In vivo-modellen en in silico-simulaties van herstel van prolaps

SAMENVATTING

Bekkenbodemdysfuncties (Pelvic Floor Disoders, PFD), inclusief vaginale verzakking (Pelvic Organ Prolapse, POP), hebben een aanzienlijke negatieve impact op de dagelijkse activiteiten en levenskwaliteit van een vrouw . Er zijn veel chirurgische technieken die gebruik maken van natief weefsel om POP te corrigeren, maar de langetermijns resultaten zijn niet erg goed. Om die verbeteren grepen chirurgen naar implantaten (ook “matjes” genoemd), omdat die bij liesbreukherstel de uitkomsten verbeteren. Wanneer dit type implantaten echter vaginaal ingebracht worden lokken ze vaker dan gewenst complicaties uit (graft related complications; GRCs). Dit is in zeker mate te wijten aan de aard van het implantaat. Het heeft er alles van dat het ideale implantaat nog niet is ontwikkeld. Om dit te mogelijk te maken, is vooreerst een goede kennis van de mechanische eigenschappen van zowel het vaginaal weefsel als die van het mogelijkse implantaat, nodig, en zijn die bij voorkeur op elkaar afgestemd.

Ons onderzoek bestaat uit drie delen: twee delen zijn experimenteel (in vitro evenals ex vivo) en één is computationeel (in silico ). In het eerste in vitro deel karakteriseerden we de mechanische eigenschappen van een nieuw type elektrisch gesponnen implantaat door middel van mechanische testen (hoofdstukken 2 en 3). Elektrisch gesponnen implantaten bootsen de natieve extracellulaire matrix na, want de integratie van het implant in de gastheer zou moeten verbeteren. In het tweede experment evalueerden we de in vivo gastheer-respons op dit type implantaten in representatieve diermodellen (ratten, konijnen, evenals schapen) (hoofdstuk 4 en supplementaire publicaties 1 en 2). In deze studies gebruikten we als referentie product een klinisch lichtgewicht synthetisch, niet-resorbeerbaar, textiel polypropyleen implantaat (Restorelle ®, Coloplast). Wij voerden in hoofdstuk 5 en 6 uitvoerige biomechanische en histologische studies uit om de karakteristieken van de vaginawand en bekkenbodemorganen te bepalen, dit één jaar na normale vaginale bevalling. Tenslotte worden in het derde deel van deze thesis de experimenteel verkregen gegevens uit vorige hoofdstukken, gebruikt om een in silico model te ontwikkelen, waarop dan de ex en in vivo experimenten op te simuleren (Hoofdstuk 7 en 8). In hoofdstuk 9 creëerden we een 3-dimensionaal geometrisch model op basis van magnetische resonantie (MR) beelden van de bekkenbodem van schapen, voor latere in silico simulaties.

Het mechanische gedrag van deze nieuwe elektrisch gesponnen implantaten gemaakt van supramoleculaire polymeren op basis van Ureïdo-pyrimidinone (UPy) - en poly-ε-caprolactone (PCL) met verschillende vezeldiameters (2,0, 2,3 en 2,6 μm) werden onderzocht onder verschillende omstandigheden.  In vitro werd het afbraakproces en repetitieve belastingen gesimuleerd en het effect ervan op hun mechanische eigenschappen. Voor dit deel van de studie werd een meerdere meshes die gebruikt worden voor hernia- en POP- herstel getest. Nieuwe elektrisch gesponnen  implantaten vertoonden een gedrag dat vergelijkbaar was aan dat van natief weefsel, ongeacht de fiber-diameter. Ze waren complianter dan het referentie-PP-netje Restorelle ® . In vochtige toestand ware nog complianter en ze waren bovendien anisotroop. Zoals verwacht waren de eigenschappen van PP meshes pH onafhankelijk. Voor UPy-PCL matjes daarentegen leidde degradatie echter tot significante veranderingen in de biomechanische eigenschappen. Bovendien ondergingen alle netjes blijvende plastische vervorming, een fenomeen dat eerder in verband is gebracht met het ontwikkelen van GRCs.

