Laser Recanalization: A Basic and Clinical Perspective

Summary

Inspite of the effectiveness of PTCA and surgery in the treatment of occlusive vascular diseases, still a number of patients remain untreatable by these methods. Laser light with its ability to ablate tissue and tu be delivered even in small distal branches of the vascular tree seemed to offer a new perspective.

The interaction between laser light and tissue is determined by special physical characteristics. Up till now none of the available laser Systems are optimal for application in the cardiovascular System, but still many of them have been effective clinically. One common complication was the high Perforation rate by the use of flexible quarz fibers which could not be visualized by fluoroscopy. The addition of a small metal ring and later-on of a metal cap covoring the end of the fiber showed significant improvements. Not only could those fibers be visualized by a fluoroscopy, but could convert laser energy into thermal energy. The Perforation rate was decreased and a greater size Channel created. Lately the introduction of a small saphir window at the tip of the metal cap offered the combined application of light and thermal energy. Animal studies demonstrated these advantages with a low Perforation and a high penetration rate of atherosclerotic material. Clinical Studies also revealed good results and a significantly lower Perforation rate with the metal capped probe. Using the probe with a small saphir window at its tip, the success rate in totally occluded peripheral vessels, not treatable by conventional PTCA, was 82%. As the newly created Channel showed a sufficient diameter. The application in coronary arteries still remains difficult and shows a higher reocclusion rate of up to 50%with the devices.

In summary, laser offers some promising perspectives in the treatment of cardiovascular diseases. Further clinical studies have to demonstrate the effectivness of the isolated laser angioplasty without additional balloon angioplasty. In case of success, cardiologists as well as surgeons will have an additional tool in the treatment of occlusive cardiovascular diseases.

Zusammenfassung

Das Prinzip des Lasers, welches auf der Quantentheorie von Albert Einstein beruht, und von Townes und Schawlow weiter entwickelt wurde, fand nach der Konstruktion des ersten funktionstüchtigen Rubin-Lasers 1960 auch in der Medizin bald seine Anwendung. Allerdings dauerte es bis 1980, bevor sich mögliche Anwendungen auch im Bereich des kardiovaskulären Systems abzeichneten. Dabei bestand das Hauptinteresse in der Anwendung des monochromatischen und koherenten Lichtes zur Rekanalisation eingeengter oder verschlossener Gefäße, stellt doch dieses Krankheitsbild in Form der Koronarsklerose immer noch den Hauptanteil an Morbidität und Mortalität in der westlichen Gesellschaft dar. Trotz der Therapieerfolge der Ballonangioplastie und der Bypass-Chirurgie verbleibt noch immer eine Anzahl von Patienten, denen aufgrund besonderer Voraussetzungen nur unzureichend geholfen werden kann. Die Fähigkeit des Lasers, Gewebe abzutragen und dabei aufgrund dünner und flexibler Lichtleiter selbst in feinste Gefäße vordringen zu können sowie die Hinterlassung einer weitgehend glatten Oberfläche nach Rekanalisation, eröffneten hier neue Perspektiven.

Die Wechselwirkungen zwischen Laserlicht und Gewebe hängen im wesentlichen von der Wellenlänge des Lichtes, den optischen Eigenschaften des Gewebes und der Größe des Gebietes, auf das die Laserenergie einwirkt, ab. So hat zum Beispiel der Argon-Laser eine gute Penetrationsfähigkeit durch Wasser und klare optische Medien, wird aber stark absorbiert von Blutfarbstoffen und Pigmenten. Der CO2-Laser hingegen ist in seinen Eigenschaften gekennzeichnet durch eine hohe Absorption in Wasser und damit auch in den meisten menschlichen Geweben, so daß er nur eine sehr geringe Eindringtiefe hat und sich damit besonders zur Anfertigung scharfer Schnittflächen und oberflächlicher präziser Abtragungen eignet. Der Nd:YAG-Laser wiederum wird in Wasser und damit im menschlichen Gewebe geringer absorbiert und zeigt vor allem eine weite Streuung, so daß er sich in erster Linie zu blutstillenden Eingriffen eignet und seinen Einsatz z. B. in der Behandlung blutender Ulzera findet. Im Gegensatz zu der primär thermischen Wirkung der vorgenannten Lasersysteme besteht bei den im ultravioletten Bereich arbeitenden Eximer-Lasern ein fotochemischer Prozeß im Vordergrund, begleitet von nur geringen thermischen Effekten. Dies garantiert scharfe Schnittflächen bei nur geringer Randzonenschädigung, jedoch bei entsprechend geringer Eindringtiefe einen entsprechend hohen und langzeitigen Energieaufwand zum Abtragen langstreckiger Stenosen oder Plaques. Darüber hinaus ist eine mögliche Mutagenität und Kanzerogenität des ultravioletten Lichtes noch nicht sicher ausgeschlossen. Ein Lasersystem, welches die Idealanforderungen einer Übertragbarkeit mittels flexibler optischer Fasern, einer bevorzugton Absorption durch atherosklerotisches Material, hohe Präzision und geringen Aufwand bei hoher Sicherheit erfüllt, steht mit keinem der vorgenannten Systeme uneingeschränkt zur Verfügung. So wurden erste Vorsuche einer experimentellen und klinischen Anwendung zunächst mit allen Systemen durchgeführt und eine gewisse Effektivität beschrieben.

