Comparative Study of Different Laser Systems with Special Regard to Angioplasty

Summary

Laser angioplasty has found increasing interest in the treatment of cardiovascular diseases. First clinical applications of laser angioplasty in atherosclerotic stenoses or occlusions of peripheral and coronary vessels primarely showed a high success rate, but later were followed by significant complications as aneurysm formation, late porforations and restenoses. Most of these complications were due to a thermal damage of surrounding wall structures. To avoid these complications an ideal laser System should only minimally influence surrounding tissue layers and should offer a well predictable penetration and ablation including also severely calcified material.

In conventional continuous wave laser Systems photo energy is mainly changod into thermal energy. Mode of application, local cooling and the use of special laser probos can reduce the thermal side effects, but nervertheless histologic examinations revealed thermal injuries of various degree to surrounding structures. Furthermore these laser Systems mostly faile to ablate or penetrate calcified plaques and only pulsed Nd:YAG-lasers with high frequencies seem to offer some improvement. Eximer lasers with their wave lengths of 193, 248 and 308 nanometers also workin a high frequent pulsed mode. They offer a very low penetration and mainly show a so called photoablative effect with only minimal thermal side effects. Within a distance of'only 50 micrometers temperature raises in the surrounding tissue upto 5 °C and in a distance of 1 mm, uptol.5 °C. Eximer lasers are moreover able to penetrate calcified material. A transluminal application is up tili now limited by a lack of flexible fiber Systems, which can deliver the high energy pulses. Another point of discussion are the mutagenity and cancerogenity of ultraviolet light. In atherosclerotic material with a lowreproduction rate these dangers should be of only minor importance. After further improvement of the technology and the postoperative treatment with anti platelet drugs Eximer angioplasty may offer an alternative method besides PTCA and operative procedures.

Zusammenfassung

Im Zuge der Verbreitung und der Erfolge der Ballondilatation hat die Laserangioplastie in den letzten Jahren ein vermehrtes Interesse gefunden. Neben der Möglichkeit, diese Methode auch bei den der Angioplastie nicht zugänglichen kompletten Verschlüssen anwenden zu können, versprach man sich durch den unterschiedlichen Mechanismus der Gewebsabtragung im Gegensatz zur Gewebsverdrängung und damit verbundenen Gewebszerreißungen auch bessere Langzeiterfolge infolge einer geringeren Thrombogenität und besseren Heilungstendenz. Es zeigten sich jedoch bald erste Schwierigkeiten, da den genannten Effekten entsprechende Gefahren und Nebenwirkungen, so insbesondere die Perforationsgefahr und vor allem die thermische Schädigung der anliegenden Wandstrukturen, entgegenstanden. Als Folge zeigten sich neben den Früh- auch Spätperforationen, Aneurysmabildungen und ödematöse Schwellungen der Gefäßwand mit signifikanten Restenosierungen. Dementsprechend fanden sich bei ersten klinischen Anwendungen der Laserangioplastie Frühverschlußraten bis zu 100 %. Zur Vermeidung dieser Komplikationen muß an ein ideales Lasersystem die Forderung einer nur minimalen Beeinflussung der anliegenden Gewebsschichten, eine klare Voraussagbarkeit der Eindringtiefe und Abtragsrate, die Auflösungsfähigkeit verschiedenster Gewebe bis hin zu verkalkten Plaques sowie optimale Energieübertragungssysteme bei maximaler Sicherheit für Patient und Personal gestellt werden.

Bei den herkömmlichen im Dauerstrich betriebenen Lasersystemen wird in der Regel im Gewebe die Photoenergie in Hitze umgewandelt. Dabei sind die erzielten Effekte abhängig von den speziellen Eigenschaften des Lasers und des Gewebes, so insbesondere Wellenlänge, angewendete Leistung, Absorptionsmerkmale im Gewebe sowie lokale Kühlmaßnahmen und die Gewebserholungszeit. Konventionelle Lasersysteme, also der CO2-Laser, der Argonlaser und der Nd:YAG-Laser unterscheiden sich hierbei charakteristisch in der Gewebspenetration und der Volumenabsorption. Dazu wurden zunächst exemplarisch mit einem im Dauerstrich betriebenen Nd:YAG-Laser in vitro gesunde und arteriosklerotisch veränderte Leichengefäßsegmente direkter oder intraluminaler koaxialer Laserbestrahlung ausgesetzt. Als Folge zeigte sich in den durchgeführten histologischen und elektronenmikroskopischen Untersuchungen schon bei niedriger Energie eine lokalisierte Wandschwellung und Vorwölbung als Konsequenz der Vaporisation von Gewebswasser und der dadurch entstehenden Verdrängung. Dabei reichte die angewendete Energie nicht zu einer Vaporisation solider Gewebselemente. Bei längerer Bestrahlung kam es dann zu plötzlichen oberflächlichen Gewebszerreißungen, welche sich durch eine Ansammlung unter hoher Spannung stehenden Dampfes erklären lassen, der zu einem hohen intramuralen Gasdruck und schließlich zu den geschilderten Zerreißungen führt. Eine weitere Erhöhung der Energie führt dann zu kraterähnlichen Gewebsdefekten mit Verkohlung der Oberfläche und schließlich bei weiterer Erhöhung der Energie zu Gewebsperforationen. Genaue histologische Untersuchungen zeigten in typischer Weise neben dem zentralen Gewebsdefekt mit schmaler Karbonisationszone eine Schicht koagulierten Gewebes mit konfluierenden Lakunen und eosinophiler Anfärbbarkeit als Zeichen einer Koagulation solider und Vaporisation flüssiger Wandbestandteile. Angrenzend zeigte sich häufig noch eine schmale Zone reiner Koagulation.

