Novel surgical and imaging methods of the middle ear and temporal bone

Välikorvaleikkauksiin usein liittyvän välikorvan ja kuuloluuketjun kirurgisen rekonstruktion tavoitteena on luoda olosuhteet, jotka mahdollistavat hyvän kuulon sekä välikorvan säilymisen tulehduksettomana ja ilmapitoisena. Välikorvan rekonstruktiossa on käytetty implanttimateriaaleina perinteisesti potilaan omia kudoksia sekä tarvittaessa erilaisia hajoamattomia biomateriaaleja, mm. titaania ja silikonia. Ongelmana biomateriaalien käytössä voi olla bakteerien adherenssi eli tarttuminen vieraan materiaalin pintaan, mikä saattaa johtaa biofilmin muodostumiseen. Tämä voi aiheuttaa kroonisen, huonosti antibiootteihin reagoivan infektion kudoksessa, mikä usein käytännössä johtaa uusintaleikkaukseen ja implantin poistoon. Maitohappo- ja glykolihappopohjaiset biologisesti hajoavat polymeerit ovat olleet kliinisessä käytössä jo vuosikymmeniä. Niitä on käytetty erityisesti tukimateriaaleina mm. ortopediassa sekä kasvo- ja leukakirurgiassa. Niitä ei ole toistaiseksi käytetty välikorvakirurgiassa. Korvan kuvantamiseen käytetään ensisijaisesti tietokonetomografiaa (TT). TT-tutkimuksen ongelmana on potilaan altistuminen suhteellisen korkealle sädeannokselle, joka kasvaa kumulatiivisesti, jos kuvaus joudutaan toistamaan. Väitöskirjatyö selvittää uuden, aiemmin kliinisessä työssä rutiinisti lähinnä hampaiston ja kasvojen alueen kuvantamiseen käytetyn rajoitetun kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen. Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä osatyössä tutkittiin ja verrattiin kahden kroonisia ja postoperatiivisia korvainfektioita aiheuttavan bakteerin, Staphylococcus aureuksen ja Pseudomonas aeruginosan, in vitro adherenssia titaanin, silikonin ja kahden eri biohajoavan polymeerin (PLGA) pintaan. Lisäksi tutkittiin materiaalien albumiinipinnoituksen vaikutusta adherenssiin. Kolmannessa osatyössä tutkittiin eläinmallissa PLGA:n biokompatibiliteettia eli kudosyhteensopivuutta kokeellisessa välikorvakirurgiassa. Chinchillojen välikorviin istutettiin PLGA-materiaalia, eläimiä seurattiin, ja ne lopetettiin 6 kk:n kuluttua operaatiosta. Biokompatibiliteetin arviointi perustui kliinisiin havaintoihin sekä kudosnäytteisiin. Neljännessä osatyössä tutkittiin kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen vertaamalla sen tarkkuutta perinteisen spiraali-TT:n tarkkuuteen. Molemmilla laitteilla kuvattiin ohimo- eli temporaaliluita korvan alueen kliinisesti ja kirurgisesti tärkeiden rakenteiden kuvantumisen tarkkuuden arvioimiseksi. Viidennessä osatyössä arvioitiin myös operoitujen temporaaliluiden kuvantumista kartiokeila-TT:ssa. Bakteeritutkimuksissa PLGA-materiaalin pintaan tarttui keskimäärin korkeintaan saman verran tai vähemmän bakteereita kuin silikonin tai titaanin. Albumiinipinnoitus vähensi bakteeriadherenssia merkitsevästi kaikilla materiaaleilla. Eläinkokeiden perusteella PLGA todettiin hyvin siedetyksi välikorvassa. Korvakäytävissä tai välikorvissa ei todettu infektioita, tärykalvon perforaatioita tai materiaalin esiin työntymistä. Kudosnäytteissä näkyi lievää tulehdusreaktiota ja fibroosia implantin ympärillä. Temporaaliluutöissä rajoitettu kartiokeila-TT todettiin vähintään yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin spiraali-TT välikorvan ja sisäkorvan rakenteiden kuvantamisessa, ja sen aiheuttama kertasäderasitus todettiin spiraali-TT:n vastaavaa huomattavasti vähäisemmäksi. Kartiokeila-TT soveltui hyvin välikorvaimplanttien ja postoperatiivisen korvan kuvantamiseen. Tulokset osoittavat, että PLGA on välikorvakirurgiaan soveltuva, turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali. Biomateriaalien pinnoittaminen albumiinilla vähentää merkittävästi bakteeriadherenssia niihin, mikä puoltaa pinnoituksen soveltamista implanttikirurgiassa. Kartiokeila-TT soveltuu korvan alueen kuvantamiseen. Sen tarkkuus kliinisesti tärkeiden rakenteiden osoittamisessa on vähintään yhtä hyvä ja sen potilaalle aiheuttama sädeannos pienempi kuin nykyisen korva-spiraali-TT:n. Tämä tekee menetelmästä spiraali-TT:aa potilasturvallisemman vaihtoehdon erityisesti, jos potilaan tilanne vaatii seurantaa ja useampia kuvauksia, ja jos halutaan kuvata rajoitettuja alueita uni- tai bilateraalisesti.

