Cellular alteration after experimental directional peripheral atherectomy

Abstract

Cellular alterations play a pivotal role in restenosis after angioplasty. In order to investigate the early ultrastructural changes, directional atherectomy was performed in 20 pigs (body weight 25–34 kg) without arterial disease. We used the technique developed by Simpson, varying the depth of lesion (intimal lesion, group 1 and medial lesion, group 2) by inflation pressure (0–3 atm) and number of passes. After 4 to 24 hours the treated arteries were removed. A total of 60 arteries (group A: art. carotis, n = 30 and group B: art. femoralis, n = 30) were processed for transmission electron microscopy.

We encountered a transient infiltration of polymorphonuclear leucocytes (PMN) starting in the first few hours (maximum at 10 hours: 186/100 µm², group 2B vs. 84/100 µm² group 1 A; p < 0.001) followed by ultrastructural alterations of the smooth muscle cells located in the media (fc) with hypodense nuclei and an increasing quotient of cytoplasmic organelles/myofilaments indicating a secretory phenotype (up to 81% of all fibroblastoid cells after 24 hours). These alterations were more pronounced in muscular arteries than in elastic vessels and cases where the catheter had partially removed the internal elastic lamina. Cellular alteration starts with thrombus formation followed by a transient PMNinfiltration followed by phenotypic changes of fibroblastoid cells. Secretory type of smooth muscle cells are a characteristic of the examined lesions. These findings are consistent with the findings in human restenotic tissue. Changes are more pronounced if internal elastic lamina is altered; therefore, careful ablation and medical prophylaxis immediately after intervention should be used to prevent restenosis.

Zusammenfassung

Zelluläre Veränderungen spielen möglicherweise eine entscheidende Rolle bei der Restenoseentstehung nach Angioplastie. Zur Untersuchung der frühen ultrastrukturellen Veränderungen wurden gerichtete Atherektomien an 20 Schweinen (Gewicht: 25–34 kg) ohne vorbestehende Gefäßerkrankungen durchgeführt. Die Technik nach Simpson wurde verwendet und die Läsionstiefe durch Wahl von Kathetergröße, Inflationsdruck und Anzahl der Ablationsvorgänge variiert (Gruppe 1: Intima; Gruppe 2: Media). Die Versuche wurden nach Latenzzeiten zwischen 4 und 48 Stunden beendet und insgesamt 60 Arterien (Art. carotis n = 30, Gruppe A und Art. femoralis n = 30, Gruppe B) entnommen, fixiert und durch Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Es fand sich eine transiente Infiltration polymorphkerniger Leukozyten, die nach vier Stunden begann (Maximum bei 10 Stunden: 186/100µm², Gruppe 2B vs. 84/100 µm² Gruppe 1A; p < 0,001), gefolgt von ultrastrukturellen Veränderungen der glatten Muskelzellen in der Media. Hypodense Zellkerne und eine Zunahme des Quotienten Organellen/Myofilamente bei bis zu 81% aller glatten Muskelzellen waren nach 24 Stunden zu finden. Diese Alterationen waren bei Arterien vom muskulären Typ deutlich stärker ausgeprägt als bei solchen vom elastischen Typ; ebenso wenn die Lamina elastica interna mit dem Katheter verletzt wurde (Gruppe 2B). Bereits nach kurzer Latenzzeit resultierten Gefäßwandverdickungen.

Die Untersuchung spricht dafür, daß polymorphkernige Leukozyten bei der Induktion zellulärer Veränderungen beteiligt sind, insbesondere nach Verletzung der Lamina elastica interna. Modulierte glatte Muskelzellen mit ausgeprägten sekretorischen Eigenschaften sind ein wesentlicher Bestandteil der untersuchten Gefäßsegmente. Dieser Befund konnte auch in humanem Restenosegewebe erhoben werden. Eine selektive Ablation arteriosklerotischen Gewebes und eine unmittelbar einsetzende medikamentöse Prophylaxe sollten demnach zur Restenoseprophylaxe eingesetzt werden.

Supported by Sanderstiftung, grant No. 90.026.1 and Deutsche Herzstiftung, grant Dr. Gonschior / Gefördert durch Sonderstiftung Sachhilfeantrag Nr. 90.026.1 und Deutsche Herzstiftung