Als ein weiteres Problem der Anwendung konventioneller Lasersysteme, hier am Beispiel des genannten Nd:YAG-Lasersy-stems, ist ihre schwer voraussagbare Abtragungsfähigkeit bei heterogenen Materialien. So können fibröse, fetthaltige oder thrombotische Strukturen bekanntermaßen sicher abgetragen werden, handelt es sich jedoch um Kalkablagerungen, so scheiterten diese Systeme, was sich allein schon anhand des hohen Schmelzpunktes der Kalziumhydroxidphosphate von 1.870 °C erklärt. Lediglich mit hochfrequent gepulsten Nd:YAG-Lasersystemen scheinen sich hier Verbesserungsmöglichkeiten anzudeuten.

Ein hochfrequent gepulstes System stellt auch der im ultravioletten Bereich arbeitende Eximer-Laser dar. Das ultraviolette Licht wird von den meisten organischen Molekülen sowie auch von Proteinen stark absorbiert, so daß die Eindringtiefe dieses Lasersystems nur sehr gering ist. Der photoablative Effekt besteht hauptsächlich in einer sog. Photodissoziation, es werden dabei intramolekulare Verbindungen durch die eindringenden Photonen aufgebrochen und neue Polymerenketten gebildet. Daraus ergibt sich eine sehr scharfe Schnittfläche des Laserstrahles bei nur geringfügiger thermischer Schädigung des umliegenden Gewebes. Analog zu den vorgeschilderten Untersuchungen mit dem Nd:YAG-Laser durchgeführte Experimente mit einem Eximer-Lasersystem bei Frequenzen von 193, 248 und 308 Nanometer konnten diese Eigenschaften bestätigen, in der Umgebung eines sehr scharfen Schnittrandes zeigton sich nur schmalste Zonen thermischer Veränderungen und Temperaturmessungen im unmittelbaren Randbezirk der Lasereinwirkung zeigten in einem Abstand 50 Mikrometer einen maximalen Temperaturanstieg um 5 °C, der schon in einem Abstand von 500 Mikrometern auf 2,5 °C und in einem Abstand von 1mm auf nur 1,5 °C abgefallen war. Auch hierbei ist die Wahl der Pulsfrequenz von entscheidender Bedeutung, um dem Gewebe zwischen den Einzelpulsen eine ausreichende Zeit zur thermischen Ableitung zu geben. Bei In-vivo-Untersuchungen an der Ratten-Aorta zeigte sich nach direkter Laserbestrahlung des eröffneten Gefäßes und Wiederverschluß mittels Naht zunächst ein guter Run-off. Allerdings trat in 50% der Fälle ein Gefäßspasmus mit konsekutiver Thrombose auf. Hierin scheint ein besonderer Risikofaktor bei Laserangioplastien im Bereich besonders kleiner und dünnwandiger Gefäße zu liegen. Auf Schwierigkeiten stößt die Verwendung des Eximer-Lasers bei der transluminären Anwendung, da es zumindest für die Wellenlängen von 193 und 248 Nanometern noch keine flexiblen Übertragungssysteme gibt. Auch bei einer Wellenlänge von 308 Nanometern bestehen noch Schwierigkeiten, die hohen Energieimpulse ausreichend übertragen zu können. Ein weiterer Diskussionspunkt in der Anwendung der im UV-Bereich arbeitenden Eximer-Lasersysteme ist die immer wieder diskutierte Mutagenität und Kanzerogenität, wobei jedoch bisherige Untersuchungen an gesundem biologischen Gewebe mit einer hohen Reproduktionsrate durchgeführt wurden, wohingegen das bei einer Laserangioplastie bestrahlte Material aus fetthaltigen, hyalinen und kalkhaltigen Bestandteilen besteht, die nur eine niedrige oder gar keine DNS-Reproduktionsrate haben. Weitere Untersuchungen sind hier sicherlich noch notwendig. Gleiches gilt auch für den Heilungsprozeß der Gefäße und den Einfluß von Thrombozytenaggregation, Reendothelialisation und ähnlichen Faktoren. So muß insgesamt die Laserangioplastie noch als ein experimentelles Verfahren mit vielen offenen Fragen angesehen werden. Allerdings berechtigen sowohl bisherige experimentelle und auch erste klinische Ergebnisse sowie in Aussicht stehende rasche technische Weiterentwicklungen zu der Hoffnung, daß sich dieses Verfahren bald an der Seite der PTCA, der Rotationsendarteriektomie und weiterer operativer Verfahren einen Platz in der Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen sichern wird.

Key words

Laser angioplasty - Thermal laser effects - Excimer laser - Delivery system - Atherosclerosis