Endothelialisierung von Gasaustauschmembranen für die Entwicklung eines biohybriden Lungenunterstützungssystems

• Endothelialization of Gas Exchange Membranes for the Development of a Biohybrid Lung Support System

Klein, Sarah; Jockenhövel, Stefan (Thesis advisor); Cornelissen, Christian Gabriel (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Die extrakorporale Lungenunterstützung kann den lebenswichtigen Gasaustausch bei Patienten mit Atemversagen sicherstellen, ihre Anwendung ist jedoch aufgrund mangelnder Hämokompatibilität eingeschränkt. Bei dem Konzept einer biohybriden Lunge werden Gasaustauschmembranen mit Endothelzellen besiedelt (die sogenannte Endothelialisierung), um eine nicht-thrombogene und entzündungshemmende Oberfläche und damit ein langzeitstabiles Lungenunterstützungssystem zu schaffen. Allerdings werden zusätzliche Anforderungen an eine biohybride Lunge gestellt, um eine integrale Endothelzellschicht zu erhalten und zugleich die Gasaustauschleistung zu optimieren. In den vorliegenden Studien wurde daher die Eignung zweier unterschiedlicher Membranmaterialien für den Einsatz in einer biohybriden Lunge untersucht. Die erste Studie (Menzel et al., 2017) untersuchte die Endothelialisierung einer gasdurchlässigen Fluorkohlenstoff-Zellkulturmembran mit humanen Endothelzellen aus der Nabelschnurvene (HUVECs) sowie deren Einfluss auf die Gasaustauschleistung. Eine kurzzeitige dynamische Kultur mit zunehmender Wandschubspannung bis zu 0,15 Pa zeigte eine konfluente und strömungsstabile Endothelzellschicht. Entgegen den Erwartungen übertrafen die Sauerstofftransferraten (OTRs) von endothelialisierten Membranen die OTRs der blanken Membran um bis zu 120 %. Die Endothelzellschicht zeigte damit eine gasaustauschfördernde Wirkung, deren zugrundeliegende Prinzipien noch nicht vollständig verstanden sind. Zudem wies die Zellkulturmembran im Gegensatz zu herkömmlichen Gasaustauschmembranen eine relativ geringe Gasdurchlässigkeit auf. In der zweiten Studie (Klein et al., 2019) wurden daher hochgasdurchlässige RGD-konjugierte Polydimethylsiloxan-Membranen (RGD-PDMS) verwendet. Die Membranen wurden mit HUVECs besiedelt und ihre Langzeitstabilität und Gasaustauschleistung in einem biohybriden Lungenmodell unter physiologischem Flussbedingungen mit einer Wandschubspannung von 0,5 Pa evaluiert. Nach 3, 19 und 33 Tagen wurde die Gasaustauschleistung der endothelialisierten Membranen mit venösem Schweineblut nach ISO 7199 getestet. RGD-PDMS-Membranen ermöglichten eine integrale Endothelialisierung und erwiesen sich für eine dynamische Kultur von mindestens 33 Tagen als stabil. Die Leistungstests bestätigten die Oxygenierung und Decarboxylierung des Blutes über die endothelialisierten Membranen, wobei die Gasaustauschleistungen mit kommerziellen Oxygenatoren vergleichbar waren. Trotz der anspruchsvolleren Strömungsbedingungen mit einer erhöhten Wandschubspannung von 2,5 Pa sowie der Inkubation mit Schweineblut zeigte sich nach den Leistungstests eine intakte Zellschicht. In den vorliegenden Studien wurde die Eignung von zwei verschiedenen Membranmaterialien für eine strömungsstabile Endothelialisierung gezeigt. Beim Vergleich der beiden Studien und der beiden Membranmaterialien erwies sich die Gasaustauschleistung als limitierender Faktor für die Entwicklung einer biohybriden Lunge. So wurde RGD-PDMS als besonders geeignetes Membransystem für biohybride Lungen identifiziert. Obwohl Aspekte der Hämokompatibilität, insbesondere bei multimorbiden Patienten, noch zu untersuchen sind, belegen unsere Ergebnisse die Eignung von RGD-PDMS für biohybride Lungenunterstützungssysteme, die in Zukunft eine langfristige Unterstützung von Patienten mit chronischem Lungenversagen ermöglichen könnten.

Einrichtungen

• [811001-1]