Krabatsch , Thomas : Untersuchungen zu klinischem Stellenwert und zugrundeliegenden Mechanismen der transmyokardialen Laserrevaskularisation

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Kapitel 1. Einleitung

In den entwickelten Industrieländern nimmt die koronare Herzerkrankung eine Schlüsselstellung hinsichtlich Morbidität und Mortalität der Bevölkerung ein. Die aortokoronare Bypassoperation ist seit nunmehr 30 Jahren das chirurgische Standardverfahren zur Behandlung der koronaren Herzerkrankung [82, 191]. Sie stellt neben der medikamentösen Therapie und den interventionell-kardiologischen Maßnahmen wie der perkutanen transluminalen Koronarangioplastie mit und ohne Stent-Implantation [339] eine der drei Hauptsäulen in der Behandlung der betroffenen Patienten dar.

Die Perfektionierung dieser drei Hauptbehandlungsmethoden führte in den vergangenen Jahrzehnten einerseits zu einem Sinken der kardiovaskulären Mortalität, andererseits hingegen zu einer zunehmenden Anzahl von Patienten mit fortgeschrittenen Formen der koronaren Herzerkrankung, die sich teilweise bereits mehreren Angioplastien und Bypassoperationen unterzogen hatten und bei denen nunmehr bis in die Peripherie der Koronararterien arteriosklerotische Stenosierungen bestehen. Diesen Patienten kann mit den oben angeführten Standardtherapien zumeist nicht oder zumindest nicht langfristig geholfen werden. Andererseits gibt es für die Behandlung diese Patientengruppe aber auch nur wenige, entweder in ihren Ergebnissen unbefriedigende oder bislang noch nicht in großen, kontrollierten Studien untersuchte therapeutische Alternativen, die derzeit allesamt nur als ultima-ratio-Methoden gelten können (s. Tab. 1).

Die von Bailey et al. 1957 erstmals beschriebene chirurgische koronare Thrombendarteriektomie wurde lange Zeit als therapeutische Option bei schwerster diffuser Koronarsklerose angesehen [16]. Dieses Verfahren geht jedoch mit einer hohen perioperativen Sterblichkeit und unbefriedigenden mittel- und langfristigen Ergebnissen einher. So betrug die perioperative Sterblichkeit bei Bypassoperationen, die eine TEA von mehreren Koronararterienästen einschlossen, in einer Studie an 635 Patienten 7.8 %, und nach 18 Monaten waren 55% der endarteriektomierten Gefäße verschlossen oder hochgradig stenosiert [271]. Auch neuere Studien haben diese ernüchternden Ergebnisse der koronaren TEA bestätigt, so daß diese Methode in jüngster Zeit zurückhaltend angewendet wird und für die oben beschriebene Patientengruppe keine therapeutische Alternative darstellt [83].

Aufgrund einer oft nur moderat eingeschränkten Ventrikelfunktion erscheint aber auch die Herztransplantation, insbesondere vor dem Hintergrund eines permanenten Spenderorganmangels, für diese Patienten nicht indiziert.

Da bei den betroffenen Patienten jedoch aufgrund oft heftigster Angina pectoris ein hoher Leidensdruck und letztlich auch ein erhebliches Risiko besteht, an der Erkrankung zu versterben, wurde vermehrt seit der Mitte der achtziger Jahre nach alternativen Therapiekonzepten gesucht.

Zu diesen alternativen Konzepten (Tab. 1) gehört neben der intermittierenden Langzeit-Urokinasetherapie, der transkutanen elektrischen Nervenstimulation (TENS), der Rückenmarksstimulation (SCS) und der wiederholten Ganglion-stellatum-Blockade [48] als aktuell noch praktizierte Form der heute in der Therapie der Angina pectoris eher als obsolet geltenden Sympathektomie [174] auch seit 1993 die transmyokardiale Laserrevaskularisation (TMLR) [273].

Dieses Verfahren, bei dem mit Hilfe eines Lasers in der freien Wand des linken Ventrikels transmyokardiale Kanäle angelegt werden, wurde inzwischen bei fast 6000 Patienten weltweit eingesetzt (Abb. 1). In Deutschland verfügt fast jede vierte herzchirurgische Klinik über eigene Erfahrungen mit der TMLR.


