Minimally Invasive Catheter-Based Technologies

• A simple incision procedure in a blood vessel makes the entire vascular system accessible. Through contrast injection and X-ray visualization, the vascular tree can be mapped and navigated through manual manipulation of thin tubes and wires. This utilization of the vasculature as internal pathways is commonly referred to as the endovascular technique. This technique can be used to deliver implants and drugs, retrieve problematic lesions or objects from the vasculature, or take tissue samples. Compared to open surgery, the advantage of this technique lies in the reduced invasiveness, ideally only leaving a small incision scar at the point of entry. Some interventions, however, are still associated with certain risks, requiring medication or complicating further interventions. The development of sequencing technologies presents an opportunity to improve and miniaturize devices, reducing invasiveness. This thesis aims to mitigate these risks and capitalize on the potential of next generation sequencing through microfabrication technologies, producing devices that are less invasive than current methods or that enable a new procedure.Initially, the aspect of endovascular heart biopsy is covered. The first work presents the fabrication and in vivo evaluation of a nitinol-based catheter device designed for extracting myocardial tissue. The device is fabricated through picosecond laser machining of nitinol tubes and wires, producing a device that is substantially smaller than what is currently used. The samples are evaluated and compared to samples extracted with conventional devices through RNA-Sequencing, verifying the proof of concept. The second work further emphasizes the device's functionality by evaluating it in a disease model of endomyocardial infarction. Tissue that is affected by the infarct and surrounding healthy tissue is extracted and compared in terms of its genetic expression. This comparison reveals a genetic discrepancy between the sick and healthy tissue, verifying the potential of using the device with RNA-sequencing for diagnostic purposes. The third work evaluates the safety aspects of the novel device in a head-to-head comparison with a conventional device. The study reveals a clear benefit of using the smaller device in terms of the complication rate during the procedure.The fourth work presents the fabrication and in vivo evaluation of another nitinol based catheter device designed for endothelial cell sampling. The device is fabricated through two-photon polymerization technologies, producing sub-mm brush structures mounted on a nitinol wire. Currently, there are no devices in clinical use that are capable of exclusively extracting endothelial cells. The novel device presents a solution for selective interaction with the innermost layer of the blood vessel. It represents an important step toward sampling endothelial cells for diagnostic and research purposes.The fifth and sixth works collectively present two different aspects of a third nitinol based catheter device designed to sample tissue from soft organs anywhere in the body. The device is fabricated using laser micromachining, grinding, and two-photon polymerization. The work is separated in terms of the in vivo evaluation and the technical solution. The technical aspects of the device are examined in terms of force generation in miniaturized catheter systems and the problems that arise in terms of mechanical scaling. These problems are solved by attaching pistons along the wire surface coupled with applied pressure to increase the force generated. The sampling with this device is realized, similar to the fourth work, with sub-mm brushes mountedon the wire. In vivo evaluation of this device reveals successful sampling of minute tissue quantities from the liver and kidney, in the size range of 10-100 cells per sample.The seventh work presents the in vivo and in vitro performance of a nanostructure coating on nitinol-based stents. Patients with a stent implant are prescribed an extensive medication regimen to counteract the metal implant's effects on the blood and surrounding tissue. This issue is being continuously targeted by new stent platforms, either with a drug-eluting polymer layer or by being resorbable by the body or through various other means. These implants all have a transient behavior, resulting in different issues over time. Paper VII presents an alternative approach to this problem by instead applying a nanostructure coating that is designed to interact with the blood to a much lesser degree, as demonstrated by CT-angiography and the measurement of multiple biomarkers.

