Microsurgical Aneurysm Model in Rats and Mice: Development of Endovascular Treatment and Optimization of Magnetic Resonance Imaging

The rupture of a cerebral artery aneurysm causes a devastating subarachnoid hemorrhage (SAH), with a mortality of almost 50% during the first month. Each year, 8-11/100 000 people suffer from aneurysmal SAH in Western countries, but the number is twice as high in Finland and Japan. The disease is most common among those of working age, the mean age at rupture being 50-55 years. Unruptured cerebral aneurysms are found in 2-6% of the population, but knowledge about the true risk of rupture is limited. The vast majority of aneurysms should be considered rupture-prone, and treatment for these patients is warranted. Both unruptured and ruptured aneurysms can be treated by either microsurgical clipping or endovascular embolization. In a standard microsurgical procedure, the neck of the aneurysm is closed by a metal clip, sealing off the aneurysm from the circulation. Endovascular embolization is performed by packing the aneurysm from the inside of the vessel lumen with detachable platinum coils. Coiling is associated with slightly lower morbidity and mortality than microsurgery, but the long-term results of microsurgically treated aneurysms are better. Endovascular treatment methods are constantly being developed further in order to achieve better long-term results. New coils and novel embolic agents need to be tested in a variety of animal models before they can be used in humans. In this study, we developed an experimental rat aneurysm model and showed its suitability for testing endovascular devices. We optimized noninvasive MRI sequences at 4.7 Tesla for follow-up of coiled experimental aneurysms and for volumetric measurement of aneurysm neck remnants. We used this model to compare platinum coils with polyglycolic-polylactic acid (PGLA) -coated coils, and showed the benefits of the latter in this model. The experimental aneurysm model and the imaging methods also gave insight into the mechanisms involved in aneurysm formation, and the model can be used in the development of novel imaging techniques. This model is affordable, easily reproducible, reliable, and suitable for MRI follow-up. It is also suitable for endovascular treatment, and it evades spontaneous occlusion.

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.

Functional imaging of peripheral vision and dorsal stream function in the human cerebral cortex

Visual information processing in brain proceeds in both serial and parallel fashion throughout various functionally distinct hierarchically organised cortical areas. Feedforward signals from retina and hierarchically lower cortical levels are the major activators of visual neurons, but top-down and feedback signals from higher level cortical areas have a modulating effect on neural processing. My work concentrates on visual encoding in hierarchically low level cortical visual areas in human brain and examines neural processing especially in cortical representation of visual field periphery. I use magnetoencephalography and functional magnetic resonance imaging to measure neuromagnetic and hemodynamic responses during visual stimulation and oculomotor and cognitive tasks from healthy volunteers. My thesis comprises six publications. Visual cortex forms a great challenge for modeling of neuromagnetic sources. My work shows that a priori information of source locations are needed for modeling of neuromagnetic sources in visual cortex. In addition, my work examines other potential confounding factors in vision studies such as light scatter inside the eye which may result in erroneous responses in cortex outside the representation of stimulated region, and eye movements and attention. I mapped cortical representations of peripheral visual field and identified a putative human homologue of functional area V6 of the macaque in the posterior bank of parieto-occipital sulcus. My work shows that human V6 activates during eye-movements and that it responds to visual motion at short latencies. These findings suggest that human V6, like its monkey homologue, is related to fast processing of visual stimuli and visually guided movements. I demonstrate that peripheral vision is functionally related to eye-movements and connected to rapid stream of functional areas that process visual motion. In addition, my work shows two different forms of top-down modulation of neural processing in the hierachically lowest cortical levels; one that is related to dorsal stream activation and may reflect motor processing or resetting signals that prepare visual cortex for change in the environment and another local signal enhancement at the attended region that reflects local feed-back signal and may perceptionally increase the stimulus saliency.