Aus der Abteilung für Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie des
Deutschen Herzzentrums Berlin
(Ärztlicher Direktor: Professor Dr. med. Roland Hetzer)

Habilitationsschrift

Experimentelle und klinische Untersuchungen über den Gebrauch von Allograft-Material zur in situ-Behandlung von Infektionen im Bereich der Aorta

Zur Erlangung der venia legendi für das Fach Herzchirurgie

vorgelegt dem Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Dr.med. Christoph Knosalla
aus Berlin

Präsident:Prof. Dr.rer.nat. Jürgen Mlynek

Dekan: Prof. Dr. med. Joachim W. Dudenhausen

Gutachter:
1. Prof. Dr. med. Marko Turina, Zürich
2. Prof. Dr.med. Ernst Wolner, Wien

Datum der Einreichung: 29. Juni 2000

Datum der Habilitation:10. April 2001

Abstract Deutsch

Infektionen im Bereich der Aorta stellen heute noch eine der gravierendsten Komplikationen der rekonstruktiven Gefäßchirurgie dar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Effektivität von kryokonservierten Aortenallografts bei der in situ-Behandlung einer manifesten Infektion im Bereich der Aorta tierexperimentell zu evaluieren. Dessweiteren sollte die Rolle der im Rahmen der Kryokonservierung zum Zwecke der Dekontamination eingesetzten Antibiotika untersucht werden. Zu diesem Zwecke erfolgte im in vitro-Experiment die Untersuchung der Antibiotikakonzentration im Gewebe sowie die der Freisetzungskinetik. Am Modell einer durch Staphylococcus epidermidis RP-62 verursachten Protheseninfektion der infrarenalen Bauchaorta des Hundes konnte eine intrinsische Infektionsresistenz der kryokonservierten Aortenallografts nachgewiesen werden. Jedoch scheint die Antibiotikabehandlung der Allografts für die Optimierung des therapeutischen Effektes essentiell zu sein.

Die Ergebnisse der in vivo-Experimente werden durch die in vitro-Untersuchungen, ebenso wie durch die Analyse der eigenen klinischen Ergebnisse und der in der Literatur publizierten Daten belegt.

Die vorliegende Arbeit kommt zu dem Schluß, daß die Verwendung von kryokonservierten Allografts das Therapiekonzept der Wahl zur Behandlung von Infektionen im Bereich der Aorta darstellt.

Eigene Schlagworte: Allograft, Kryokonservierung, Aorteninfektion, mykotisches Aneurysma

Abstract english

Infections of the aorta remain one of the most dreaded complications in reconstructive vascular surgery. The purposes of this study were to evaluate the efficacy of a cryopreserved aortic allograft to treat an established vascular graft infection by the surgical in situ replacement of the infected segment in an animal model, and to investigate the role of antibiotics to decontaminate the allograft during the cryopreservation process.

Furthermore, the tissue concentrations of the antibiotic and the kinetics of desorption were investigated in in vitro experiments.

A model of prosthetic graft infection by Staphylococcus epidermidis RP-62 (inserted in the infrarenal aorta) in dogs was developed. By in situ replacement of the infected prosthetic graft with a cryopreserved aortic allograft, this study demonstrated an intrinsic resistance to infection of cryopreserved aortic allografts. However, antibiotic loading of the cryopreserved aortic allografts appeared to be essential to obtain optimal therapeutic effects.

The results of these in vivo experiments were supported by the findings of our in vitro studies, as well by analysis of our own clinical results and by clinical data published in the medical literature.

We conclude that in situ replacement with a cryopreserved allograft is currently the therapy of choice for an aortic infection.

