörperreaktionen sowie ausgeprägte eitrige Entzündungen konnten in keinem der Präparate festgestellt werden. Fremdkörperriesenzellen konnten lediglich bei einem der im Gewebe zum Liegen gekommenen Präparate und bei einem der Schnitte mit disloziertem Flügelanteil aufgefunden werden. Bis auf die in einigen Fällen schwierige Schleusenlegung und den etwas kleineren Gefäßdurchmesser der A. carotis des Schafes im Vergleich zu der A. femoralis des Menschen erwies sich das Schaf als geeignetes Modell zur Testung eines arteriellen Verschlusssystems. Aufgrund der geringen Stichprobe dieser Machbarkeitsstudie wären jedoch vor dem klinischen Einsatz weitere In-vivo-Testungen mit einem noch ausgereifteren, auf die Gefäßgröße besser angepassten Verschlusssystem wünschenswert.

Bandscheibenbedingte Rückenschmerzen stellen eine Gesundheitsstörung von herausragender Bedeutung dar. Innovative Therapiekonzepte sind darauf ausgerichtet, schmerzhaft degenerierte Bandscheiben in ihren natürlichen Strukturen zu regenerieren. Allein durch den chirurgischen Eingriff zur Anwendung dieser Therapiekonzepte wird jedoch die mechanische Kompetenz der Bandscheibe empfindlich gestört. Derzeit ist nicht bekannt, ob neue Nukleusersatzmaterialien für Tissue engineering Strategien an der Bandscheibe diesen Verlust kompensieren können. Daher war es das Ziel der Dissertation in einem kombinierten experimentellen Versuchsansatz aus In-vivo-, Ex-vivo-, In-vitro- und In-silico- Untersuchungen, neu entwickelte Hydrogele als Nukleusersatz im Tiermodell Schaf zu untersuchen und das Schaf als Tiermodell im Bereich der Bandscheibenforschung näher zu charakterisieren. Um ein physiologisches Lastprotokoll für die In-vitro-Untersuchungen zu etablieren, wurde an drei Schafen der intradiskale Druck (IDP) über je 24 Stunden gemessen. Der gesamte Datenpool des ersten Schafes wurde in eine Aktivitäts- und Erholungsphase unterteilt und ex vivo aus den IDP-Durchschnittswerten beider Phasen die entsprechenden axialen Kompressionskräfte abgeleitet. In vitro wurde ein Kriech-Relaxations-Test an 36 ovinen lumbalen Bewegungssegmenten durchgeführt. Die Segmente wurden drei Belastungszyklen ausgesetzt, die jeweils aus einer 15-minütigen Belastungsphase (130 N) und einer 30-minütigen Erholungsphase (58 N) bestanden. IDP-Verlauf und Höhenverlust der Segmente wurden in sechs verschiedenen Versuchsgruppen untersucht: (i) INTAKT; (ii) DEF-AN: Eine schräge Anulusinzision. Der Defekt wurde durch Naht und Cyanoacrylatkleber verschlossen. (iii) DEF-NUKn+k: Nukleusgewebe wurde entfernt und anschließend reimplantiert. Der Anulusverschluss erfolgte wie in DEF-AN. (iv) DEF-NUKp: Entsprechend dem Vorgehen in Testgruppe DEF-NUKn+k wurde der Nukleus entfernt und reimplantiert. Um eine Volumenverdrängung reimplantierten Gewebes in den inneren Anulusdefekt zu vermeiden, erfolgte der Verschluss mittels eines Plugs. Abschließend wurden zwei Hydrogele als Nukleusersatz untersucht: (v) DDAHA und (vi) iGG-MA. Zur besseren Interpretation der In-vitro-Ergebnisse wurden Finite-Elemente-Analysen an einem Bandscheibenmodell durchgeführt. In vivo lag der Bandscheibendruck beim Schaf nahezu konstant höher als beim Menschen. Niedrigste Druckwerte wurden intraoperativ mit ~0,5 MPa ermittelt. Höchste Druckwerte wurden für Aufstehen oder Drehen mit 3,6 bzw. 2,6 MPa gemessen und waren damit ungefähr zwei- bis viermal höher in der ovinen Bandscheibe. Die IDP-Mittelwerte der Aktivitäts- und Erholungsphasen des ersten Schafes lagen bei ~0,75 bzw. ~0,5 MPa, welche axialen Kompressionskräften von 130 bzw. 58 N entsprachen. Im Kriech-Relaxations-Test hatte ein isolierter Anulusdefekt (DEF-AN) keinen Einfluss auf Höhenverlust und IDP der Segmente. DEF-NUKn+k, DEF-NUKp, DDAHA und iGG-MA hingegen steigerten den Höhenverlust und verringerten signifikant den IDP im Vergleich zu INTAKT. Die Modellvorhersagen belegten erhebliche Auswirkungen eines reduzierten Wassergehalts, Kompressionsmoduls und osmotischen Potentials des reimplantierten Gewebes auf den Höhenverlust und IDP des Segmentes. Die Lastübertragung innerhalb der Bandscheibe veränderte sich hierdurch deutlich und ging mit einer erhöhten Belastung des Anulus einher. Die vergleichsweise hohen Bandscheibendrücke des Schafes stehen der weit verbreiteten Meinung gegenüber, dass aufgrund der horizontal ausgerichteten Wirbelsäule des Vierbeiners, intradiskale Lasten geringer sein müssten als beim Menschen. In Kenntnis der vorliegenden Untersuchungen sollte die Rechtfertigung bzw. der Ausschluss des Schafes als Modell im Bereich der Wirbelsäule nicht auf Unterschieden im Gang begründet werden, sondern auf mechanischen Überlegungen bzgl. künftiger Einsatzgebiete. Die In-vitro-Ergebnisse zeigen, dass der Erfolg von Hydrogelen als Nukleusersatz nicht nur vom Ersatzmaterial selbst abhängt, sondern auch von der Wiederherstellung zerstörter Bandscheibenstrukturen, wie der Grenzflächen zwischen Nukleus und Umgebung sowie dem gesetzten Anulusdefekt. Die vorliegende Dissertation konnte die Bedeutung iatrogen induzierter struktureller Schädigungen der Bandscheibe für Nukleusersatzstrategien herausarbeiten und stellt somit wesentliche Anforderungskriterien an das zukünftige Designkonzept von Hydrogelen als Nukleusersatz für Tissue engineering Strategien an der Bandscheibe. Hydrogele, die allein das mechanische Verhalten des Nukleus imitieren, können ansonsten bei der Wiederherstellung der Mechanik des Gesamtsegmentes versagen.

