Schweißwunden

Fragen Sie jeden, der sich mit R. Rox Andersons Experimenten mit Lasern auskennt, und Sie werden wahrscheinlich die Worte Star and Trek in unmittelbarer Nähe hören. Andererseits könnten auch Low-Tech-Analogien wie Werften oder Karosseriewerkstätten in den Sinn kommen. Aber das ist keine Science-Fiction und ganz sicher keine konventionelle Metallbearbeitung. Anderson arbeitet in der Welt der Biologie und hat sich zum Ziel gesetzt, Wunden zu verschweißen.

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Das Wundschweißen ist ein Hightech-Traum, der bald klinische Realität werden könnte – wenn er die richtige Nische findet. Anderson, ein Dermatologe der Harvard University, der ein Laserforschungslabor am Massachusetts General Hospital (MGH) leitet, glaubt, dass Laser die relativ primitiven Nähte und Klammern ersetzen könnten, die jetzt weit verbreitet sind. Wir sollten die Leute nicht wieder zusammenbauen oder operieren und Organe bewegen, sie dort mit kleinen Fäden und Metallstücken festnageln, sagt er. Es ist archaisch.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 1998



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Anderson und seine Forschungskollegen sind nicht die einzigen, die von dem Potenzial fasziniert sind, das geschnittene und verletzte Gewebe des Körpers wieder zusammenzuschweißen. Eine Handvoll biomedizinischer Start-ups und etablierter Laserhersteller arbeiten fieberhaft daran, größere OP-Firmen beobachten die Fortschritte genau. Angetrieben wird die Arbeit von den potenziellen Vorteilen des Laserschweißens: schnellere Operationen, weniger Komplikationen, schnellere Heilung. Die harte kommerzielle Realität ist jedoch, dass das Nähen und Heften bei den meisten gängigen Verfahren billig und tief verwurzelt ist. Aber die jüngsten Fortschritte in der Chirurgie, insbesondere im schnell wachsenden Bereich der minimal-invasiven Verfahren, eröffnen Möglichkeiten, die das Laserschweißen zu einer klinischen Realität machen könnten.

Bisher hat der Ansturm auf praktische Anwendungen das wissenschaftliche Verständnis dessen, was an einer Bioschweißstelle passiert, überholt. Bekannt ist, dass, wenn der Laser die Kanten einer Rille erhitzt, dort Proteine ​​zu denaturieren oder zu schmelzen beginnen. Beim Abkühlen verfestigt sich das Material und – wenn alles nach Plan verläuft – verschmelzen die Kanten und hinterlassen eine Naht wie eine Schweißnaht in einem Metallrohr. Um diesen Verschmelzungsprozess zu unterstützen, fügen Forscher häufig ein proteinbasiertes Lot in die Wunde ein, um die Naht zu verstärken.

Die Methode ist für Chirurgen attraktiv, weil sie zum einen möglicherweise stärker standardisiert wird als das Nähen, das immer noch mehr Kunst als Wissenschaft ist. Wie weit sie die Nadel vom Rand des Gewebes entfernen, wie weit sie einen Stich von einem anderen entfernen, wie fest sie den Knoten binden oder den Stich zwischen den Knoten ziehen - all das ist subjektiv und jeder Chirurg wird es anders machen, erklärt Dix Poppas, Direktor für Kinderurologie, rekonstruktive und laparoskopische Chirurgie am New York Hospital-Cornell University Medical Center und Gewebeschweißforscher. Und während mechanische Hefter das Verbinden von Geweben etwas einfacher machen, sind sie für empfindliche, unregelmäßige oder sehr kleine Strukturen nicht immer praktisch.

Im Gegensatz zu Nähten oder Klammern bieten Schweißwunden auch eine wasserdichte Versiegelung, um Körperflüssigkeiten aufzunehmen und Blutverlust, Infektionen und wiederholte Operationen zu verhindern. Und Laser hinterlassen keine Fäden und Metallstücke, die die Heilung hemmen und Entzündungen, Narben und Verengungen neu reparierter Gefäße verursachen können.