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Abb. 1: Schematische Darstellung des Prinzips der TMLR

Tab. 1: Therapieformen, die bei Patienten mit schwerster diffuser KHK, für die eine Bypassoperation oder PTCA nicht erfolgversprechend ist, gegenwärtig Anwendung finden

Methode

Prinzip

Ergebnisse

Literatur

Koronare Thrombendarteriektomie

Stenosierende Plaques werden offen chirurgisch extrahiert

Hohe perioperative Sterblichkeit, hohe Gefäßverschlußrate

[16, 83, 271]

Transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS)

Elektrostimulation<1> 3 mal täglich eine Stunde über kutane Brustwand-Elektroden im Dermatom mit der höchsten Schmerzintensität

Soll koronare Vasomotion modulieren, wahrscheinlich eher Senkung des Doppelproduktes und damit des myokardialen Sauerstoffverbrauches, es liegen keine großen kontrollierten Studien vor

[27, 28, 46, 123, 163, 307]

Rückenmarksstimulation (SCS)

Elektrostimulation nach subkutaner Implantation eines Stimulators in den linken Oberbauch und einer Elektrode, die epidural bis Th1-2 vorgeschoben wird

Analgetischer Effekt gesichert, ein antiischämischer Effekt wurde bislang nur in kleineren EKG-Studien demonstriert

[18, 36, 64, 90, 158, 214, 314]

Intermittierende Langzeit-Lysetherapie

500000 IE Streptokinase i.v. 3 mal wöchentlich über 12 Wochen, führt durch Senkung der Fibrinogenkonzentration im Blut zur verbesserten Rheologie und Thrombolyse

Signifikanter Rückgang des Angina-pectoris-Syndroms nur für die ersten 3 Monate nach Behandlungsende gesichert

[233, 332, 367-369]

Forcierte externe Gegenpulsation (EECP)

Aufblasbare Manschetten werden an den Waden und Oberschenkeln des Patienten plaziert und pulssynchron aufgeblasen und abgelassen. Es erfolgen 35 jeweils einstündige Behandlungen.

Anginahäufigkeit wird reduziert und die körperliche Belastbarkeit steigt.

[13, 56, 57]

Endotheliale Wachstumsfaktoren

Intrakoronare oder intramyokardiale Injektion von aFGF, bFGF, VEGF oder entsprechender Gentransfer führt zur Angioneogenese

Erste Phase-I und -II-Studien belegen die Ungefährlichkeit der Verfahren und geben erste Hinweise auf einen antianginösen und perfusionsverbessernden Effekt, die intramyokardiale Applikation scheint der intrakoronaren überlegen

[124, 217, 236, 356, 357, 371]

Freies M.latissimus-dorsi-Transplantat

Nach Aufrauhen des Epikards über dem nicht revaskularisierbaren Zielareal wird ein handtellergroßer Muskellappen fixiert und dessen Arterie aortal und die Vene rechts-atrial anastomosiert

Eine unkontrollierte Studie an 15 Patienten berichtet über postoperative Zunahme der physischen Leistungsfähigkeit und Verschwinden von ST-Streckenveränderungen

[24]

Transmyokardiale Laserrevaskularisation (TMLR)

Mit Hilfe eines Lasers werden in der freien Wand des linken Ventrikels transmyokardiale Kanäle angelegt

s.u.

s.u.


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Der Stellenwert der transmyokardialen Laserrevaskularisation in der Behandlung von Patienten mit schwersten Formen der koronaren Herzerkrankung, die damit erzielten klinischen Ergebnisse sowie grundlegende Aspekte des möglichen Wirkmechanismus des Verfahrens sind Gegenstand dieser Arbeit.

1.1 Wurzeln der transmyokardialen Laserrevaskularisation

Ursprünglich basiert die transmyokardiale Laserrevaskularisation auf der Idee, über mit einem Laser angelegte, senkrecht durch die freie Wand des linken Ventrikels verlaufende Kanäle sauerstoffreiches Blut unter Umgehung des erkrankten Koronarsystems direkt aus dem Kavum des linken Ventrikels in das Myokard zu leiten, wo es Anschluß an das intramyokardiale Gefäßnetz finden soll [273, 275-277, 279, 319, 322]. Die Laserkanäle sollten also als ventrikulo-koronare Verbindungen fungieren.

