Development of superselective endovascular tissue access and sampling

Endovascular techniques have revolutionized healthcare by allowing effective treatments of vascular diseases not possible through other surgical means. They have also largely supplanted some surgical treatments due to increased safety and equal or sometimes increased efficacy. However, most endovascular techniques concern the treatment of intravascular disease, as the ability to reach the extravascular tissue has been limited. The trans-vessel wall technique is a recent endovascular technique, in the pre-clinical stage, that allows endovascular instruments to exit the blood vessel and gain direct access to the tissue of an organ. The trans-vessel wall technique and other minimally invasive approaches could be used to treat organs directly, and to perform biopsy. Tissue and cell biopsy are crucial parts of medical diagnosis, and the reference standard for most pathological conditions. In addition, biopsy is an important source of biological material of disease for pre-clinical research. Biopsy is performed using a variety of techniques with different levels of invasiveness, ranging from drilling through the skull to direct needle puncture with or without image guidance. There is a clear trend towards less invasive methods, which may offer a lower risk of complications and lesser need for post-biopsy monitoring, so that tissue crucial for diagnosis can be procured more quickly, safely, and preferably in outpatient settings. This thesis aimed to develop novel methods of accessing hard to reach organs using endovascular navigation, for the purposes of delivery of therapeutic substrates, or for performing biopsy. In Study I we employed mechanical thrombectomy, an established endovascular treatment method for ischemic stroke, to harvest endothelial cells from vessels affected by thrombosis. We showed that the endothelial cells can be isolated from the devices and thrombus, enriched by cell culture, and analyzed using single cell RNA sequencing. In Study II we tested an improved version of the trans-vessel wall technique, a method of direct tissue access using endovascular navigation, to access the heart, the kidneys, and pancreas parenchymae without causing significant hemorrhage. We showed that the myocardial wall can be accessed epicardially and endocardially, and that the kidney capsule can be accessed selectively. These access points are suitable targets for cell transplantation. The pancreas and kidney were also highly accessible for potential new biopsy techniques. In Study III we developed a novel endomyocardial biopsy device that is smaller, less traumatic, and more flexible than currently available methods, which may improve lesion targeting and reduce complications. We showed that the samples gathered by the device could be reliably analyzed using RNA sequencing. In Study IV we employed the novel endomyocardial biopsy technique in swine affected by myocardial infarction, showing that it is safe to use in a diseased heart and that RNA sequencing analysis of the biopsy samples could detect tissue gene expression changes caused by the myocardial infarction. In conclusion, this thesis demonstrates a variety of novel approaches to access tissues for administration of cells and therapeutic substances, and to obtain biopsies in safer and less traumatic ways than currently possible, using modern low profile endovascular techniques. It also shows that RNA sequencing can be a valuable tool to gather as much data as possible from the small cell and tissue samples gathered using these techniques

Hydrophilic Polymer Embolism: Implications for Manufacturing, Regulation, and Postmarket Surveillance of Coated Intravascular Medical Devices

Hydrophilic polymers are ubiquitously applied as surface coatings on catheters and intravascular medical technologies. Recent clinical literature has heightened awareness on the complication of hydrophilic polymer embolism (HPE), the phenomenon wherein polymer coating layers separate from catheter and device surfaces, and may be affiliated with a range of unanticipated adverse reactions. Significant system barriers have limited and delayed reporting on this iatrogenic complication, the full effects of which remain under-recognized by healthcare providers and manufacturers of various branded devices. In 2015, the United States Food and Drug Administration acknowledged rising clinical concerns and stated that the agency would work with stakeholders to further evaluate gaps that exist in current national and international device standards for coated intravascular medical technologies. The present article reviews current knowledge on this complication as well as factors that played a role in delaying detection and dissemination of information and new knowledge once hazards and clinical risks were identified. Furthermore, organ-specific effects and adverse reaction patterns are summarized, along with implications for device manufacturing, safety testing, and regulation. Particulate analyses and general enhanced processes for device surveillance are needed to optimize vascular technologies and to ensure patient safety

Piezoresistor-Embedded Multifunctional Magnetic Microactuators for Implantable Self-Clearing Catheter