Keywords: Allograft, Cryopreservation, aortic infection, mycotic aneurysm

Widmung

Meiner Frau Isabela

und

meinen Eltern

in Dankbarkeit gewidmet

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
  • 1.1 Problemstellung
  • 1.2 Gebrauch von Allografts in der Vaskularchirurgie und Kardiovaskularchirurgie
  • 1.3 Entwicklung von synthetischen Gefäßprothesen
  • 1.4  Erregerspektrum der Protheseninfektion
    • 1.4.1  Epidemiologische Daten
  • 1.5 Nomenklatur und Klassifikation der arteriellen Infektionen
    • 1.5.1  Historische Entwicklung
    • 1.5.2  Definition und Klassifikation von Protheseninfektionen in der Gefäßchirurgie
    • 1.5.3  Klassifikation von Gefäßinfektionen
  • 1.6 Präventionstechniken
    • 1.6.1  Forschung zur Antibiotika-Beschichtung von Gefäßprothesen
  • 1.7 Pathogenese der Protheseninfektion
    • 1.7.1  Mechanismen der Infektionsentwicklung
    • 1.7.2  Art des Prothesenmaterials
    • 1.7.3  Infektionserreger
  • 1.8  Übertragbarkeit des Tiermodells
    • 1.8.1  Das Hundemodell
  • 1.9  Fragestellung der Arbeit
• 2  Material und Methoden
  • 2.1 In vivo-Untersuchung am Tiermodell
    • 2.1.1  Auswahl der Tiere und Tierhaltung
    • 2.1.2  Graft-Material
    • 2.1.3  Infektionserreger
    • 2.1.4  In vitro-Kolonisation der Gefäßprothesen
    • 2.1.5  Gewinnung der Aortenallografts (Spenderoperation)
      • 2.1.5.1  Vorbereitung und Anästhesie
      • 2.1.5.2  Entnahme der Aortenallografts
    • 2.1.6  Zubereitung der Allografts
    • 2.1.7  Kryokonservierung
    • 2.1.8  Infrarenaler Bauchaortenersatz
      • 2.1.8.1  Vorbereitung und Anästhesie
      • 2.1.8.2  Operation
    • 2.1.9  Beschreibung der makroskopisch-anatomischen Veränderungen
    • 2.1.10  Histologische Beschreibungen
    • 2.1.11  Mirkobiologische Untersuchungen
    • 2.1.12  Experimentelles Protokoll
    • 2.1.13  Statistische Analyse
  • 2.2  In vitro-Untersuchungen
    • 2.2.1  Gewinnung der Allografts
    • 2.2.2  Zubereitung der Allografts
    • 2.2.3  Kryokonservierung
    • 2.2.4  Versuchsprotokoll der Vancomycinfreisetzung aus den Aortenallografts
      • 2.2.4.1  Verarbeitung der Allograftfragmente zur Vancomycin-Bestimmung
      • 2.2.4.2  High-performance liquid Chromatographie (HPLC)
      • 2.2.4.3  Fluorescence Polarisations Immunoassay (FPIA)
      • 2.2.4.4  Versuchsprotokolle der Vancomycindesorption
• 3 Ergebnisse
  • 3.1 In vivo-Untersuchungen
    • 3.1.1  In vitro-Kolonisierung der Polyesterprothesen
    • 3.1.2  Makroskopisch-anatomische Befunde
    • 3.1.3  Mikroskopische Befunde
    • 3.1.4  Bakteriologische Untersuchungen
  • 3.2  In vitro-Untersuchungen
    • 3.2.1  Vancomycinkonzentration in der Kryokonservierungslösung
    • 3.2.2  Vancomycinkonzentration in den Waschlösungen
    • 3.2.3  Vancomycinkonzentration in den porcinen Aortenallografts
    • 3.2.4  Freisetzung von Vancomycin aus den porcinen Aortenallografts
• 4 Diskussion
  • 4.1 In vivo-Untersuchung
    • 4.1.1  Relevanz des Versuchsmodells
    • 4.1.2  Protokoll der Kryokonservierung
    • 4.1.3  Eigene Ergebnisse
    • 4.1.4  Ergebnisse anderer Studien
  • 4.2 In vitro-Untersuchungen
    • 4.2.1  Eigene Ergebnisse
      • 4.2.1.1  Nachweismethoden von Vancomycin
      • 4.2.1.2  Limitation der Untersuchung
    • 4.2.2  Ergebnisse anderer Studien
  • 4.3  Beantwortung der Fragestellung der Arbeit
• 5 Klinischer Einsatz von Aortenallografts zur Behandlung von Infektionen im Bereich der Aorta am Deutschen Herzzentrum Berlin
• 6  Material und Methoden
  • 6.1 Voroperationen und prädisponierende Faktoren
  • 6.2  Lokalisation der Infektion
  • 6.3  Bakteriologische Befunde
  • 6.4 Technik der Kryokonservierung
  • 6.5 Operationstechniken
• 7  Ergebnisse
• 8  Diskussion
  • 8.1 Infektionsbehandlung im Bereich der thorakalen Aorta
    • 8.1.1  ExtraanatomischeTechniken
    • 8.1.2  In situ-Rekonstruktionstechniken im Bereich der thorakalen Aorta ohne Aortenallograft
    • 8.1.3  In situ- Rekonstruktion mit Aortenallograft
      • 8.1.3.1  Eigene Ergebnisse
      • 8.1.3.2  Ergebnisse anderer Studien
      • 8.1.3.3  Schlußfolgerung
  • 8.2  Infektionsbehandlung im Bereich der abdominalen Aorta
    • 8.2.1  Extraanatomische Techniken
    • 8.2.2  In situ-Rekonstruktion ohne Aortenallograft
    • 8.2.3  In-situ Rekonstruktion unter Verwendung eines Aortenallografts
      • 8.2.3.1  Eigene Ergebnisse
      • 8.2.3.2  Ergebnisse anderer Studien
  • 8.3 Antibiotikatherapie
  • 8.4 Langzeitergebnisse
• 9  Ausblick und Gesamtauswertung
• 10  Zusammenfassung
• Abkürzungsverzeichnis
• Literaturverzeichnis
• Danksagung
• Selbstständigkeitserklärung