Ventrikulo-koronare Verbindungen und Sinusoide

Insbesondere seit den systematischen Arbeiten von Wearn, die 1933 veröffentlicht wurden, sind neben den Koronararterien und -venen am Herzen verschiedene kleine Gefäße bekannt, die in direkter Verbindung zum rechten oder linken Ventrikelkavum stehen [446]. Zu ihnen gehören arterio-ventrikuläre, veno-ventrikuläre und kapillaro-ventrikuläre Gefäße, die einen maximalen Durchmesser von 1mm erreichen können [107]. Welche Rolle diese Gefäße am menschlichen Herzen spielen, ist wenig erforscht. Zumindest ist ihre Zahl wohl bei schweren Fällen der Koronararteriosklerose, bei denen bekanntermaßen der gesamte extrakoronare Blutfluß zum Herzen erhöht ist [130], deutlich vermehrt, so daß Hoffmann annahm, das diese „Connectiones ventriculocoronariae... bei Koronarsklerose der Ausgleichsversorgung des Herzmuskels“ dienen [133]. Außerdem sind solche direkten Verbindungen bei Patienten mit Pulmonalatresie und intaktem Ventrikelseptum bekannt, wo sie offensichtlich auch nenenswert zur Myokardperfusion beitragen können [230], und auch bei Neugeborenen mit kritischer Pulmonalstenose wurden sie gefunden [26]. Auch bei Patienten mit hypoplastischem Linksherzsyndrom wurde die Existenz zahlreicher ventrikulo-arterieller Verbindungen nachgewiesen [316]. Analog zu diesen Gefäßen sollten die neu geschaffenen TMLR-Kanäle sauerstoffreiches Blut direkt aus dem linken Ventrikel in das Myokard leiten.

Die Laserkanäle sollten dabei Anschluß an kleinere intramyokardiale Arteriolen und Kapillaren, insbesondere aber auch an die sogenannten Sinusoide finden. Nach Wearn bilden die Sinusoide ein Netzwerk aus intramyokardialen Hohlräumen, die 50-250 µm Durchmesser aufweisen, und deren sehr dünne Wände lediglich eine Endothelauskleidung zeigen. Sie anastomosieren mit Kapillaren, stehen aber auch untereinander und auch mit dem Ventrikellumen in Verbindung [133]. Später wurde das Vorhandensein einer diskontinuierlichen Basalmembran als weiteres Merkmal hinzugefügt.

Die Existenz dieser Strukturen ist jedoch höchst umstritten. So gehen einige Arbeitsgruppen davon aus, daß Wearn et al. in ihren Korrosionsstudien aufgrund zu hoher Perfusionsdrucke künstliche interstitielle Spalträume schafften. Diese Kunstprodukte könnten dann als Sinusoide interpretiert worden sein, obwohl es sie am vitalen Herzen überhaupt nicht gibt [419].


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Indirekte Revaskularisation

Operative Verfahren, die mit der Zielsetzung eingesetzt wurden, die myokardiale Durchblutung zu verbessern, ohne dabei direkt an den stenosierten Koronararterien anzugreifen, werden als indirekte Revaskularisationsverfahren bezeichnet. Da bei der TMLR die erkrankten Koronararterien unbehandelt bleiben, ist auch sie den zahlreichen indirekten, extrakoronaren Revaskularisationskonzepten zuzuordnen, die heute jedoch allesamt historischen Charakter haben und nicht mehr klinisch eingesetzt werden (s. Tab. 2).

Tab. 2: Historische Operationsverfahren, die ohne direkten Angriff an den Koronararterien mit dem Ziel einer myokardialen Durchblutungsverbesserung oder zumindest der Linderung von Angina pectoris eingesetzt wurden (unvollständig)

Erstbeschreibung

Verfahren

Quelle

1920

Jonnesco

Sympathektomie, d.h. chirurgische Entfernung der Cervivalganglien zur Therapie der Angina pectoris sowie mit dem Ziel einer Koronardilatation

[168]

1925

Mandl

paravertebrale Alkoholinjektion zur Therapie der Angina pectoris sowie mit dem Ziel einer Koronardilatation

[295]

1926

Boas

Subtotale Thyroidektomie zur Senkung des myokardialen Sauerstoffverbrauches

[295]

1930

Sussmann

Paravertebrale Bestrahlung zur Therapie der Angina pectoris sowie mit dem Ziel einer Koronardilatation

[406]

1935

Beck

Kardioperikardiopexie = Mechanische epikardiale und perikardiale Abrasion zum Erzielen einer sterilen Perikarditis als Angioneogenesereiz