Verder werden de nieuwe implantaten ook gebruikt in preklinische in vivo experimenten . In eerste instantie werden de matjes gescreen op ratten waarna ze ook bij konijnen ingplant, dit omwille van hun grotere gestalte en intra-abdominale druk, wat de implantaten biomechanisch meer op de proef stelt. Tenslotte werden ze ook bij schapen gebruikt, waarop vaginale en abdominale chirurgie mogelijk is. Explantaten en natieve weefselmonsters die gepreleveerd werden aan de tegenoverliggende zijde van de buikwand, werden getest met behulp van uniaxiale trekproeven (ratten en konijnen) en wat grotere monsters met behulp van de zogenaamde “ball burst-test” (schapen). Uitkomstmaten waren compliantie en uitrekking. De primaire uitkomst bij de kleinere diermodellen was chirurgisch falen, zijnde het optreden van littekenbreuken. Biomechanische testen werd alleen uitgevoerd bij dieren zonder klinische littekenbreuken of GRCs.

Bij ratten met een primair overhecht defect, afgedekt met Upy-PCL, bleken de explantaten 7 en 42 dagen na de ingreep, complianter dan bij reconstructies met PP ( Restorelle®).  Restorelle®-explantaten en een natief weefsel herstel bleken  stijver vergeleken met natief, niet geopereerd buikwandweefsel. UPy-PCL-abdominale explantaten hadden een compliantie in “range” van wat bij natief weefsel werd geobserveerd. Bij histologisch onderzoek werd in de Upy-PCL een zeer uitgesproken vreemd weefsel reactie vastgesteld.

De UPy-PCL en PP Restorelle®- implantaten werden ook gebruikt in een zogenaamd “gap-bridging”-ratten-model , daarbij simulerend wat bij een incisie-type hernia gebeurt . Ratten (7, 42 d na implantatie) en konijnen (iets langere implantatieperiode, zijnde 30 en 90 dagen) bleken toch littekenbreuken te vertonen bij één op de twee tot drie dieren. Omwille van dit hoge percentage mislukkingen, hebben we een alternatief implantaat gemaakt van PCL, met dikkere vezeldiameters of dikker opzelf, om extra materiaalsterkte te verschaffen. Dit was echter tevergeefs: het aantal litteenbreuken bleef hoog en bij de andere dieren waren de explantaten (zowel bij ratten als bij konijnen) initieel even compliant als natief weefsel. Later waren bij ratten de Upy-PCL explanten even compliant als natief weefsel, maar PP waren de stijver. Het is echter omwille van de de zwakke treksterkte, overeenkomend met het hoge aantal littekenbreuken dat we een ander polymeer gebruikt om nieuwe, hopelijks sterkere electrisch gesponnen matjes te maken. Daarvoor gebruikten we in eerste instantie het resorbeerbare polycarbonaat (PC) maar ook het niet-resorbeerbare polyurethaan (PU). Uiteindelijk testen we zowel het Upy-PC en PU om de achterste vaginawand te herstellen. Treksterkte, compliantie en GRCs werden gemeten 60 en 180 d na implantatie. Het referentiemateriaal was wederom de PP Restorelle-®mesh. Bij geen van de schapen waren er locale complicaties, en de vaginawand van schapen geïmplanteerd met zowel PU als Upy-PC elektrisch gesponnen netjes was even compliant als natief weefsel. Restorelle® PP -explantaten waren aanvankelijk (60 d) iets stijver, maar na 180 dagen was de compliantie als die van natief weefsel.

Het trauma en de weefselveranderingen na vaginale geboorte draagt in belangrijke mate bij tot het ontstaan van POP. De nauwe anatomische relatie tussen de vaginawand aan de ene kant, en de blaas en het rectum aan de andere kant, heeft als gevolg dat functionele problemen in deze aangrenzende organen zich vaak samen voordien, zoals daar zijn urine-incontinentie, defecatieproblemen en seksuele disfunctie. Daarom waren we geinteresseerd wat de karakterisitieken zijn van de vaginawand en bekkenbodem bij schapen tijdens de zwangerschap, één jaar na vaginale bevalling in vergelijking met die van jonge “maagdelijke” schapen.

