Zichtbare hydrogels voor snelle controle en monitoring van bloedingen

Er zijn veel verschillende gebeurtenissen die kunnen leiden tot overmatig en ongecontroleerd bloeden in het lichaam. Dit kan optreden als gevolg van ontstekingen en zweren, afwijkingen in de bloedvaten of traumagerelateerde verwondingen. Personen met predisponerende aandoeningen, zoals hartpatiënten, lopen een bijzonder risico op inwendige bloedingen vanwege de anticoagulantia die ze vaak als preventieve maatregel worden voorgeschreven. Ze zijn ook vatbaar voor gastro-intestinale bloedingen, waardoor 40% van de patiënten die harthulpmiddelen gebruiken, worden getroffen. Naast de noodzaak van een effectieve behandeling voor deze aandoeningen, zijn er ook indicaties voor het regelen van de bloedstroom die bijdragen aan aneurysma’s en tumorcelvascularisatie.

Een ideale behandelmethode zou de breuk in de aangetaste bloedvaten snel en effectief blokkeren om het bloeden te stoppen en de vaatwand te laten genezen. Dan zou het blokkerende materiaal uiteindelijk voldoende worden afgebroken om het bloed weer normaal te laten stromen.

Bij de huidige behandelingen zijn zowel vaste als vloeibare materialen als blokkeermiddelen betrokken. Spoelen van gevlochten platina- of roestvrijstalen draden worden vaak gebruikt. Ze zijn er in verschillende lengtes, vormen en diktes en worden met een speciale katheter in bloedvaten geplaatst. Er zijn ook vloeibare blokkers die in de bloedvaten worden geïnjecteerd en na injectie stollen.

Maar er zijn veel problemen bij het gebruik van de huidige methoden. Omdat spiralen speciale katheters nodig hebben voor het inbrengen en gespecialiseerde apparatuur om ze los te maken en te plaatsen, is de procedure moeilijk en vereist intensieve training van de arts. Er zijn ook momenten waarop meerdere spoelen moeten worden geplaatst om effectief te zijn, en er zijn andere momenten waarop de spoelen migreren of compact worden, waardoor herhaalde procedures nodig zijn. Vloeibare middelen lekken vaak tijdens injecties, wat resulteert in een onnauwkeurige plaatsing, toxische effecten op de omliggende weefsels en de noodzaak voor extra pogingen. Deze problemen verhogen het potentieel voor extra tijd en kosten.

Bovendien hebben geen van deze methoden de mogelijkheid om de procedures nauwkeurig te bekijken met conventionele CT-, MRI-, röntgen- en fluoroscopische methoden. Succesvolle beeldvorming zou enorm helpen om de plaatsing te begeleiden en om de bloedvatblokkade in de loop van de tijd te volgen.

Een eerdere studie van de auteurs heeft goedkope, gelatineuze materialen gebruikt, hydrogels genaamd, in een poging om een ​​effectief materiaal te produceren voor het beheersen van bloeding. Behalve dat ze superieure biocompatibiliteit en instelbare elastische en mechanische eigenschappen hebben, vertonen hydrogels ook pure dunnere eigenschappen – het vermogen om te vervormen na injectie en zich vervolgens snel te herstellen en zichzelf te vormen om in de gewenste ruimte te passen; hierdoor kan de bevalling plaatsvinden met behulp van standaardkatheters zonder gespecialiseerde apparatuur. Silicaat nanoplaatjes schijven werden gemengd in de hydrogel om het stollingsvermogen van bloedplaatjescellen na te bootsen, en het resulterende composiet bleek zeer effectief te zijn in het afdichten van beschadigde aderen.

Een team van klinische interventieradiologie-specialisten en biotechnologische onderzoekers heeft dit project een stap verder gebracht door beelddeeltjes toe te voegen die zijn gemaakt van een mengsel van tantaal-hydrogel. Van tantaal, een zeer biocompatibel metaal, is aangetoond dat het veilig is voor gebruik in biomedische toepassingen en het wordt uitgescheiden in de urine.

Het team bestaande uit wetenschappers van het Terasaki Institute en Mayo Clinic voerde verschillende tests uit om de optimale grootte en hoeveelheid van de tantaaldeeltjes te bepalen en hun effect op de mechanische eigenschappen van het hydrogelcomposiet. Ze hebben ook de optimale formule vastgesteld voor de drie componenten van hun nieuwe composietgel. Hun experimenten stelden vast dat de tantaaldeeltjes goed in de hydrogelcomposiet dispergeerden, de mechanische eigenschappen ervan niet beïnvloedden en hun steriliteit in de loop van de tijd behielden.

Een ander ambitieus doel van het project was om hun bloedingen controle-experimenten uit te voeren op slagaders, iets dat nog niet eerder met hydrogels was gedaan. Deze inspanning zorgde voor extra uitdagingen, vanwege de hogere bloedstroom en druk in slagaders, hun grote variatie in grootte en hun potentiële kwetsbaarheid.

Na verschillende experimenten uitgevoerd op de arteriële vaten van levende anticoagulerende varkensmodellen, behaalde het team positieve resultaten met hun nieuwe met tantaal geregen composiet hydrogel. Ze waren in staat om een ​​effectieve afdichting te creëren tegen bloedingen in de slagaders van de varkens, met een inzetduur die 40 keer sneller was dan bij coils. Het arteriële blok vertoonde ook stabiliteit en duurzaamheid, bleef in positie zonder migratie gedurende vier weken voordat het op natuurlijke wijze werd afgebroken en werd vervangen door bindweefselherstel van het vat.

Vanwege de tantaalcomponent in de gel werden de arteriële procedures en monitoring van de diermodellen uitgevoerd met duidelijke, realtime visualisatie met behulp van CT, röntgenfluoroscopie en echografie.

“De experimentele resultaten die werden waargenomen in onze met tantaal beladen gel tonen duidelijk de doeltreffendheid en veelzijdigheid aan”, zei HanJun Kim, een lid van het team van het Terasaki Institute. “We waren in staat om onze doelen te bereiken om een ​​stabiel blok in een arterieel vat te visualiseren en nauwkeurig te plaatsen om snel ongecontroleerde intravasculaire bloeding te behandelen.”

Het team voerde vervolgens aanvullende experimenten uit om de omkeerbaarheid van de arteriële plaatsing van de nieuwe hydrogel te testen en ontdekte dat hun gestolde arteriële plug gemakkelijk kon worden verwijderd met behulp van een aspiratiekatheter. Ze waren ook in staat om een ​​succesvolle arteriële blokkering te verkrijgen door hun hydrogelcomposiet toe te passen op spiralen die in de bloedvaten waren geplaatst en die blokkering niet hadden bereikt of behouden.

Het gebruik van deze met tantaal beladen gel om bloedingen onder controle te houden, vertoont veel unieke voordelen ten opzichte van de huidige methoden. Het is een veilige, gebruiksvriendelijke en kosteneffectieve methode die een optimale effectiviteit, precisie en veelzijdigheid vertoont voor een groot aantal potentiële medische toepassingen.

“De hier ontwikkelde behandelingsmethode is een enorme verbetering ten opzichte van de huidige methoden en kan vele levens beïnvloeden”, zegt Ali Khademhosseini, Ph.D., directeur en CEO van het Terasaki Institute. “Het is een van de vele voorbeelden van het innovatieve en impactvolle werk dat we bij ons instituut doen.”