[19, 21]

1935

Beck

Kardiomyopexie = Aufbringen eines Pectoralis-Muskellappens nach Epicardabrasion als „Blutquelle“

[19]

1936

O‘Shaughnessy

Kardioomentopexie = Aufnähen eines gestielten Omentumlappens auf das Myokard als „Blutquelle“

[324]

1939

Thompson

Kardioperikardiopexie = Mechanische epikardiale und perikardiale Abrasion und Einbringen von Talkum zum Erzielen einer sterilen Perikarditis als Angioneogenesereiz

[408, 409]

1939

Fauteux

Sinus-venosus- und Koronarvenen-Ligatur mit dem Ziel einer Erhöhung der O2-Utilisation

[81]

1939

Fieschi

Bilaterale Ligatur der distalen A. thoracica interna zur erhöhten Perfusion perikardio-kardialer Anastomosen

[84]

1946

Vineberg

Direktimplantation der A. thoracica interna in einen chirurgisch geschaffenen intramyokardialen Tunnel als „Blutquelle“

[433]

1955

Harken

chemische Kardioperikardiopexie = epikardiale und perikardiale Abrasion durch Einbringen von Phenol zum Erzielen einer sterilen Perikarditis als Angioneogenesereiz

[117]

1956

Kline

Kardiopneumopexie = Aufnähen von Lungengewebe nach Ligatur der Pulmonalvene auf das mechanisch abradierte Herz zum Erzielen broncho-kardialer Anastomosen

[183]

1956

Goldman

intramyokardiale Implantation von T-förmigen Kunststoffröhrchen zur direkten Einleitung sauerstoffreichen Blutes aus dem linken Ventrikelkavum

[106]

1957

Massimo

intramyokardiale Implantation von perforierten A.carotis-Segmenten zur direkten Einleitung sauerstoffreichen Blutes aus dem linken Ventrikelkavum

[261]

1963

Lary

Endokardinzisionen zur direkten Einleitung sauerstoffreichen Blutes aus dem linken Ventrikelkavum

[226]

1965

Sen

transmyokardiale Nadelpunktion zur direkten Einleitung sauerstoffreichen Blutes aus dem linken Ventrikelkavum

[377]

Mittels einiger dieser historischen Operationsverfahren wurde bereits früher versucht, analog zu den ventrikulo-arteriellen Gefäßen das Blut aus dem linksventrikulären Kavum direkt in die Herzwand zu leiten. So haben Goldman und Massimo unabhängig voneinander T-förmige Plastikkatheter und perforierte Segmente der A. carotis so in die Herzwand implantiert, daß deren eines Ende in das Ventrikelkavum reichte, was zu einem direkten Blutfluß in das Myokard führen sollte [106, 261]. Lary führte über ein kleines Loch in der Herzspitze in das Kavum des linken Ventrikels ein spezielles Skalpell ein, mit dem er 4 - 8 einige Zentimeter lange endokardiale Inzisionen anlegte, über die das Blut direkt in das Myokard strömen sollte [226].


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Sen versuchte dies später durch einfache Nadelpunktion zu erzielen. Dieses von ihm als „myokardiale Akkupunktur“ bezeichnete Verfahren wurde später von verschiedenen Arbeitsgruppen systematisch untersucht (s. Abschnitt 1.3) [336, 337, 440, 442-445].

Da die klinischen Ergebnisse, die mit einer „myokardialen Akkupunktur“ erzielt wurden, unbefriedigend waren, was in erster Linie auf einen raschen thrombotischen Verschluß der Kanäle zurückgeführt wurde, legte 1981 der Chirurg Mahmood Mirhoseini aus Milwaukee/USA transmyokardiale Kanäle erstmals mit einem Laser an. Er postulierte, daß die Verwendung eines Lasers diese rasche Okklusion der Kanäle verhindern sollte [273]. Mirhoseini gilt als der Pionier der transmyokardialen Laserrevaskularisation [274-280].

1.2 Das Amphibienherz

Mit dem Bestreben, Blut direkt aus dem Ventrikelkavum in die Herzwand zu leiten, versuchten die verschiedenen Arbeitsgruppen ein in der Natur bereits realisiertes Prinzip nachzuahmen, nämlich das des Amphibienherzens. So wies bereits Sen darauf hin, daß bei Amphibien die Blutversorgung des Myokards weniger über Koronararterien als über ein dichtes Netzwerk aus direkt aus dem Ventrikelkavum entspringenden Kanälen erfolgt.