Polylactic- and polyglycolic acid-based degradable biomaterials are in wide clinical use especially in orthopedic and craniomaxillofacial surgery, and in general they have proved to be safe and well-tolerated implant materials. Thus far, they have not been used in reconstructive human middle ear surgery. Common problems related to implant surgery are microbial biofilm formation on medical implants in vivo and subsequent infection. A postoperative implant infection often leads to re-operation and implant removal. The present thesis clarifies the surface properties of polylactic-glycolic acid (PLGA) in relation to bacterial adherence—the first step in biofilm formation—and the biocompatibility of the material in the middle ear. Furthermore, a new application has been studied for imaging of the middle ear with a lower radiation dose than with the present computed tomography (CT) of the ear. This method, cone-beam computed tomography (CBCT), has been used particularly in dental and maxillofacial imaging, where it allows accurate, 3D imaging of a defined area. The first two studies of this thesis tested in vitro adherence of two common pathogens of a chronically or postoperatively infected ear, Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, onto the surfaces of PLGA and of two common implant materials used in ear surgery: silicone and titanium. In addition, the effect of albumin coating on adherence to these materials was tested and compared. Next, applicability of the PLGA material to reconstructive middle ear surgery was explored by study of its biocompatibility in the middle ear in an animal model in which chinchillas were operated on, followed-up, and killed at 6 months postoperatively. Biocompatibilities of the implanted materials were evaluated according to clinical and histological findings. Suitability of the CBCT for imaging of the ear was tested by imaging human cadaver temporal bones and comparing scaled accuracies of the images created by CBCT with those constructed with traditional multislice helical CT. There proved to be no more bacterial adherence in vitro to the PLGA materials tested than to silicone and titanium. Albumin coating significantly reduced bacterial adherence to every material tested. The biocompatibility of PLGA in the middle ear of the chinchilla was very good. In histological samples, only a mild inflammatory reaction was evident around the degrading PLGA plates. Clinically, no infections or extrusion of the implanted material occurred. Limited CBCT was found to be at least as accurate as conventional multislice helical CT in showing the clinically and surgically important landmarks of the middle and inner ear. The effective radiation dose was essentially lower with the CBCT than with the helical CT used in this study. Visualization of the middle ear structures and implants of operated temporal bones was clear and of diagnostic value. Based on the results of the thesis, it can be concluded that PLGA is a safe and well-tolerated implant material in the middle ear area, and there is no greater in vitro adherence of S. aureus and P. aeruginosa to PLGA surfaces than to titanium and silicone. In addition, coating of these materials with albumin means that adherence of the bacteria to their surfaces can be substantially reduced, suggesting that this method may be useful in implant surgery as a preventive maneuver against postoperative infections. Furthermore, CBCT seems to be a promising new method for imaging the structures of the temporal bone. The diagnostic accuracy of CBCT corresponds to that of helical CT, while the radiation dose to patient per investigation remains lower with CBCT. Focused imaging with the lesser radiation exposure expands the possibilities for imaging the ear, especially when follow-up and limited uni- or bilateral examination is needed.