Biocompatibility of perfluorocarbon-based artificial oxygen carriers

Bis heute ist die Entwicklung künstlicher Blutersatzstoffe ein Forschungsgebiet von größtem Interesse, da aufgrund der demogafischen Entwicklung und der abnehmenden Spendebereitschaft der Bevölkerung in Zukunft mit einem zunehmenden Mangel an Blutkonserven zu rechnen ist. Die Verfügbarkeit künstlicher Sauerstoffträger wäre sowohl für die routinemäßige Versorgung von Patienten als auch für die präklinische Notfallversorgung von Schwerstverletzten von größter Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit erfolgte eine in vitro- und in vivo-Charakterisierung neuartiger künstlicher Sauerstoffträger auf Perfluorcarbon-Basis in Form von PFD-gefüllten PLGA-, PACA- und Albumin-Kapseln. Im Rahmen der in vitro-Charakterisierung wurde die Keimfreiheit und die mikrobielle Stabilität der Kapselsuspensionen überprüft sowie deren Einflüsse auf die dynamische Viskosität von Blut untersucht. Zudem wurde ein in vitro-Assay zur Messung der Sauerstoffkapazitäten der Kapselsuspensionen etabliert. Im Rahmen der in vivo-Charakterisierung wurde die biologische Verträglichkeit der neuartigen künstlichen Sauerstoffträger im Rattenmodell untersucht. Neben der Evaluation toxikologischer Effekte wurden die Einflüsse der Kapselsysteme auf die Mikrozirkulation und die Integrität von Organstrukturen analysiert. Darüber hinaus wurden die intravasalen Halbwertszeiten und die in vivo-Verteilung der neuartigen künstlichen Sauerstoffträger bestimmt. Eine Lagerung der Kapselsuspensionen war ohne Zusatz von Konservierungsstoffen möglich, was eine Grundvoraussetzung für klinische Anwendungen ist. Bei den Messungen der dynamischen Viskositäten von Blut zeigte sich, dass für PFD-haltige künstliche Sauerstoffträger im Allgemeinen Trägerlösungen mit einem möglichst geringen Salzanteil wie z. B. 5%ige Albumin-Lsg. gewählt werden sollten. Bezüglich der Sauerstoffkapazitäten hätten prinzipiell alle untersuchten Kapseltypen, bei einer ausreichend hohen Kapselkonzentration, das Potenzial als künstliche Sauerstoffträger zu fungieren. Eine 64 Vol.-%ige Albumin-Kapselsuspension weist zum jetzigen Entwicklungsstand sogar höhere Sauerstoffkapazitäten auf als ein bereits zugelassenes Präparat auf Perflourcarbon-Basis. Darüber hinaus übertrifft die 64 Vol.-%ige Albumin-Kapselsuspension ein Erythrozytenkonzentrat hinsichtlich der bereitgestellten Sauerstoffmenge im Organismus. Schwerwiegende Nebenwirkungen wie eine transiente Hypotension, Störungen der Mikrozirkulation und Organschädigungen nach intravenöser Infusion der PLGA- und PACA-Kapseln widersprechen jedoch einem Einsatz in der Notfallmedizin, so dass die therapeutische Relevanz dieser Kapseltypen zum jetzigen Stand der Entwicklung fraglich ist. Nach intravenöser Infusion der Albumin-Kapseln manifestierten sich filtrationsbedingte Kapselakkumulationen in der Milz. Alles in allem überzeugte diese in 5%iger Albumin-Lsg. suspendierten Kapseln aber durch eine sehr gute biologische Verträglichkeit und eine im Vergleich zu anderen nicht oberflächenmodifizierten Nanokapseln lange intravasale Halbwertszeit. Ein Einsatz der PFD-gefüllten Albumin-Kapseln als künstliche Sauerstoffträger im Rahmen der präklinischen Notfallversorgung kann aufgrund der Untersuchungen in dieser Arbeit insgesamt als therapeutisch relevant eingestuft werden.Because of the opponent steady decrease in blood donation and the demographic trend, a strong rise of the blood supply of the population is to anticipate in the future. Therefore, the development of artificial blood substitutes is in the focus of sciences. The disposability of artificial oxygen carriers would be a matter not only for the routine patient care but also for the preclinical care of severely injured. The