Phylogenetisch haben die ventrikulo-arteriellen Gefäßverbindungen wahrscheinlich ihren Ursprung in der bei Amphibien realisierten Art und Weise der Myokardperfusion. Zumindest findet sich auch in der Ontogenese des Menschen noch vor Ausbildung von Koronararterien eine Phase, in der das Myokard durch ein dichtes Netzwerk interzellulärer Spalten oder Sinusoide gekennzeichnet ist, durch das über Diffusion ein Substrataustausch erfolgt.

Amphibien sind Kaltblüter und haben daher einen deutlich geringeren Grundumsatz als der Mensch. Bezogen auf ihr Körpergewicht von bis zu 300kg haben sie im Vergleich zum Menschen sehr kleine Herzen, die im Mittel nur 150g schwer sind. Unter Ruhebedingungen sind die Herzfrequenz, der arterielle Mitteldruck und der diastolische Blutdruck deutlich geringer als beim Menschen [14, 108].

Kohmoto hat unter dem Blickwinkel der TMLR anatomische und physiologische Aspekte der Myokardperfusion an Alligatorherzen untersucht. Diese weisen zunächst einige strukturelle Besonderheiten auf. Sie sind biventrikulär und haben zwei Aorten, wobei die größere rechte Aorta, welche die brachiocephalen Arterien abgibt, aus dem linken Ventrikel und die kleinere linke aus dem rechten Ventrikel entspringt. Kurz oberhalb der bikuspiden Aortenklappe der rechten Aorta entspringen zwei Koronararterien. Diese bilden epikardial ein dichtes Gefäßnetz, von dem Gefäße durch die gesamte Ventrikelwand bis in endocardnahe Abschnitte ziehen. Die Wand der Ventrikel besteht makroskopisch aus zwei Schichten, einer knapp 3 mm starken äußeren kompakten Myokardschicht und einer 15 mm dicken schwammartigen endokardialen Schicht. In dieser endokardnahen Schicht befindet sich ein dichtes Netzwerk aus Kanälen und Sinusoiden, die ihren Ursprung im Ventrikelkavum haben. Die dazwischen liegenden Myokardinseln sind nur zwei bis acht Zellagen stark. Daraus resultiert eine extrem große Austauschfläche, die erst eine direkte Perfusion aus dem Ventrikel sowie eine Diffusion von Sauerstoff und Substraten in das Myokard ermöglicht. Die schmale äußere Myokardschicht hingegen ist ähnlich dem Säugetiermyokard aufgebaut.

Durch Injektion von farbmarkierten Mikrosphären konnten Komoto et al. den Anteil der direkten transmyokardialen sowie der koronaren Perfusion des Myokards quantifizieren. Während die kompakte


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Außenzone des Myokards zu 75% über die Koronarien perfundiert wurde, rührt die Blutversorgung der endokardialen Zone zu zwei Dritteln direkt aus dem Ventrikelkavum her<2> [186].

Bereits 1961 hatten Greenfield et al. Untersuchungen zur Hämodynamik der Krokodile publiziert. Danach beträgt der Druck in der rechten Aorta bei dieser Gattung systolisch zwischen 40 und 50 mmHg, diastolisch um 30 mmHg. Der LVEDP ist ähnlich den Verhältnissen beim Menschen sehr niedrig - er wurde mit 1-4 mmHg bestimmt [108].

Aus den dargestellten anatomischen Gegebenheiten wird bereits deutlich, daß der Vergleich der Perfusionsverhältnisse in einem Amphibienherzen mit seinem dichten, schwammähnlichen Spaltenwerk in den inneren zwei Dritteln des Myokards und den in einem humanen Herzen nach Anlage von 30 - 40 TMLR-Kanälen eher unzulässig ist. Selbst mit einer exzessiven TMLR düfte sich nicht eine annähernd so große Austauschfläche erzielen lassen, wie sie an Amphibienherzen gefunden wird, die ihrerseits weitaus kleiner als Menschenherzen sind und aufgrund der Poikilothermie der Amphibien eine geringere Pumpleistung zu erbringen haben.