Tabellen

• Tabelle 1 : Klassifikation postoperativer Infektionen bei gefäßrekonstruktiven Eingriffen nach Szyilagyi et al. (1972)
• Tabelle 2 : Klassifikation von Protheseninfektionen nach Bandyk (1991)
• Tabelle 3 : Klassifikation der l’Association Universitaire de Recherche en Chirurgie (1996)
• Tabelle 4 : Klassifikation mykotischer Aneurysmen nach Patel und Johnston (1977)
• Tabelle 5 : Klassifikation arterieller Infektionen nach Moore, 1997
• Tabelle 6 : Makroskopische Befunde der Gefäßprothesen und Allografts
• Tabelle 7 : Mikroskopische Befunde des Perigraftgewebes der Polyesterprothesen und der Allografts
• Tabelle 8 : Mikroskopische Befunde im Anastomosenbereich der Polyesterprothesen und der Allografts
• Tabelle 9 : Mikrobiologische Ergebnisse der durch S. epidermidis RP-62 verursachten Protheseninfektionen
• Tabelle 10 : Charakteristika von 11 Patienten, die bei einer Infektion im Bereich der Aorta unter Verwendung von kryokonservierten Aortenallografts am Deutschen Herzzentrum Berlin zwischen März 1989 bis Mai 2000 behandelt wurden
• Tabelle 11 : Lokalisation, Art der Operation und Reoperationen bei 11 Patienten mit Infektionen im Bereich der Aorta
• Tabelle 12 : Erreger, Früh- und Spätletalität bei 11 Patienten, die bei einem infektionsbedingten Aortenaneurysma oder einer Protheseninfektion am Deutschen Herzzentrum Berlin operiert wurden
• Tabelle 13 : Literaturübersicht klinischer Erfahrung mit kryokonservierten Aortenallografts bei der Behandlung von Infektionen im Bereich der thorakalen Aorta.
• Tabelle 14 :Initiale Ergebnisse in der Behandlung von Protheseninfektionen der Aorta modifiziert nach Curl und Ricotta, 1994
• Tabelle 15 : Ergebnisse in der Behandlung von Protheseninfektionen nach Einführung des staged treatment modifiziert nach Curl und Ricotta, 1994
• Tabelle 16 : Ergebnisse der in situ-Rekonstruktion von Infektionen der abdominalen Aorta mit kryokonservierten Allografts