Die ersten Versuche beim Laser-Gewebeschweißen liegen fast 20 Jahre zurück. Im Laufe dieser Zeit haben sich Laser zu einem unschätzbaren Werkzeug für Chirurgen zum Schneiden oder Zerstören von Gewebe entwickelt und haben beispielsweise die Entfernung von grauem Star revolutioniert. Doch mit Ausnahme eines weit verbreiteten Laserverfahrens zur Wiederanbringung einer Netzhaut hat sich das Schweißen noch nicht als Methode der Wahl zum Gewebeverschluss erwiesen.

Heutzutage haben viele biomedizinische Forscher jedoch das Gefühl, dass das Feld eine kritische Masse erreicht. Ermutigende Ergebnisse aus Labor- und Tierversuchen häufen sich weiter an, und vorläufige Humanstudien haben den potenziellen Nutzen des Schweißens bei Operationen wie der Umkehrung der Vasektomie, der Wiederbefestigung von Arterien und Venen und der Korrektur von Geburtsfehlern des Penis gezeigt. Ich mache das seit 16 Jahren und früher hat niemand zugehört – jetzt bekomme ich jede Woche Anrufe, sagt Poppas.

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Trotz der Begeisterung bleibt ungewiss, ob sich das Gewebeschweißen im hart umkämpften chirurgischen Geschäft einen Platz sichern kann. Damit es zu einem medizinischen Standardverfahren wird, benötigen Ärzte Zugang zu sicheren und zuverlässigen Schweißgeräten und Lötzinn von der Stange. Einige dieser Produkte befinden sich derzeit in klinischen Studien am Menschen, müssen sich jedoch noch beweisen und die behördliche Zulassung der Food and Drug Administration erhalten. Und die Unternehmen, die die Produkte entwickeln, müssen einen Markt für ihre Technologie definieren und erobern, der lukrative Renditen bietet.

Die Kunst rausnehmen

Ein entscheidender Schritt für eine breite Anwendbarkeit des Gewebeschweißens ist der Bau einfach zu bedienender Lasersysteme, die in den Händen vieler Chirurgen sicher und zuverlässig sind, nicht nur in denen der hochqualifizierten Forscher, die die Systeme entwickeln. Obwohl sich Poppas und andere Chirurgen den Ruf als ausgezeichnete Schweißer erworben haben, ist ihre Technik in gewisser Weise immer noch eine Kunstform. Zum einen ist es schwierig zu beurteilen, wann der Laser ausgeschaltet werden soll; Wenn das Gewebe zu heiß wird, brennt es, wird es nicht heiß genug, wird die Schweißnaht schwach.

Poppas, der beim Schweißen Proteinlote verwendet, erklärt, dass das Betrachten des Endpunkts einer Schweißnaht viel Raum für Fehler lässt. Der einzige Weg, dies zu tun, besteht darin, sich die visuellen Veränderungen anzusehen, die im Lot auftreten – wenn Sie sehen, dass es aushärtet, wenn Sie sehen, dass es überglänzen, wenn Sie sehen, dass es bläst, wenn Sie sehen, dass es undurchsichtig wird. Das sind extrem subjektive Parameter und jeder Chirurg wird eine andere Meinung darüber haben, wie eine Schweißnaht aussieht.

Um den Prozess für den durchschnittlichen Chirurgen konsistent reproduzierbar zu machen, arbeitet Poppas mit Abiomed aus Danvers, Massachusetts, zusammen, um ein intelligenteres Schweißsystem zu testen. Der Abiomed-Ansatz verwendet einen Infrarot-Detektor, ähnlich denen, die in Ohrthermometern verwendet werden, um die Temperatur eines Flecks zu messen, während der Laser ihn erhitzt. Das Signal des Thermometers wird in einen Mikroprozessor eingespeist, der die Leistung des Lasers anpasst, um die Temperatur innerhalb weniger Grad zu halten. Das System, so Robert Stewart, ein leitender Wissenschaftler bei Abiomed, macht dem Schweißen die Kunst. Jeder kann eine Temperatur einstellen und schweißen und es wird funktionieren.

