Untersuchungen zur Zellbesiedelung von Polymethylpenten-Oxygenatormembranen nach extrakorporaler Membranoxygenierungs-Therapie

Abstract

Von allen bekannten Medizinprodukten bieten während der extrakorporalen Membranoxygenierungs-Therapie verwendete Membranoxygenatoren die größte Schnittfläche mit Patientenblut. Die Interaktion mit der Oxygenator-Oberfläche kann über die globale Aktivierung humoraler und zellulärer Immunsysteme zu einem komplikationsträchtigen SIRS beitragen. Vor diesem Hintergrund ist die Erforschung der zellulären Interaktion mit der fremden Polymethylpenten-Oxygenatormembran essentiell, um innovative Ansätze für die Aufklärung der systemischen inflammatorischen Antwort aufzudecken. Ziel dieser Promotionsarbeit war es daher eine standardisierte Methode zur Darstellung sowie Algorithmen-gestützten Quantifizierung und Typisierung adhärierender Zellpopulationen auf Polymethylpenten- Oxygenatormembranen nach ECMO-Therapie zu etablieren. Dafür wurde an Membranproben von zwei, am Patienten eingesetzten Oxygenatoren (Maquet-PLS-i u. Eurosets-adult), eine Immunofluoreszenzfärbung gegen Leukozyten (CD45(+)), Makrophagen (CD68(+)), endotheliale Zellen (CD31(+)) und eine Kernfärbung (DAPI) durchgeführt. Die Darstellung der Zellablagerungen erfolgte mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie. Das Mikroskopie-Verfahren war aufgrund seiner hohen räumlichen Auflösung vorteilhaft, um die zellulären Ablagerungen und insbesondere dicht besiedelte Aggregate zu untersuchen. Zur Auszählung der Gesamtzellzahl wurde ein eigenständig im Programm Image-J geschriebenes Makro gegen das neuronale Netzwerk Cellpose getestet, das innerhalb des Programms OpSef in eine Prozessierungslinie integriert wurde 100,119. Die KI-gestützte Prozessierungslinie setzte sich gegen die Alternativverfahren aufgrund ihrer überlegenen Zellkernerkennung, geringen Abweichungen von der Referenz (11,61% ± 7,27%) und hohen Korrelation (R=0,98) mit der manuellen Auszählung (Referenz) durch. In der anschließenden explorativen Datenanalyse der untersuchten Membranoxygenatoren fand sich eine verstärkte Zellablagerung in hohlfaserverbindenden Knotenpunkten im Vergleich zu Adhäsionen auf Hohlfasern. Bei beiden untersuchten Oxygenatoren ergab sich ein Trend zu erhöhter Zelladhäsion Richtung arterialisierter Seite der Geräte. Die erhobenen Daten ließen darauf schließen, dass die adhärierenden Leukozyten der beiden untersuchten Membranoxygenatoren zu einem großen Anteil Makrophagen sind. Die genaue Zuordnung CD31(+) Zellen zu einer endothelialen Zellpopulation war in dieser Untersuchung nicht möglich und ist zukünftig mittels Co-Färbung von CD45 und von-Willebrand-Faktor zu klären. Zusammengefasst konnte in dieser Arbeit eine standardisierte Untersuchung von Polymethylpenten-Oxygenatormembranen nach ECMO-Therapie mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie sowie ein algorithmengestütztes Quantifizierungsverfahren der erzeugten Bildsequenzen etabliert werden. In der explorativen Datenanalyse der untersuchten Oxygenatoren ergaben sich Hinweise auf Prädilektionsstellen für vermehrte Zellablagerungen in Knotenpunkten hohlfaserverbindender Kettfäden und auf Hohlfasern. Es konnte außerdem eine unterschiedlich starke Zellbesiedlung der Prädilektionsstellen in verschiedenen Oxygenatorbereichen nachgewiesen werden. Auch die Anteile adhärierender Leukozyten und Makrophagen variierten. Wodurch die Zellbesiedlung in Menge und Art beeinflusst wird und inwiefern sie einen Einfluss auf den Behandlungsverlauf der Patienten hat, ist in klinischen und ex vivo Zirkulationsstudien zu untersuchen.