Bilder

• Abb. 1 : Bakteriologische Befunde der Protheseninfektionen in Abhängigkeit von der Untersuchungsperiode
• Abb. 2 : Schematische Darstellung der Pathophysiologie der Gefäßprothesen-infektionen durch Mikrofilm-bildende Erreger, modifiziert nach Bandyk, 1994
• Abb. 3 : Explantierte Hundeaorta in toto
• Abb. 4 : Originalregistrierung des computergesteuerten Einfrierungsprozesses eines Aortenallografts. Legende: P = Programmierte Temperatur, A = Temperatur des Aortenallografts, KP = Kristallisationspunkt.
• Abb. 5 Fertigung der distalen Anastomose.
• Abb. 6 : Gefäßprothese in situ.
• Abb. 7 : Kryokonserviertes Aortenallograft in situ.
• Abb. 8 : Histologie einer infektionsbedingten Anastomosenruptur 5 Tage nach Implantation einer mit S. epidermidis RP-62 infizierten Gefäßprothese ↑ ­: markiert die Ruptur * polymorphkernige Zellen in der Media aortae.
• Abb. 9 : Infiziertes Aortenallograft der Versuchsgruppe II
• Abb. 10 : Perigraftgewebe eines Hundes 7 Tage nach Implantation einer infizierten gelatinebeschichteten Polyesterprothese. Es findet sich eine inflammatorische Infiltration des Gewebes mit polymorphkernigen Zellen. Hematoxylin-Eosin, x80
• Abb. 11 : Perigraftgewebe eines Hundes 21 Tage nach Implantation eines mit Antibiotika behandelten Allografts. Es findet sich fibrotisches Gewebe ohne Hinweis auf eine Inflammation, Hematoxylin-Eosin, x80.
• Abb. 12 : Perianastomotisches Gewebe eines Hundes sieben Tage nach Implantation einer infizierten Polyesterprothese. Es finden sich eitrige Nekrosen (*) im Bereich der perianastomotischen Fibrose, M= Media aortae, Hematoxylin-Eosin, x80.
• Abb. 13 : Perianastomotisches Gewebe eines Hundes 21 Tage nach Implantation eines mit Antibiotika behandelten Allografts. Es zeigen sich weder in der Adventitia noch im umgebenden fibrotischen Gewebe (*) Hinweise auf eine Inflammation, M= Media aortae, Hematoxylin-Eosin, x80.
• Abb. 14 : Desorption von Vancomycin aus porcinen Aortenallografts nach Versuchsprotokoll 1 in 5%-Humanalbumin (37°C, pH 7.4). Aufgetragen sind die Gewebekonzentrationen und die Konzentrationen in der Inkubationslösung.
• Abb. 15 : Desorption von Vancomycin aus porcinen Aortenallografts nach Versuchsprotokoll 2 in 5%-Humanalbumin (37°C, pH 7.4). Aufgetragen sind die Gewebekonzentrationen gemittelt aus Doppelbestimmungen und die Konzentrationen in den Inkubationslösungen.
• Abb. 16 : Intraoperative Präparation des Aortenallografts bei Patient 11.
• Abb. 17 : Allograftpatchrekonstruktion eines mykotischen Aneurysmas im Bereich der aortalen Kannülierungsstelle nach orthotoper Herztransplantation (Patient Nr.1). Legende:LCA=linke Koronararterie, RCA= rechte Koronararterie.
• Abb. 18 : Prothesenendokarditis und Infektion einer Aorta ascendens-Prothese nach Aorta ascendens-Ersatz wegen eines mykotischen Ascendensaneurysmas bei Patient Nr. 2.
• Abb. 19 : Aortenwurzelersatz mit einem Aortenallograft und subtotaler Aorta ascendens-Ersatz mittels Allograftpathrekonstruktion bei Patient Nr. 2.
