Hämokompatibilität von bioaktiven und biopassiven Oberflächenbeschichtungen

Abstract

Der Kontakt des Blutes mit den unphysiologischen Oberflächen von extrakorporalen Kreislaufsystemen, die unter anderem im Rahmen von herzchirurgischen Operationen Verwendung finden, bewirkt eine Aktivierung von sowohl humoralen als auch zellulären Komponenten des Blutes. Eine Methode zur Minimierung dieser pathophysiologischen Interaktionen stellt die Vergütung der Oberflächen von Oxygenatoren, Konnektoren und Schlauchsystemen dar. Dabei kann zwischen bioaktiven und biopassiven Beschichtungen unterschieden werden, deren Einflüsse auf die Hämokompatibilität von Oxygenatoren in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe eines Herz-Lungen-Maschinen-Modells getestet wurden. Zum Einsatz kamen Hohlfasermembranoxygenatoren, die zum einen eine heparinbeschichtete und zum anderen eine polypeptidbeschichtete Oberfläche aufwiesen. Als Kontrollgruppe dienten unbeschichtete Oxygenatoren derselben Bauart. Eine Gruppe von polypeptidbeschichteten Oxygenatoren wurde zudem einem Schnellalterungsprozess unterzogen, um über den Vergleich mit den nicht gealterten Oxygenatoren eine Aussage bezüglich der Haltbarkeit und Alterungsbeständigkeit dieser biopassiven Oberflächenvergütung machen zu können. Des Weiteren sollte der Einfluß des Primings von polypeptidbeschichteten Oxygenatoren mit einer heparinhaltigen Lösung vor dem Beginn der Rezirkulation auf eine mögliche Verbesserung der Biokompatibilität der Oberfläche untersucht werden. Zur Evaluation der Hämokompatibilität der unterschiedlich beschichteten und modifizierten Oxygenatoroberflächen wurden verschiedene Aktivierungsmarker der plasmatischen und thrombozytären Gerinnung sowie der Inflammation analysiert. Bei der Auswertung der Ergebnisse fiel insbesondere der günstigere Einfluß der heparinbeschichteten Oxygenatoren auf die Thrombozyten im Sinne einer deutlich geringer ausgeprägten Thrombozytopenie sowie Plättchenaktivierung während der Rezirkulationsphase auf. Auch das von den aktivierten Thrombozyten freigesetzte Protein ß-Thromboglobulin konnte in dieser Gruppe in signifikant niedrigeren Konzentrationen gemessen werden. Zudem führte der Kontakt des Blutes mit der heparinbeschichteten Oxygenatoroberfläche im Vergleich zu den polypeptidbeschichteten Oxygenatoren zu einer geringeren inflammatorischen Antwort, was vor allem anhand der Konzentration des in den neutrophilen Granulozyten enthaltenen Enzyms PMN-Elastase deutlich wurde.

Angesichts der in dieser Studie gefundenen Ergebnisse kann somit angenommen werden, dass sich der klinische Einsatz von heparinbeschichteten Oxygenatoren im extrakorporalen Zirkulationsverfahren gegenüber der Verwendung von polypeptidbeschichteten Oxygenatoren als vorteilhafter erweist. Jedoch zeigte auch die Polypeptidoberflächenvergütung günstigere Eigenschaften im Vergleich zu den unbeschichteten Oxygenatoren und könnte somit der Minimierung der mit dem kardiopulmonalen Bypass einhergehenden Komplikationen dienen.

The exposure of blood to the artificial surfaces of cardiopulmonal bypass circuits, which, among others, are used during open heart surgery, induces an activation of both humoral and cellular components of the blood. One method to diminish these negative side effects of pathophysiological interactions is the surface coating of oxygenators, connectors and tube systems. It can be differentiated between biologically active or antithrombogenic coatings and biologically passive or nonthrombogenic coatings whose influences on the hemocompatibility of oxygenators are tested in this study in an in vitro cardiopulmonary bypass model. Hollow fiber membrane oxygenators were used whose surfaces are coated on the one hand with heparin and on the other hand with polypeptides. As control group served non-coated oxygenators of the same type. In addition, one group of oxygenators coated with polypeptides was aged quickly in order to find evidence concerning the durability of this biologically inert surface coating in comparison with the non-aged oygenators. Moreover, the influence of the priming of polypeptide-coated oxygenators with a solution containing heparin before starting the recirculation was to be tested for a possible improvement of the biocompatibility of the surface. For the evaluation of the hemocompatibility of the differently coated and modified surfaces of the oxygenators, various markers of the intrinsic and extrinsic coagulation pathway as well as the inflammatory response were analysed. The analysis of the results particularly showed the more positive influence of the heparin-coated oxygenators on the platelets which became obvious in a clearly less distinct thrombocytopenia as well as in an activation of platelets during recirculation. The protein ß-thromboglobulin released by activated platelets could also be proved in this group in significantly lower concentration. Furthermore, the contact of the blood with the heparin-coated surface of the oxygenators in comparison with the polypeptide-coated oxygenators led to a weaker inflammatory response, which was clearly recognizable in the concentration of the encyme PMN-Elastase contained in neutrophils.

In the face of the results found in this study, it can be presumed that the clinical use of heparin-coated oxygenators in extracorporal circulation procedures is more advantageous in comparison with the use of polypeptide-coated oxygenators. However, the polypeptide surface coating also showed better properties than the non-coated oxygenators and therefore could help to minimize the complications during and after the cardiopulmonal bypass.