present work was to investigate in vitro and in vivo studies on novel perfluorocarbon-based artificial oxygen carriers in terms of PFD-filled PLGA, PACA and albumin capsules. Within the scope of the in vitro studies, the microbial stability of the capsule suspensions was approved and their influence on the dynamic blood viscosity was discovered. Moreover, the establishment of an in vitro assay allowed the measurement of the oxygen capacities of the capsule suspensions. The performed in vivo studies enabled the examination of the biocompatibility of the different PFD-filled capsules in rats. In addition to the evaluation of toxicological effects, the capsule’s influences on the microcirculation and the integrity of organ structures were investigated. Furthermore, the intravascular half-life and the biodistribution pattern of the capsules were determined. Storage of the capsule suspensions did not require any supplementary preserving agents to protect from microbial contamination displaying an essential prerequisite for further clinical development. In the course of the measurement of the dynamic blood viscosities it turned out, that a saline-free carrier solution such as the 5% albumin solution should be used to suspend PFD-based artificial oxygen carriers. With regard to the oxygen capacities, all investigated capsules could serve as potential artificial oxygen carriers if adequate concentrations are used. A 64% albumin capsule suspension possesses even higher oxygen capacities than a perfluorocarbon emulsion that is already approved in different countries. Furthermore, the oxygen amount that can be supplied by the 64% albumin suspension in vivo betters the oxygen release of a red blood cell concentrate. After intravenous administration of PLGA and PACA capsules severe side effects, such as a transient hypotension, disorders in microcirculation and organ damage, occurred contradicting the use in paramedicine. Hence, the therapeutic relevance of the PLGA and PACA capsules must be contested at present. Intravenous infusion of albumin capsules caused accumulations in spleenic tissue being attributed to spleenic filtration, but altogether, albumin capsules exhibited a good biocompatibility and a comparatively long intravascular half-life. Due to the studies conducted in the present work, the therapeutic potential of the PFD-filled albumin capsules as artificial oxygen carriers in paramedicine could be proved

Auswirkungen einer Volumenersatztherapie auf Makro- und Mikrozirkulation und deren Regulatoren : Ein Vergleich von Hydroxyethylstärke und Humanalbumin beim kritisch kranken Patienten

Im Rahmen einer Sepsis oder eines Polytraumas werden durch die Freisetzung verschiedener Entzündungsmediatoren und vasoaktiver Substanzen komplexe Störungen der Makro- und Mikrozirkulation sowie der endothelialen Integrität mit Flüssigkeitsverschiebungen vom intravasalen in den interstitiellen Raum induziert. Das Ziel der Studie war es zu klären, ob Hydroxyethylstärke (HES) bei diesen Patienten ein alternatives Volumenersatzmittel zu Humanalbumin (HA) darstellt. In die vorliegende Studie wurden insgesamt 60 Patienten prospektiv, randomisiert eingeschlossen. Hierbei wurden 30 polytraumatisierte sowie 30 Patienten, die aufgrund von postoperativen Komplikationen eine Sepsis entwickelten, unabhängig voneinander untersucht (Trauma-Gruppe: HES-Trauma [n=15], HA-Trauma [n=15] - Sepsis-Gruppe: HES-Sepsis [n=15], HA-Sepsis [n=15]). Die Patienten wurden in verschiedene Volumengruppen randomisiert. Sie erhielten entweder Hydroxyethylstärke (HES 10% 200.000/0.5) oder Humanalbumin (HA 20%). Die Datenerhebung erfolgte an sechs Messzeitpunkten (MZP). Der Ausgangswert (MZP 0) erfolgte nach Einschluss in die Studie, die fünf folgenden Messungen fanden