Die vorliegende Arbeit untersuchte im ersten Teil tierart-vergleichend das Vorkommen von PrPC bei Hauswiederkäuern in Eutergewebe und in den verschiedenen Milchfraktionen. Dies erfolgte mittels EIA und Western-Blot sowie für das Eutergewebe auch mittels Immunhistochemie (IHC). Für die Aufarbeitung von Rahm wurde dabei ein neues Verfahren etabliert, durch das die Proteinfraktion des Rahms als Pellet gewonnen werden konnte. Es fand seinen Einsatz auch im zweiten Teil bei der Untersuchung von Milch und Kolostrum BSE- bzw. Scrapie-infizierter Schafe mittels PrionScreen® und Western-Blot. Auch das Eutergewebe und die Milchfraktionen von drei BSE-Kühen wurden untersucht. Im Eutergewebe vom Rind war PrPC-Expression mittels EIA und IHC mit individuellen Unterschieden nachweisbar, nicht jedoch mittels Western-Blot. Bei den kleinen Wiederkäuern hingegen ließ sich PrPC mit allen drei verwendeten Methoden darstellen. In der IHC zeigte sich, dass die Expression das gesamte Zytoplasma der Laktozyten umfasste und PrPC-haltige Vesikel ins Alveolarlumen abgeschnürt wurden. Beim Rind dagegen beschränkte sich die PrPC Expression auf basolaterale Abschnitte der Laktozyten. In Kuhmilch konnte - im Gegensatz zu kürzlich erschienenen Publikationen - kein PrPC detektiert werden. Die kleinen Wiederkäuer zeigten jedoch eine individuelle und - wie anhand des Laktationszyklus eines Schafes nachvollziehbar - laktationsphasen-abhängige PrPC-Expression in den Milchfraktionen Magermilch, Molke und somatische Zellen. Neben den vom Hirngewebe bekannten drei Isoformen (zweifach-, einfach- und unglykosyliert) waren im Western-Blot mit mAk P4 zwei trunkierte Formen auf Höhe von ca. 8 und 14 kDa darstellbar. Dabei handelt sich vermutlich um N-terminale Fragmente. In Kasein war nur bei einigen Schafen PrPC im EIA nachweisbar. Rahm konnte aufgrund seiner Aufarbeitung mittels Detergentien nur im Western-Blot untersucht werden. Es zeigten sich bei Schaf und Ziege dieselben PrPC- Banden wie in den bereits beschriebenen Milchfraktionen. Bei den Proben TSE-infizierter Schafe zeigte sich sowohl bei Rahm aus Milch als auch bei Rahm und Molke aus fettreichem Kolostrum, die eine ähnliche Aufarbeitung erfuhren, PK-resistente Banden. Diese Banden zeigten sich auf Höhe der drei Volllängen-Isoformen sowie der 8-kDa-Form. Eine Abklärung erfolgte im PrionScreen®-EIA durch Einsatz der aus Rahm gewonnenen Proteinpellets. Darin reagierten sieben von 13 Milchproben der Scrapie-Tiere und acht von 108 der BSE-Schafe positiv. Dabei handelte es sich durchweg um Kolostrumproben (etwa 26 % der untersuchten Kolostrumproben). Auch im anschließenden Western-Blot mit einem Aliquot aus der Digestionsplatte des PrionScreen® zeigten sich bei einem Teil der positiven EIA-Reagenten Banden auf PrPC-Höhe. Durch die Kontrolle mit einem unspezifischen Primärantikörper konnte nicht eindeutig gezeigt werden, ob die Banden PrP-spezifisch sind. Ein ähnliches Phänomen bei somatischen Zellen aus Schaf-Kolostrum ist von EVEREST et al. (2006) bekannt. Man muss daher davon ausgehen, dass es sich um eine unspezifische Reaktion des Kolostrums handelt. Rahm aus Milch reagierte im PrionScreen® eindeutig negativ, ebenso Molke aus Milch im Western-Blot. Die Eutergewebeproben der drei BSE-Kühe reagierten negativ in EIA, Western-Blot und IHC. Auch in ihrer Magermilch war kein PrPres detektierbar. Die Kaseinfraktion reagierte positiv im PrionScreen®, wobei eine unspezifische Reaktion jedoch nicht ausgeschlossen werden konnte. Obwohl die Untersuchungen an klinisch gesunden Tieren gezeigt haben, dass PrPC als Replikationsmatrix für die Bildung von PrPSc im Euter und der Milch vorhanden ist, brachten die Analysen der TSE-infizierten Tiere letztlich keinen Beweis für das Vorkommen von PrPres in Milch. Lediglich im Kolostrum von TSE-infizierten Schafen zeigten sich untypische PK-resistente Formen. Eine Gefährdung des Verbrauchers durch Milch und Milchprodukte ist daher mit größter Wahrscheinlichkeit nicht gegeben.