Indwelling catheters are used widely in medicine to treat various chronic medical conditions. However, chronic implantation of catheters often leads to a premature failure due to biofilm accumulation. Previously we reported on the development of a self-clearing catheter by integrating polymer-based microscale magnetic actuators. The microactuator provides an active anti-biofouling mechanism to disrupt and remove adsorbed biofilm on demand using an externally applied stimulus. During an in vivo evaluation of self-clearing catheter, we realized that it is important to periodically monitor the performance of implanted microactuators. Here we integrate gold-based piezoresistive strain-gauge on our magnetic microactuators to directly monitor the device deflection with good sensitivity (0.035%/Deg) and linear range (±30°). With the integrated strain-gauge, we demonstrate the multi-functional capabilities of our magnetic microactuators that enable device alignment, flow-rate measurement, and obstruction detection and removal towards the development of chronically implantable self-clearing smart catheter

Design of an endovascular morcellator for the surgical treatment of equine Cushing's disease

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Tal como nos humanos, e devido principalmente ao desenvolvimento da medicina, a esperança média de vida dos cavalos tem vindo a aumentar. Doenças que maioritariamente atingem cavalos com uma idade mais avançada, aparecem agora com mais frequência. Em particular, o número de cavalos com a doença de Cushing tem vindo a crescer nos últimos anos. Esta doença, também designada por disfunção da pars intermedia da glândula pituitária (PPID), é uma condição comum e grave causada por função neuroendócrina anormal em equinos adultos. Atualmente, pensa-se que a PPID afete mais de 20% dos equinos com 15 ou mais anos. Em animais vertebrados, a hipófise encontra-se dividida em três lobos: pars nervosa, pars intermedia e pars distalis. A pars intermedia, constituída por uma população de melanotropos, compreende menos de 5% da hipófise e é neste lobo onde os cavalos com PPID apresentam uma neoplasia ou hiperplasia. A causa de PPID não se encontra totalmente esclarecida, mas sabe-se que há perda de inibição dopaminérgica dos melanotropos da pars intermedia. É possível que a lesão seja um aparecimento espontâneo de uma neoplasia pituitária, mas, também é possível que o aumento da pars intermedia da glândula pituitária resulte da perda de inibição dopaminérgica, ou seja, de causa degenerativa devido ao envelhecimento. Os melanotropos sintetizam uma hormona precursora de pro-opiomelanocortina (POMC). O processamento de POMC origina ACTH, uma hormona estimulante de melanócitos α (α MSH), ϐ-endorfina (ϐ-END), cortisol (por estimulação das glândulas suprarrenais), entre outros. Estas hormonas são reguladas pela libertação/inibição de dopamina pelo hipotálamo. Na presença desse neurotransmissor, a síntese de POMC diminui e, consequentemente, também a síntese das hormonas derivadas de POMC. Estas hormonas têm várias funções no organismo: regulação do metabolismo, obesidade, stress, inflamação e redução de dor. Devido à perda de inibição dopaminérgica, as concentrações de ACTH e produtos derivados aumentam. Esta subida faz com que os cavalos fiquem mais suscetíveis a infeções por fungos, bactérias e parasitas, devido ao enfraquecimento do sistema imunitário, e aumenta a incidência de problemas de infertilidade. Como sinais clínicos, temos o crescimento anormal do pêlo, falha ou atraso na mudança do pêlo, depressão, perda de peso, abdómen pendular, depósitos anormais de tecido adiposo, poliúria e polidipsia, infecções secundárias e laminite. Em humanos, o tratamento indicado para esta doença é a remoção do tumor, que pode ser removido por três vias diferentes: nasal, craniana e septal. Maioritariamente, as cirurgias são feitas via transfenoidal, com uma pequena abertura no nariz ou no septo. A vantagem da utilização destas ao invés da via craniana é a não exposição do cérebro, reduzindo a complexidade da cirurgia e os riscos inerentes. No cavalo, o único tratamento para a doença de Cushing consiste em medicação oral porque, até ao momento, não há nenhum instrumento médico capaz de cirurgicamente remover o tumor. O tratamento de equinos com PPID pode ser difícil devido à idade do animal e à ocorrência frequente de outros diversos problemas e patologias. Entre os fármacos utilizados encontram-se agonistas da dopamina, como o mesilato de pergolide, antagonistas da serotonina e inibidores da esteroidogénese adrenal, como o trilostano. Atualmente, o medicamento de eleição é o mesilato de pergoline, um agonista da dopamina que ativa os recetores dopaminérgicos