Dabei zeigte die Verwendung flexibler Quarzfasorn eine hohe mechanische Perforationsgefahr und gleichzeitig eine schlechte Kontrollierbarkoit mittels Röntgen, da das Faserende nicht darstellbar war. Eine verbesserte Präzision und Röntgenkontrolle war zunächst mit einer Einhüllung des Eascrendes durch eine dünne Metallhülse gewährleistet. Schließlich ging man dazu über, das gesamte Faserende mit einer Metallkappe zu versehen, so daß die gesamte Lichtenergie in thermische Energie umgewandelt wurde. Damit ließ sich vor allem das Perforationsrisiko deutlich vermindern, es zeigte sich jedoch, daß feste Plaquestrukturen damit nur unzureichend zu überwinden waren und die neugeschaffenen Kanäle relativ dünnkalibrig waren. Schließlich entwickelten Abela und Mitarbeiter eine sog. Hybrid-Sonde, bei der an der Spitze der Metallkappe ein kleines Saphirfenster angebracht war, so daß sowohl die thermische Energie wie auch über das kleine Saphirfensler die direkte Iichtenergie auf die Stenose einwirken konnte, wobei letztere zunächst einen Kanal durch das arteriosklerotische Material schaffen und anschließend die erhitzte Metallkapsel diesen Kanal erweitern konnte. Durch die Möglichkeit einer Führung über dünne Führungsdrähte war selbst bei geschlängelten Koronararterien eine glatte Passage ohne Perforationsrisiko gegeben. Erste experimentelle Studien bestätigten die Effektivität dieses Systems, es zeigte sich eine gute Abtragung arteriosklerotischen Materials im Tiermodell und die Gofäße heilten im bestrahlten Bereich schnell durch Bildung einor Neointima ab. Weiterhin bildete sich an der Stelle der abgetragenen Plaques auch unter Cholesteroldiät keine neue Atherosklerose. Im Bereich der Koronararterien zeigte sich bei Hunden zunächst eine hohe Perforationsgefahr, die jedoch durch die vorgeschilderten Systeme und vor allem die Verwendung dünner Führungsdrähte reduziert warden konnte.

Erste klinische Studien mil verschiedenen Lasersystemen und offenen Quarzfasern zeigten zunächst gute Erfolge im Bereich der peripheren Gefäßstrombahn. allerdings traten erwartungsgemäß einige Perforationen auf, die jedoch keine chirurgische Intervention erforderlich machten. Außerdem war der neugeschaffene Kanal im Falle kompletter Verschlüsse meist sehr klein, so daß daraus häufig Frühverschlüsse resultierten oder eino zusätzliche Ballonangioplastie erforderlich wurde. Dies gait auch für die ersten klinischen Untersuchungen mil der vollständig melallummantelton Faser. wobei hier jedoch Perforationen nur noch sehr selten gesehen wurden. Eine Verbesserung brachte die sog. Hybridsonde, mit deren Hilfe 82% verschlossener und einer Angioplastie nicht zugänglicher Gefäße wieder eröffnet werden konnten. Langzeitergebnisse müssen hier noch abgewartet werden. Im Bereich der Herzkranzarterien waren erste intraoperative Anwendungen mit offenen Fasern unmittelbar erfolgversprechend, es zeigte sich jedoch anschließend eine sehr hohe Frühverschlußrate. Auch unter Verwendung der voll verkapselten F'aser über einen transluminalen Zugangsweg zeigten sich noch Frühverschlußraten von nahezu 50%, und auch hier liegen noch keine Langzeitergebnisse der verbliebenen Patienten vor.

Insgesamt zeigt die Anwendung des Lasers in der Behandlung arteriosklerotischer Gefäßveränderungen dennoch vielversprechende Ansätze. So sind es insbesondere die Hinterlassung einer relativ glatten Oberfläche und die damit verbesserte Heilungstendenz sowie die verbesserte Steuerbarkeit der flexiblen Fasern über Führungsdrähte und das damit minimierte Perforationsrisiko, die in Zukunft einen erfolgversprechenden Einsatz erwarten lassen. In weiteren klinischen Studien muß dazu der Kinfluß- und Langzeiteffekt der alleinigen Laserenergie untersuchend ausgewertet werden, wobei besonders die Verwendung der genannten Hybridsonde dazu gute Voraussetzungen bietet, da hierbei die Schaffung ausreichend großer Kanäle häufig die zusätzliche Anwendung der Ballondilatation überflüssig macht. Sollte sich dabei vor allem die Erwartung geringer Restenosicrungen bestätigen, so steht sowohl den Kardiologen wie auch den kardiovaskulären Chirurgen mit dem Laser ein zusätzliches wertvolles Instrument in der Behandlung bisher nicht angehbarer oder operabler Veränderungen zur Verfügung.

Key words

Laser angioplasty - Recanalisation - Clinical evaluation