1.3 „Myokardiale Akkupunktur“

Der indische Chirurg Sen vertrat 1965 die Ansicht, daß sich ischämisches Myokard wie ausgetrockneter, rissiger Boden verhält, den man nur mit einem Schlauch bewässern müsse, und der die eingeleitete Flüssigkeit in seinen Spalten gierig aufsaugen würde, wenn sie nur unter ausreichendem Druck zugeführt würde [377]. Analog zu den Amphibien schlug er vor, eine sogenannte „snake heart operation“ vorzunehmen, in dem durch einfache transmurale Nadelpunktion zahlreiche ungefähr 1 cm lange Kanäle geschaffen werden, die das unter hohem Druck stehende sauerstoffreiche intraventrikuläre Blut der linken Herzkammer direkt in das Myokard leiten.

In enger Anlehnung an das Amphibienherz erzeugte er pro Quadratzentimeter 20 Punktionskanäle mit einer Nadel, deren Außendurchmesser 1.2 mm betrug. Er beobachte unmittelbar nach Anlage der Kanäle eine heftig spritzende Blutung, die nach wenigen Minuten spontan sistierte. Die auf diese Art behandelten Hunde überlebten signifikant häufiger eine Ligatur der linken Koronararterie, und in den bis zu 8 Wochen postoperativ angefertigten histologischen Untersuchungen fanden sich fast ausschließlich offene Punktionskanäle, die mit Erythrozyten angefüllt waren, wenngleich eine Endothelialisierung nicht gesehen wurde. Sen schlußfolgerte daraus, daß das Verfahren zu einer sofortigen Durchblutungsverbesserung des Myokards führt, er fügte die Beobachtung hinzu, daß ein kurzzeitiges Abklemmen der Aorta ascendens unmittelbar nach Schaffung der Kanäle diesen Effekt noch erhöhe, und äußerte die Hoffnung, mit dieser Methode sogar infarzierte Myokardareale „revitalisieren“ zu können [377].

1968 faßte Sen die bis dahin an 120 Hunden erzielten Ergebnisse in einer weiteren Arbeit zusammen [378]. Diese enthält auch zahlreiche Berichte über Befunde, die zwar vor der Jahreskonferenz der Indischen Chirurgengesellschaft vorgetragen, nicht aber in Schriftform publiziert wurden. Danach haben Hershey und


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White die Effektivität der Nadelpunktionsmethode mit der der Vineberg-Operation an einem Tiermodell mit chronischer Ischämie verglichen. Sie kamen zu dem Schluß, das die Nadelpunktion der Vineberg-OP hinsichtlich einer Perfusionsverbesserung überlegen sein müsse (in [378]). Histologische Befunde nach Nadelpunktion wurden von Venugopal et al. in einem Zeitraum zwischen wenigen Tagen und sechs Monaten nach der Operation untersucht. Unmittelbar postoperativ beobachteten sie zwar weitgehend durch einen Fibrinpfropf verschlossene Kanalöffnungen, später soll die Mehrzahl der Kanäle jedoch wieder rekanalisiert gewesen sein, und es fanden sich gar Aussprossungen aus der Kanalwand in das umgebende Myokard hinein, die wiederum Anschluß an native Gefäße gezeigt haben sollen (in [378]).

Bis 1968 hatte Sen vier Patienten mit der „Akkupunkturmethode“ erfolgreich behandelt, von denen drei unmittelbar nach einem akuten Infarkt und einer nach akzidenteller Durchtrennung des RIVA operiert wurden. In seiner Publikation finden sich auch Ausführungen über die persönliche Kommunikation mit Denton Cooley, der seinerseits in einigen Fällen „zur Verbesserung der Herzfunktion nach verlängertem kardiopulmonalen Bypass, insbesondere wenn die Koronarperfusion inadäquat war,...“ multiple transmyokardiale Nadelpunktionen angelegt hatte (in [378]).

Hershey berichtete 1968 über einen Patienten, den er während einer Vineberg-Operation bei langanhaltendem Kammerflimmern erst dann erfolgreich kardiovertieren konnte, nachdem er in Erinnerung an die Arbeiten von Sen 100 transmyokardiale Nadelpunktionskanäle angelegt hatte [126]. Da der A.thoracica interna-Pedikel nicht sofort nach der Vineberg-Operation, sondern aufgrund der einsetzenden Neoangiogenese erst nach einigen Wochen zur Myokardperfusion beitragen würde, hielt Hershey die Kombination mit der Nadelpunktion insbesondere in Notfallsituationen für indiziert.