• Abb. 20 : Protheseninfektion eines Aortenkomposits mit paravalvulärem Leck, Dehiszenz im Bereich des Septum aorticomitrale, Jet lesion des anterioren Mitralsegels und Ausbildung eines mykotischen Aortenaneursymas. Patient Nr. 3.
• Abb. 21 : Aortenwurzel- und Aorta ascendens-Ersatz mit einem Aortenallograft und Rekonstruktion des Septum aorticomitrale unter Verwendung des anterioren Segels des Allografts und Direktverschluß der Jet lesion bei Patient Nr.3.
• Abb. 22 : Aortenwurzel und Aorta ascendens-Ersatz mit einem Allograft bei Patient Nr.4.
• Abb. 23 : Computertomographie eines mykotischen Aneurysmas (↑) der Aorta ascendens nach orthotoper Herztransplantation im Bereich der aortalen Anastomose bei Patient Nr.5.
• Abb. 24 : Allograftpatchrekonstruktion eines mykotischen Aortenaneurysmas im Bereich der Aortenanastomose nach orthotoper Herztransplantation bei Patient Nr. 5.Nach Resektion beider Anastomosenränder erfolgte eine Direktanastomose im Bereich der Hinterwand und eine keilförmige Patchplastik unter Verwendung eines Aortenallografts. Legende: siehe Abb.17.
• Abb. 25 : Allogener Aorta ascendens-Ersatz bei Patient Nr 5.
• Abb. 26 : Computertomographie eines sacculären Aortenbogenaneurysmas bei Patient Nr. 6.
• Abb. 27 : Partieller Aortenbogenersatz mit einem Aortenallograft bei Patient Nr. 6 und 7.
• Abb. 28 : Allograftpatchrekonstruktion im Bereich der Aorta descendens bei Patient Nr.8.
• Abb. 29 : Präoperatives digitales Substraktionsangiogramm der Aorta abdominalis zeigt eine Kompression (↑­) und ein mykotisches Aneurysma der infrarenalen Bauchaorta bei Patient Nr.9.
• Abb. 30 : Computertomographie mit Kontrastmittel von Patient Nr. 9 zeigt multiple Pankreaspseudozysten, die die infrarenale Bauchaorta komprimieren.
• Abb. 31 : Kontrollangiographie bei Patient Nr. 9 zeigt die infrarenale Bauchaorta von normaler Größe ohne Hinweis für eine rekurrente Aneurysmabildung
• Abb. 32 : Intraoperatives Bild eines Aorta descendens-Reersatzes unter Verwendung eines Aortenallografts
• Abb. 33 : Angiogramm der Aorta abdominalis bei Patient Nr. 11 mit protheto-duodenaler Fistel zeigt ein mykotisches Aneursyma der dorsalen Bauchaorta in Höhe der Arteria mesenterica superior.
• Abb. 34 : Angiogramm der Aorta abdominalis bei Patient Nr. 11 zeigt Pseudoaneurysmen im Bereich der distalen Aortenanastomose
• Abb. 35 : Intraoperatives Bild des Ersatzes der Bauchaorta über einen retroperitonealen Zugang. Die proximale Anastomose erfolgt schräg und schließt die Nierenarterien und Arteria mesenterica superior ein.
• Abb. 36 : Histologie eines durch Candida albicans verursachten mykotischen Aneurysmas der Aorta ascendens. Es finden sich reichlich Hyphen und Pseudomyzelien.Hematoxylin-Eosin, x80.
• Abb. 37 : Kontrollcomputertomographie der Bauchaorta von Patient Nr. 11 zeigt sechs Monate nach Implantation eines Aortenallografts eine normalgroße Aorta ohne Hinweis auf eine rekurrente Aneurysmabildung
• Abb. 38 : Röntgen-Thorax-Bild eines Patienten 81 Monate nach Patchrekonstruktion mit einem kryokonservierten Aortenallograft zeigt keinen Hinweis auf Kalzifikationen.