Verder werden correlaties tussen de mechanische parameters en histologische analyse van de weefsels gemaakt. Biomechanisch gebruikten we de zogenaamde Young's modulus, de treksterkte en “rek”, als voorheen. Anatomisch maten we de weefseldikte, het totaal collageen (%), het elastine (%) en gladde spier (%) vezels. Alle zachte weefsels van de bekkenbodem bleken ingrijpende histologische en mechanische veranderingen te ondergaan tijdens de zwangerschap, die niet helemaal blijken te herstellen één jaar na de bevalling. Significante regionale verschillen werden vastgesteld in de vagina, waarbij de proximale vagina stijver bleek dan de distale, ongeacht de reproductiestatus. De vagina van reeds bevallen schapen was complianter dan die bij maagdelijke schapen. Dit viel samen met een lager totaal collageen en hoger elastine en glad spierweefsel. In de zwangerschap was de vagina complianter dan bij “maagdelijk” schapen. Ook andere organene werden gemeten: in zwangerschap neemt de compliantie van de baarmoederhals af, terwijl de blaas en het rectum stijver worden. Blaas en rectum bleken ook meer totaal collageen, minder elastinevezels en minder gladde spiercellen te bevatten. Een jaar na de bevalling bleef de baarmoeder nog steeds complianter dan bij maagdelijke schapen. Er waren aanzienlijke verschillen in de Young's modulus in de comfort- en stresszones van de trekcurve. Opnieuw bleek dit overeen te komen met minder totaal collageen en meer elastinevezels. Het rectum en de blaas bleken stijver en hadden hoge treksterte. Histologisch kwam dat overeen met minder elastine vezels en gladde spiercellen, maar meer collageen, zoals te verwachten is bij een grotere stijfheid. De duidelijke correlatie tussen histologische kenmerken en mechanische eigenschappen is volgens ons vooral gemedieerd door het collageen en elastine gehalte.

De aldus verkregen resultaten lieten ons toe een realistisch materiaal model te creëren voor verdere simulaties, dat de niet lineaire respons van de weefsels over een langer trektraject kan bevatten. Een eenvoudige versie is het HGO-model (Holzapfel-Gasser-Ogden) waarbij het mechanisch gedrag van weefsels onder uniaxiale belasting wordt beschreven, met als constante parameters μ (afschuifmodulus, die functie is van het matrixgehalte), k1 en k2 (reflecteert de bijdrage van de weefselvezels). Voor het gemak definieerden we de dimensieloze verhouding ξ als een coëfficient die de matrix- en vezelbijdrage aan de observaties goed beschrijft. We noemden dit de Histologisch Gemotiveerde of Verantwoorde (HM)-coëfficiënt, die dus de weefselmorfologie en het niet-lineaire mechanische gedrag (treksterkte) beschrijft. De HM-coëfficiënt van de uniaxiale gegevens werd dan ook toegepast voor multiaxiale belastingssimulaties. Op die wijze voorspelden we bio-mechanische karakteristieken zoals door “ball burst testing” gemeten. Aansluitend is een 3D-geometrisch model van de bekkenbodem van schapen gemaakt met behulp van MR-afbeeldingen. Dit kan nu verder worden gebruikt voor dynamische simulaties van de zachte weefsels van de bekkenbodemorganen, gebruik maken van hun HM-coëfficiënt.

Samenvattend heeft dit project enkele belangrijke zaken gerealiseerd. Ten eerste werden de biomechanische karakteristieken van nieuwe elektrisch gesponnen matjes onder verschillende omstandigheden ex vivo vergeleken met die van natief weefsel. In vivo blijken afbreekbare UPy-PC en niet afbreekbare PU elektrisch gesponnen matjes geen locale complicaties te veroorzaken, noch in ratten, konijnen of schapen. Beide matjes induceren in het explant een biomechanisch gedrag dat vergelijkbaar is dat van natief of eigen weefsel. Verder blijken de vaginale wanden en de bekkenorganen van de ooi belangrijke morfologische en biomechanische veranderingen te ondergaan tijdens de zwangerschap, die niet helemaal herstellen in het eerste een jaar na de bevalling. Verder konen we een parallel tussen de mechanische eigenschappen van de zachte weefsels en de histologische kenmerken vaststellen, en werd een zogenaamde histologische gemotiveerde coëfficiënt geïntroduceerd. Deze laat toe om vanuit de microscopische bevindingen de biomechanische eigenschappen te voorspellen. Deze kan gebruikt worden in complexe simulaties.