In der Folgezeit war das Nadelpunktionsverfahren Gegenstand zahlreicher experimenteller Untersuchungen [336, 337, 440]. In Deutschland wurde die transmyokardiale Nadelpunktion insbesondere von dem Hannoveraner Chirurgen Paul Walter untersucht. Er verwendete erstmals nuklearmedizinische Methoden zur Untersuchung der Myokardperfusion. Die von ihm verwendeten Punktionsnadeln wiesen Außendurchmesser zwischen 1.4 und 4.0 mm auf. Eine signifikante Zunahme des myokardialen Blutflusses konnte er lediglich nach Verwendung der 4mm-Kanüle feststellen [442-445]. In einem Tierexperiment bestimmte Walter außerdem den Blutfluß aus dem Sinus coronarius unter den Bedingungen des totalen Rechtsherzbypasses vor und nach Nadelpunktion. Dabei konnte er feststellen, daß sich nach den Punktionen der Fluß um 10 bis 50 ml/min erhöhte [443]. Schließlich analysierte Walter die myokardiale Aktivität verschiedener LDH-Isoenzyme vor und nach Nadelpunktion mit einer Agargelelektrophorese-Methode. Aus den gewonnenen Daten schlußfolgerte er, daß die Punktion mit der 4mm-Kanüle zu einem Anstieg der Myokardperfusion um 200% geführt hatte [444].

Mit dem Aufkommen der aortokoronaren Bypasschirurgie als direktem Revaskularisationsverfahren erlosch zum Ende der siebziger Jahre jedes Interesse an den oben geschilderten Verfahren. Erst als über fünfzehn Jahre später zunehmend deutlich wurde, daß es Patienten gibt, die von einer Bypassoperation nicht profitieren, erlebte die diesbezügliche Forschung eine Renaissance.

1.4 Grundlagen der Gewebeablation mit Lasern

Laserstrahlung ist durch drei entscheidende Merkmale gekennzeichnet:

Mit einem Laser lassen sich extrem hohe Strahlungsleistungen erreichen. Die Laserleistungen der meisten medizinischen Laser liegen zwischen 0.1 und 100 Watt. Der für die TMLR benutzte Heart Laser® stellt mit seiner Leistung von 800 Watt eine echte Ausnahme dar. Leistungsdichte und Einwirkzeit sind die hauptsächlichen Parameter eines Laserstrahls, die die Wirkung auf Gewebe beeinflussen. Die Leistungsdichte ergibt sich als Quotient aus Laserstrahlleistung und Strahlquerschnitt.

Die Grundlage der Laserverstärkung stellt der Prozeß der ‚induzierten Emission’ dar. Atome müssen dazu zuvor von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau gehoben worden sein, was als Besetzungsinversion bezeichnet wird. Als Stoffe, bei denen eine solche Besetzungsinversion erzeugt werden kann, kommen in Frage:

Nach Art des Lasermediums kann man also grob in Gas-, Flüssigkeits-, Halbleiter- und Festkörperlaser unterscheiden. Die Besetzungsinversion kann durch verschiedene Anregungsmechanismen erzielt werden, die dem Lasermedium in geeigneter Weise Energie zuführen. Dazu gehören das Anregen durch sehr intensives Licht ("optisches Pumpen"), das Anregen in einer elektrischen Gasentladung und das Anregen durch elektrischen Strom bei den Halbleiterlasern. Auch durch chemische Reaktionen kann das Anregen der Besetzungsinversion erfolgen.

Für die transmyokardiale Laserrevaskularisation wurden bislang im wesentlichen der CO2-Laser, Ho:YAG-Laser und Excimer-Laser eingesetzt, deren technische Charakteristika in Tab. 3 zusammengefaßt dargestellt sind.

Der CO2-Laser ist ein Gaslaser (Abb. 2). Als Lasermedium wird ein Gemisch aus Helium, Stickstoff und CO2 eingesetzt, wobei am Laserprozeß direkt N2- und CO2-Moleküle beteiligt sind. Helium dient zur Wirkungsgraderhöhung des Laserprozesses. Je nach Resonatorbedingungen können Laserlinien im Bereich von 9-11 µm entstehen. Für die TMLR wird Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 µm genutzt. Der technisch erreichte Wirkungsgrad ist mit 30% sehr hoch. Der Laser kann je nach Art der Ladung kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.