jeweils im 24 stündlichen Abstand statt. Zu den Messzeitpunkten wurden neben der Hämodynamik und der Oxygenation folgende Parameter bestimmt: Antidiuretisches Hormons (ADH), atriales natriuretisches Peptid (ANP), Endothelin-1, 6-Keto-Prostaglandin-F1alpha, sowie die Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin im Serum. Die Messung der Leberfunktion erfolgte mittels des MEGX-Test, die Perfusion im Splanchnikusgebiet wurde über eine tonometrische pH-Bestimmung im Gastrointestinaltrakt (pHi) erfasst. Polytraumatisierte Patienten der HES-Gruppe zeigten sowohl zu den Ausgangswerten als auch gegenüber der HA-Gruppe einen Anstieg des Herzindex (CI), des Sauerstoffangebotsindex (DO2I) und des Sauerstoffaufnahmeindex (VO2I) bei gleichzeitigem Abfall des systemvaskulären Widerstandsindex (SVRI). Die Herzfrequenz (HF) und der mittlere arterielle Blutdruck (MAP) sowie der zentralvenöse Druck (ZVD) und der pulmonale kapilläre Verschlußdruck (PCWP) zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Volumengruppen. Die Plasmakonzentrationen von Adrenalin und Noradrenalin fielen sowohl unter HES-Gabe als auch unter HA-Gabe signifikant ab. Die Plasmakonzentrationen des Endothelin-1 und des 6-Keto-Prostaglandin-F1alpha zeigten in beiden Gruppen einen nahezu unveränderten Verlauf. Die Konzentration des ANP stieg in beiden Volumengruppen signifikant an. Das ADH zeigte unter HES-Gabe einen signifikanten Abfall der Plasmakonzentration. Zu keinem Meßzeitpunkt fanden sich signifikante Unterschiede des gastralen pH-Wertes (pHi) und der Konzentrationen des MEGX-Tests zwischen den beiden untersuchten Gruppen. Die untersuchten Sepsis-Patienten zeigten unter HES-Gabe sowohl zu den Ausgangswerten als auch gegenüber der HA-Gabe einen signifikanten Anstieg des Herzindex (CI), des Sauerstoffangebotsindex (DO2I), des Sauerstoffaufnahmeindex (VO2I), bei gleichzeitig signifikanten Abfall des systemvaskulären Widerstandsindex (SVRI). Die Herzfrequenz (HF) und der mittlere arterielle Blutdruck (MAP) sowie der zentralvenöse Druck (ZVD) und der pulmonale kapilläre Verschlußdruck (PCWP) zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Volumengruppen. Die Plasmakonzentration von Adrenalin und Noradrenalin fielen unter HES-Gabe signifikant ab, unter HA kam es hingegen zu einem signifikanten Anstieg. Die Plasmakonzentrationen von ADH und Endothelin-1 fielen unter HES-Gabe signifikant sowohl gegenüber den Ausgangswerten als auch gegenüber der HA-Gruppe ab. Die ANP-Plasmakonzentrationen stiegen unter HA-Gabe sowohl gegenüber dem Ausgangswert als auch gegenüber der HES-Gabe signifikant an. Unter HES-Gabe konnte ein Abfall der 6-Ketoprostaglandin-F1alpha-Konzentration nachgewiesen werden. Die pHi-Werte zeigten unter HA-Gabe einen signifikanten Abfall im Vergleich zum Ausgangswert und zu den Patienten, die HES erhielten. Die MEGX-Konzentrationen stiegen in beiden Volumengruppen signifikant an. Aufgrund unserer Ergebnisse folgern wir, dass Hydroxyethylstärke bei Trauma-Patienten ein alternatives Volumenersatzmittel zu Humanalbumin darstellt. Bei Sepsis-Patienten scheint Hydroxyethylstärke aufgrund der günstigeren Hämodynamik und Oxygenierung, der geringeren Alteration der Regulatoren-Systeme sowie einer besseren Splanchnikusdurchblutung und Leberfunktion, Humanalbumin sogar überlegen zu sein.The optimal volume replacement strategy in the critically ill is not yet determined. Both trauma and sepsis, induce a release of inflammatory mediators and vasoactive substances. This may lead to alterations of macro- and microcirculation and may impair the endothelial integrity with fluid displacement in the interstitiel space. The aim of this study was to clearify whether volume replacement with hydroxyethylstarch (HES) is an alternative to human albumin (HA). Various hemodynamic parameters were monitored and miscellaneous regulators of the cardiovascular system were analysed. Furthermore the hepatosplanchnic perfusion was assessed.According to a randomized sequence, 30 trauma patients and 30 sepsis patients (secondary to surgery) received either HES 10% or HA 20 % (Trauma-Group: HES-trauma [n=15], HA-trauma [n=15] / Sepsis-Group: HES-sepsis [n=15], HA-sepsis [n=15]). Daily measurements were performed over the next five days after admission to the intensive care unit. Hemodynamic/oxygen variables were assessed by a pulmonary artery catheter, gastric intramucosal pH (pHi) was measured by tonometry for assessing splanchnic perfusion, and the monoethylglycinexylidide (MEGX)-test was used to assess liver function. Plasma levels of atrial natriuretic peptid, endothelin-1, epinephrine, norepinephrine, vasopressin, and 6-keto-prostaglandin-F1alpa were measured from arterial blood samples. TRAUMA-GROUP: There were no significant differences between HES- and HA-treated patients with regard to systemic hemodynamics (Heart Rate [HR], Mean Arterial Pressure [MAP], Pulmonary Artery Wedge Pressure [PCWP] and Central Venous Pressure [CVP]). Despite the fact there were no differences in the preload (PCWP, CVP), HES-patients showed significant improvements in Cardiac Index (CI), Oxygen delivery Index (DO2I), and Oxygen Consumption Index (VO2I) not only to baseline measurements, but also to the HA-group. In addition, a significant decrease for Systemic Vascular Resistance Index (SVRI) in the HES treated patients was found. Plasma levels of epinephrine and norepinephrine decreased significantly in both volume groups. Plasma levels of endothelin-1 and 6-keto-prostaglandin-F1alpha remained almost unchanged. The plasma levels of ANP increased significantly in both volume groups. Plasma levels of vasopressin decreased significantly in the HES-treated patients with significant differences to the HA-treated patients. No significant changes in pHi–values and MEGX plasma concentrations were found throughout the study and between the volume groups. SEPSIS-GROUP: No significant differences between HES- and HA-treated patients with regard to Heart Rate (HR), Mean Arterial Pressure (MAP), Pulmonary Artery Wedge Pressure (PCWP), and Central Venous Pressure (CVP) were found. Despite the fact there were no differences found in preload (PCWP,CVP), HES-patients showed a significant improvement in Cardiac Index (CI), the Oxygen delivery Index (DO2I), the Oxygen Consumption Index (VO2I) and Right Ventricular Ejection Fraction (RVEF) not only to the baseline measurements, but also to the HA-group. In addition, a significant decrease for Systemic Vascular Resistance Index (SVRI) in the HES-treated patients was seen. Plasma levels of epinephrine and norepinephrine decreased significantly in the HES-treated patients. In contrast, a significant increase in HA-treated patients was found. Plasma levels of vasopressin, endothelin-1 and 6-keto-prostaglandin-F1alpha decreased significantly in the HES-treated patients showing significant differences to the HA-group. Plasma levels of ANP increased significantly in the HA-treated patients with significant differences compared to the HES-treated patients. pHi-values decreased significantly in the HA-treated patients with significant differences in the HES-treated patients. MEGX plasma concentrations increased significantly in both volume groups. This increase was detected earlier for the HES-treated patients showing significant differences to the HA-treated patients. Based on these results, it can be concluded that volume replacement with hydroxyethyl-starch (HES) in trauma-patients is an alternative to human albumin (HA). In sepsis-patients, volume replacement with HES appears to be superior to HA-treatment: HES-treated patients showed better hemodynamics and oxygenation, less alteration of the macro- and microcirculation regulators, better splanchic perfusion and liver function