tipo 2 nos melanotropos da pars intermedia, levando à diminuição da produção de POMC e de péptidos derivados responsáveis pelos sinais clínicos. No entanto, embora indicados para os sinais clínicos, este medicamento não diminui o tumor existente na hipófise, que continua a ser um problema. Usando as mesmas técnicas cirúrgicas que em humanos, seriam necessários instrumentos longos e finos que fossem capazes de perfurar vários centímetros de osso. Esta abordagem não só constituiria uma cirurgia morosa e complexa, com uma longa recuperação, como a probabilidade de danificar tecidos saudáveis seria grande. Em 1986, foi descoberto um caminho específico nos equinos que permite chegar à hipófise através de veias e cavidades. Este caminho pode ser acedido através de uma veia superficial facial. Com esta descoberta, um novo paradigma para a remoção de tumores surgiu: usar um instrumento endovascular para permitisse navegar pelas veias e cavidades e remover o tumor. O objetivo deste projeto é desenhar a construir um protótipo de um instrumento que permita remover tumores da hipófise em cavalos, usando o caminho descrito, com um especial foco na componente de ressecção do instrumento. A cirurgia minimamente invasiva (MIS), também chamada de Laparoscopia, é uma técnica pouco invasiva que tem por definição ser menos agressiva, condicionar menos dor e permitir uma recuperação pós-operatória mais rápida. Em humanos, esta técnica é usada principalmente em procedimentos cirúrgicos na cavidade abdominal e pélvica, sendo por vezes também usada em procedimentos cardiovasculares. Em Portugal, a primeira cirurgia ocorreu em 1991. Nestes procedimentos, uma pequena incisão é feita no paciente e um instrumento com pequeno diâmetro, e muitas vezes equipado de fibra ótica com uma câmara e uma fonte de luz, é inserido. Nos cavalos, depois de alguns estudos e medições, foi definido um diâmetro máximo de 5 mm para um instrumento ser inserido nos vasos sanguíneos. O instrumento tem de ser flexível, capaz de contornar cavidades e ossos e deve ter um comprimento mínimo de 350 mm. O componente de ressecção deverá constar no topo do instrumento e, para que o corte seja o mais estável possível, deverá ser rígido e não ter mais do que 14 mm de comprimento. Foram precisos definir alguns requisitos essenciais para o design do instrumento. A glândula pituitária situa-se na base do crânio dentro da sela túrcica e está rodeada por veias cerebrais, muito perto do par de nervos óticos. Isto faz com que seja importante a não deformidade da glândula aquando da ressecção, de modo a não danificar tecidos saudáveis adjacentes. Desse modo, o instrumento tem de centrar todas as forças do corte nele próprio ou usar a inércia do tecido como contra força. Adicionalmente, devido à localização, é importante que o mesmo consiga cortar tecido de uma superfície plana, pois o tumor pode não ter relevo, e que o corte seja frontal e total. Isto faz com que seja mais fácil chegar a todos os recantos da sela túrcica, caso necessário, e que o corte seja mais rápido e eficaz, minimizando também a perda de sangue. A ressecção pode-se fazer usando três direções diferentes: radial, axial e tangencial, sendo esta última descartada pois não permite cortes frontais. Estas forças podem ter dois movimentos diferentes: rotacional e translacional. Dado a dificuldade em cumprir os requisitos usando apenas uma destas direções, um instrumento com direções híbridas foi pensado, tanto a nível de atuação como de corte. Depois de cortado, o tecido tumoral tem de ser extraído para fora do organismo e existem alguns métodos usados para esse efeito. Entre eles consta a aspiração, método esse que queremos evitar neste instrumento pois potencia a perda de sangue e tem de ser algo potente para transportar os pedaços de tumor por este longo caminho. Depois de definidos os requisitos, um primeiro design do componente de ressecção surgiu com um diâmetro externo de 5 mm e era constituído por um tubo exterior e um tubo interior com um fio na parte frontal. Este instrumento usava forças axiais rotacionais e translacionais no corte. Contudo, foi descartado devido ao não cumprimento de todos os requisitos e à dificuldade na sua construção e estabilidade. O segundo e último instrumento foi desenhado com 5,2 mm de diâmetro externo, mais 0,2 do que inicialmente pensado. Este novo design é composto por apenas três componentes de modo a manter o instrumento o mais simples e fácil de construir possível: um tubo externo, um tubo interno e uma peça com duas lâminas em forma helicoidal. Desta maneira foi possível cumprir todos os requisitos iniciais. A ressecção é feita usando forças axiais rotacionais e translacionais e o tecido é armazenado dentro do tubo interior, depois