Für die Wellenlänge des CO2-Lasers von 10,6 µm sind die üblichen optischen Materialien wie Glas oder Quarz aufgrund ihrer hohen Absorption in diesem Wellenlängenbereich nicht benutzbar. Die Laserstrahlung kann daher nicht in flexible Fasern eingespeist und für die TMLR von endokardial benutzt werden.


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Abb. 2: Der CO2-Heart-Laser®

Der Ho:YAG-Laser ist ein Festkörper-Laser. Als Lasermedium dient ein Kristall mit einer definierten Konzentration von Holmium, wobei im Kristall in einem Wirtsgitter aus Yttrium-Aluminium-Granat einzelne Ionen durch Holmium ersetzt wurden. Die Anregung erfolgt zumeist optisch, vorzugsweise durch Hochdruck-Blitzlampen. Dieser Lasertyp wird vorwiegend im gepulsten Modus betrieben. Die Wirkung der gepulsten Strahlung beruht im wesentlichen auf einer schnellen Erhitzung des bestrahlten Bereiches. Dieser wird teilweise verdampft, teilweise kommt es zum explosionsartigen Herausschleudern von Fragmenten. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung liegt bei 2.12 µm. Diese läßt sich problemlos in flexible Quarzfasern einkoppeln.

Der Excimer-Laser ist ein Gaslaser, der im Bereich von 157-351 nm, also im Ultraviolettbereich emittiert (Abb. 3). Als aktives Medium wird ein Gemisch aus einem Edelgas (z.B. Argon, Krypton oder Xenon) und einem Halogen (Chlor oder Fluor) genutzt, wobei je nach Kombination verschiedene Wellenlängen emittiert werden. Die Edelgas-Halogen-Verbindungen werden auch als Dimere bezeichnet. Aus den Wörtern „Excited Dimer“ wurde die Bezeichnung ‚Excimer’ gebildet.


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Abb. 3: Der von uns verwendete Excimer-Laser vom Typ Medolas LAS-10

Der von uns verwendete Laser basierte auf Xenonchlorid als Lasergas und emittierte eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 308 nm. Diese läßt sich zum Beispiel in eine flexible Quarzfaser einkoppeln.

Das Erzeugen eines myokardialen Kanals mit Hilfe eines Lasers erfolgt durch die Ablation von Gewebe. Diese ist die Folge des Aufbrechens von molekularen Bindungen innerhalb des Gewebes durch die eingestrahlten Photonen. Unterschiedliche Wellenlängen der Laserstrahlung führen dabei zu unterschiedlichen molekularen Mechanismen. So werden die Photonen von Infrarot-Laserstrahlung in erster Linie durch die im Gewebe vorhandenen Wassermoleküle absorbiert, während ultraviolette Laserstrahlung direkt von verschiedenen chemischen Bindungen absorbiert wird. Beide Mechanismen führen in unterschiedlichem Ausmaß zu verschiedenen Sekundäreffekten, wie dem Auftreten von Schockwellen, dem Entstehen freier Radikale oder zur Wärmebildung, die ihrerseits auf das umgebende Gewebe einwirken.

Tab. 3: Technische Charakteristika der wichtigsten für die TMLR verwendeten Laser

 

Excimer-Laser

Ho:YAG-Laser

CO2-Laser

Wellenlänge

308 nm

2.08 µm

10.6 µm

Pulslänge

150 ns

600 µs

50 ms

Energie pro Puls [J]

0.02

2

40

Leistung [W]

0.8

10

800

Repetitionsrate [Hz]

<40

5

Single shot

Resultierender Kanaldurchmesser [mm]

0.5

1

1

Schockwellendruck [bar]

ca. 500

ca. 10

ca. 3


Fußnoten:

<1>

die Intensität der Stimulation wird so gewählt, daß sie gerade unterhalb der Schmerzschwelle liegt. Der Abstand zwischen 2 Elektroden beträgt zumeist 20 cm, die Stimulationsdauer 5 min.

<2>

Aus methodischen Gründen wird mit der Mikrosphärentechnik der transmyokardiale Blutfluß wahrscheinlich unterschätzt. Diese Methode basiert auf der Annahme eines unidirektionalen Flusses. In den transmyokardialen Kanälen des Amphibienherzens fließt das Blut aber in der Systole in das Myokard und in der Diastole zurück in den Ventrikel (siehe auch []), was die gefundene intramyokardiale Mikrosphärenkonzentration vermindert.


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