Präklinische Untersuchung von Perfluorodecalin gefüllten Albuminkapseln als Blutersatzstoff in vitro, am isolierten Organ sowie im lebenden Tier

In den letzten Jahrzehnten wurde intensiv an der Entwicklung von Blutersatzstoffen als artifizielle Sauerstoffträger geforscht. Dabei soll der Sauerstoffträger sowohl für die routinemäßige Versorgung des Patienten als auch zur präklinischen Notfallversorgung verwendet werden. Der Bedarf ist aufgrund des demographischen Wandels und der parallel dazu abnehmenden Spendenbereitschaft enorm. Trotz der intensiven Forschung hat es bis heute kein Produkt in die klinische Anwendung Europas und den USA geschafft. Dabei sind neben dem Transport von essentiellen Atemgasen viele weitere Herausforderungen an die Entwicklung gestellt. Diese Arbeit ist Bestandteil der überaus komplexen Entwicklung, indem Perfluorodecalin gefüllte Albuminkapseln als artifizielle Sauerstoffträger sowohl in vitro weiter charakterisiert als auch deren potentiell toxische Effekte im Modell der Ratte untersucht wurden. Darüber hinaus wurde die Funktionalität im isoliert perfundierten Organ sowie im Hämodilutionsmodell der Ratte experimentell erforscht. Die in vitro Charakterisierung zeigte, dass die Kapseln in Albumin-haltigem Medium ihre Größe bis zu sieben Tage stabil halten können. Dabei wurde bei der Synthese auf die Verwendung von potentiell toxischen Stabilisatoren, wie sie bei anderen Sauerstoffträgern üblicherweise verwendet werden, verzichtet. Die Untersuchung potentiell toxischer Effekte verschiedener Kapselgenerationen zeigte nach intravenöser Verabreichung im Modell der Ratte eine gute Bioverträglichkeit der untersuchten Albuminkapseln. Dies wurde verdeutlicht durch das Überleben aller untersuchten Tiere und stabile systemische Parameter während des gesamten Versuchs. Allerdings manifestierten sich anhand von gemessenen Schädigungsparametern Beeinträchtigungen der Leber sowie, ermittelt durch histologische Beurteilungen, strukturelle Veränderungen der Milz. Darüber hinaus konnte nach Infusion der Albuminkapseln eine Hypoglykämie beobachtet werden. Die Verringerung des mittleren Kapseldurchmessers von vormals 1028 nm auf 252 nm führte zu einer Verlängerung der intravasalen Halbwertszeit auf 170 Minuten. Verglichen zu den Kapseln der ersten Generation, die eine Halbwertszeit von 158 Minuten besaßen konnte die Halbwertszeit somit um 12 Minuten gesteigert werden. Die Anwendung der Albuminkapseln im isoliert perfundierten Herzen nach Langendorff zeigte eindrucksvoll deren Eigenschaft, Sauerstoff in Gewebe zu transportieren und dort abzugeben. In dem Versuch wurden Herzen mehrfach unter hypoxische Bedingungen gebracht, um sie dann erfolgreich mit Perfluorodecalin gefüllten Albuminkapseln zu Re-Oxygenieren. Nach dem erfolgreichen Versuch am isoliert perfundierten Organ folgte abschließend die Überprüfung der Funktionalität im Gesamtorganismus. Dabei wurden Ratten, durch den Austausch des Blutes gegen Albuminkapseln, massiv diluiert. Im Gegensatz zu den Kontrolltieren überlebten die Tiere mit Hilfe der Kapseln unter normalerweise nicht mehr mit dem Leben vereinbaren Hämatokritwerten. Zusammenfassend stellen die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Perfluorodecalin gefüllten Albuminkapseln ein vielversprechendes Produkt dar, das insgesamt als therapeutisch relevant eigestuft werden kann. Dennoch sollten weitere Optimierungen der Albuminkapseln erfolgen, um das aktuell bestehende Nebenwirkungsprofil weiter zu minimieren sowie die intravasale Halbwertszeit nochmals zu verlängern