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Bei manchen heiklen Operationen von Gewebeschweißern – zum Beispiel bei Neugeborenen und sogar Föten vor der Geburt – kann eine solche Zuverlässigkeit über Leben und Tod entscheiden. Während diese risikoreichen Anwendungen dem Lasergewebeschweißen eine Chance geben, zu glänzen (Nähte würden zerbrechliches fetales Gewebe durchreißen), heben sie auch die Herausforderungen hervor, die bei der Kontrolle des Lasers erforderlich sind. Um die Operationen sicher durchführen zu können, haben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, ein rückkopplungsgesteuertes Schweißsystem erfunden, und das Team testet in Zusammenarbeit mit Conversion Energy Enterprises aus Spring Valley, NY, die Möglichkeit, es für versiegeln und verbinden neugeborene und fötale Blutgefäße.

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Obwohl ein zuverlässiges, einfach zu bedienendes Lasersystem unerlässlich ist, glauben viele Forscher, dass die einfache Verwendung eines Lasers zum Schmelzen der an der Wundstelle gefundenen Proteine ​​​​eine Versiegelung für den klinischen Einsatz nicht stark genug machen kann. Daher haben sich Chirurgen wie Klempner und Elektriker an Lötmittel gewandt – in diesem Fall Proteine ​​aus tierischem oder menschlichem Gewebe, die mit der Wunde verschmelzen und die Gewebebindung stärken.

Während er Mitte der 1980er-Jahre noch Medizinstudent war, verbrachte Poppas mehrere frustrierende Monate im Labor und operierte an Rattenharnröhren, wobei sie nur einen Laser benutzte, um sie zu versiegeln. Ich habe dort immer wieder Potenzial gesehen, erinnert er sich, aber irgendetwas stimmte nicht. Der Laser erzeugte nicht zuverlässig eine Bindung, die stark genug war, um mit Nähten zu konkurrieren. Also begann Poppas mit proteinreichen Muskel- oder Venenstreifen oder Blutstropfen zu spielen, die er über das aufgeschnittene Gefäß legte, bevor er es mit dem Laserlicht traf. Die Ergebnisse waren besser, aber immer noch nicht gut genug. Dann versuchte er es mit reinem Protein – einer Verbindung namens Albumin, die reichlich im Blutserum und Eiweiß vorkommt. Ich habe es gemischt und auf die Wunde gelegt und das Ding verklebt und es war unglaublich, die Ergebnisse waren einfach phänomenal, sagt er. Tatsächlich sollte ich an diesem Tag zu einem [Grateful] Dead-Konzert gehen und ich habe es verpasst, weil ich diese Experimente immer wieder gemacht habe.

Tickende Uhr

Mit der Verfestigung der Löttechnik und der Optimierung der Lasertechnologie sind die Befürworter des Gewebeschweißens optimistisch. Anderson von MGH glaubt zum Beispiel, dass er und seine Kollegen auf eine Realität zusteuern, in der es irgendwann ein fertiges, benutzerfreundliches System zur Gewebereparatur geben würde, das dem ähnelt, was sie in Star Trek tun. Doch bevor Technologie und Science-Fiction verschmelzen können, steht das Schweißen von Gewebe vor einer gewaltigen Herausforderung. es muss noch eine erste Anwendung finden, um die Technologie ins Regal zu bringen und den Markt zu erschließen.

Und die Uhr tickt. Einige Befürworter befürchten, dass potenzielle Nischen durch eine neue Generation von biologischen und synthetischen Gewebeklebern gefüllt werden, wenn das Schweißen in den nächsten Jahren nicht wirtschaftlich rentabel wird. Chirurgische Kleb- und Dichtstoffe – einige synthetische Cousins ​​von Superglue und andere aus biologischen Materialien – versprechen viele der gleichen Vorteile wie das Schweißen von Gewebe. Obwohl kein Klebstoff alle Kriterien für eine ideale Gewebeversiegelung erfüllt, erhalten Klebstoffe allmählich die Zulassung für begrenzte Anwendungen wie den Verschluss kleiner Hautwunden oder Einschnitte. Und Klebstoffentwickler arbeiten bereits an stärkeren und biokompatibleren Produkten.

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