de ser cortado. Um protótipo do design foi feito usando SolidWorks 2016. Para a posterior fabricação do dispositivo, um motor foi adicionado e consequentemente uma peça que permite a sua ligação ao instrumento. Devido ao tamanho do motor, as dimensões das peças sofreram uma modificação e é essa a razão do aumento no diâmetro externo do instrumento. Os objetivos deste protótipo eram testar a viabilidade do design e da sua fabricação. Para isso, foi decidido usar um protótipo rígido e não flexível. Embora conceptualmente o instrumento cumpra os requisitos propostos, o protótipo não foi fabricado como flexível nem com materiais biocompatíveis. Tanto a inserção do instrumento como a própria ressecção do tumour constituem um perigo para o animal e podem vir a trazer complicações. Adicionar uma técnica de imagiologia como a Tomografia de Coerência Ótica pode minimizar essas complicações. O design do instrumento deve ser otimizado e um esforço deve ser feito no sentido de encontrar os melhores materiais e técnicas de construção testando-os, para alcançar um instrumento possível de usar em ambiente clínico e que possa melhorar a qualidade de vida de cavalos com doença de Cushing.Just like people, thanks to a better understanding of health and medical care, horses are living longer than ever. Illnesses that commonly plague aged horses are becoming more prevalent. In particular, the number of horses diagnosed with Cushing’s disease has increased over the last several years. Cushing’s disease is a serious condition of an excess of the steroid hormone cortisol in the blood level, due to an increase secretion of adrenocorticotropic hormone (ACTH), normally caused by a benign pituitary tumour. ACTH stimulates the adrenal glands to produce cortisol, commonly referred to as the stress hormone. Cushing’s disease it’s most common in older horses (18–23 years) and often compromises the immune system, causing them to be more prone to infections and other health problems. There’s a treatment to control and reduce the severity of the clinical signs using oral medication, but remove the pituitary gland by surgery, so far, has been technically impossible. Although medication can be used for the symptoms, it’s not a long-term solution as the tumour is still there. A medical instrument capable of removing unhealthy tissue from the pituitary gland could be a good approach and it’s the major focus of this project. As minimal invasive procedure instruments are not able to reach the equine pituitary gland so far, a discovered endovascular path from a facial vein to the pituitary gland could be the solution. After a literature review to understand nowadays techniques, mechanical morcellators came up as simple, cheap and easy to use and manipulate. The focus of this thesis is to design and create a prototype of a new debulking structure to be used in a mechanical endovascular morcellator. The developed prototype (Ø 5,2 mm) incorporates three components used for the debulking process: an outside tube, an inside tube to transport the debris and a debulking component, able to cut thought tissue using axial translation and axial rotation force directions. The debulking part is composed of two blades with opposite helicoidal shape. This device allows frontal cuts and full resection with minimal tissue deformation, without having to aspirate the debris. Additionally, it allows to cut tissue from flat surfaces. A handgrip was also designed to allow the assembly of the all prototype and a motor was added to allow rotation. This new debulking component design seems to be promising, and it can serve as a starting point for more research on endovascular morcellators or even other kinds of morcellators

Foldable substrates for micro-ultrasonic transducers

Ultrasound has broad range of applications from underwater examination, nondestructive testing of materials and medical diagnosis and treatment. The ultrasonic transducer plays an vital role in determining the resolution, sensitivity, as well as other diagnostic capabilities of an ultrasonic imaging system. Current piezoelectric transducer which dominates the medical field has limited applications compared to the capacitive ultrasonic transducer. The capacitive transducer is easy to fabricate compared to the piezoelectric transducer. In this work, the fabrication of a foldable substrate for a capacitive ultrasonic transducer has been discussed. The foldable substrate was fabricated using an ultrathin silicon wafer which is 50 µm thick by using the principle of polymer shrinkage. It is believed that the foldable substrate can be used in intravascular ultrasound (IVUS) and endoscopic ultrasound (EUS) applications for next generation biomedical imaging