Konzept eines druckgesteuerten Mikrostents für die Glaukomtherapie

Zusammenfassung

Ein druckgesteuerter Mikrostent soll den intraokularen Druck (IOD) beim Offenwinkelglaukom durch Drainage in den suprachoroidalen Raum dauerhaft normalisieren. Die komplexen Anforderungen verlangen neue technische Lösungen sowie ein spezielles Verständnis zellbiologischer Prozesse an der Implantatoberfläche, um Oberflächenmodifikationen und angepasste Local-Drug-Delivery-Konzepte (LDD) zu entwickeln. Fluidmechanische Anforderungen wurden aus physiologischen Daten und der Analyse kommerzieller Glaukomimplantate abgeleitet. Technologische Grundlagen für die Herstellung der Strukturen sind fs-Laserschneiden und die 2-Photonen-Polymerisation (2PP). Alle bekannten Glaukomimplantate induzieren unerwünschte Zellproliferation bis zum Funktionsverlust. Trotzdem im suprachoroidalen Raum nur wenige Fibroblasten vorhanden sind, erscheinen LDD-Konzepte zur Kontrolle der Proliferation nötig. Fibroblasten aus Sklera und Choroidea wurden isoliert und kultiviert, um die Populationen des suprachoridalen Raumes in vitro zur Verfügung zu haben. Potenzielle Materialien und Pharmaka wurden in Zellvitalitätstests auf ihre Biokompatibilität und Unterdrückung der Zellproliferation getestet. Fluidmechanisch sind geringste Stentlumina (ID = 50 µm) bei anatomisch möglichen Implantatlängen (7 – 10 mm) nötig. Nur eine Druckregulation kann den individuellen Bedingungen mit veränderlichem IOD gerecht werden. Die Finite-Elemente-Analyse von Ventilklappen ergab, dass eine hohe Nachgiebigkeit benötigt wird. Diese ist durch die Kombination der Grundstruktur mit mikromechanischen Ventilen durch 2PP technologisch möglich. Die potenziellen Materialien zeigen sehr gute In-vitro- und In-vivo-Biokompatibilität. Für 2PP geeignete Ormocere sind hoch biokompatibel. Die Pharmaka PTX und Triamcinolon-Acetonid öffnen ein therapeutisches Fenster, um das Fibroblastenwachstum zu hemmen. Die chirurgische Prozedur wurde am Kaninchenauge durch Implantation von Prototypen zum suprachoroidalen Raum etabliert. Eine hohe Flexibilität der Implantate ist notwendig, um sie innerhalb des Auges korrekt zu platzieren. Das neue Konzept des Mikrostents verbindet biomechanische Ansätze, Technologien der Mikrofertigung und aktuelle LDD-Konzepte und eröffnet neue Perspektiven für die Glaukomtherapie.

Abstract

A pressure-controlled microstent could permanently normalise the intraocular pressure (IOP) for open-angle glaucoma therapy by drainage into the suprachoroidal space. The complex requirements demand new technical solutions as well as an improved understanding of specific cell biological processes at the implant’s surface to develop effective local drug delivery (LDD) concepts and surface modifications. Fluid mechanical requirements were derived from physiological data and the analysis of commercial glaucoma implants. The technological basics for the production of suitable structures are refined ultra-short pulse laser technology and 2-photon polymerisation (2PP). All known glaucoma implants induce unwanted cell proliferation resulting in a loss of function. It is assumed that the activity of fibroblasts is low in the suprachoroidal space. However, it was seen that LDD concepts are required to control cell proliferation. Fibroblasts from sclera and choroidea were isolated und cultured as the most relevant cell types for in vitro investigation. Potential materials and drugs were investigated by cell viability tests for biocompatibility or suppression of cell viability. The fluid mechanical analysis leads to smallest stent lumina (ID = 50 µm) at anatomically suitable implant lengths (7 – 10 mm). Only pressure control can manage the individual conditions with changing IOP. Finite element analysis of valves showed the need for highly flexible structures. This can be achieved by combining basic structures with micromechanically active valves added by 2PP. The potential materials show perfect in vitro and in vivo biocompatibility. Ormocers which are best suited for 2PP are also highly biocompatible. The selected drugs paclitaxel and triamcinolon acetonide open a wide therapeutic window to impair fibroblast growth. The surgical procedure was established by implantation of prototypes in rabbit eyes, connecting the anterior chamber with the suprachoroidal space. Highly flexible implants are required for correct placement within the eye. The new concept of the microstent combines biomechanical approaches, technologies for microfabrication and current LDD concepts and opens new perspectives for glaucoma therapy.

Schlüsselwörter

Glaukom - Chorioidea - Pathologie

Key words

glaucoma - choroid - pathology

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