• Med ett snitt i ett blodkärl tillgängliggörs hela kärlsystemet. Genom kontrastinjektion och röntgenvisualisering kan man kartlägga och navigera kärlträdet med hjälp av manuell manipulation av tunna rör och trådar. Användandet av kärlträdet som interna vägar kallas i dagligt tal för den endovaskulära tekniken. Med denna teknik kan man leverera implantat och mediciner, extrahera problematiska lesioner eller objekt, eller ta vävnadsprover. Jämfört med öppen kirurgi så är fördelen med denna teknik den minskade invasiviteten, där ett litet sår vid ingången till kärlträdet är det enda som återstår, i idealfallet. Vissa procedurer är dock fortfarande förknippade med vissa risker som kräver medicinering eller som försvårar vidare behandlingar. Utvecklingen av sekvenseringstekniker möjliggör förbättring och miniatyrisering av verktyg och på så sätt en minskning av dess invasivitet. Denna avhandling ämnar att minska riskerna som förknippas med endovaskulära procedurer och att kapitalisera på potentialen som sekvensering representerar. Genom tekniker för mikrofabrikation tillverkas verktyg som är mindre invasiva än nuvarande metoder eller som möjliggör en ny procedur.Inledningsvis kommer endovaskulär hjärtbiopsi att beskrivas. Det första arbetet presenterar tillverkningen och in vivo-utvärderingen av ett nitinol-baserat kateterverktyg designat för att extrahera vävnad från myokardiet. Verktyget är tillverkat med laserbearbetning av nitinolrör och trådar, med hjälp av en pikosekundlaser. Verktyget är avsevärt mindre än de som används kliniskt idag. Proverna som tas utvärderas och jämförs med prover som tas med konventionella verktyg genom RNA-Sekvensering, där konceptets genomförbarhet bevisas. Det andra arbetet fördjupar utvärderingen av verktygets funktionalitet genom att utvärdera det i en sjukdomsmodell, specifikt en modell av hjärtinfarkt. Vävnad som påverkas av infarkten och omkringliggande, frisk vävnad extraheras med verktyget och dess genuttryck jämförs. Denna jämförelse avslöjar en genetisk diskrepans mellan sjuk och frisk vävnad, vilket verifierar potentialen med att använda RNA-sekvensering för diagnostik. Det tredje arbetet utvärderar säkerhetsaspekterna hos det nya verktyget genom en direkt jämförelse med det konventionella verktyget. Studien visar på en klar fördel i att använda det nya verktyget med avseende på incidensen av komplikationer under proceduren.Det fjärde arbetet presenterar tillverkningen och in vivo-utvärderingen av ytterligare ett nitinol-baserat kateterverktyg designat för att provtagning av endotelceller. Verktyget tillverkas med hjälp av tvåfotonpolymerisering, där sub-mm borststrukturer tillverkas och monteras på nitinoltråd. För närvarande finns inga verktyg i kliniskt bruk som klarar att selektivt extrahera endotelceller. Det nya verktyget presenterar en lösning för att selektivt interagera med det innersta lagret av blodkärlet och motsvarar ett viktigt steg mot provtagning av endotelceller för diagnostiska syften och för forskning.Det femte och sjätte arbetet presenterar två aspekter av ett tredje nitinol-baserat kateterverktyg designat för att ta prover från mjuka organ i kroppen. Verktyget tillverkas med laserbearbetning, slipning och tvåfotonpolymerisering. Arbetena är separerade i in vivo-utvärderingen och den tekniska lösningen. De tekniska aspekterna av verktyget utvärderas vad gäller kraftgenerering hos miniatyriserade kateter-system och de problem som uppstår med mekanisk skalning. Dessa problem löses genom att tillsätta pistonger längs tråden och applicera ett tryck för att öka kraftgenereringen. Provtagningsmekanismen liknar den som presenteras i det fjärde arbetet, där liknande sub-mm borststrukturer tillsatts på en tråd. In vivo-utvärdering av verktyget visar på framgångsrik provtagning från lever och njure, i storleksordningen 10-100 celler per prov.Det sjunde arbetet presenterar in vivo- och in vitro-utvärderingen av en nanostruktur-beläggning på nitinol-baserade stentar. Patienter med ett stentimplantat ordineras en extensiv medicinering för att kontra effekterna som implantatet har på blodet och omkringliggande vävnad. Nya stentplattformar utvecklas löpande för att kontra dessa effekter, exempelvis genom beläggningen av ett polymerlager som innehåller medicin, genom resorberbara implantat och många andra sätt. Dessa implantat har ett transient beteende som resulterar i olika problem på längre sikt. Det sjunde arbetet presenterar en alternativ lösning till dessa problem genom att applicera en nanostruktur-beläggning som är designat att interagera med blodet till en mindre grad. Detta demonstreras med CT-angiografi och mätningen av flertalet blodmarkörer.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinsk bioteknologi -- Annan medicinsk bioteknologi (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Medical Biotechnology -- Other Medical Biotechnology (hsv//eng)

Nyckelord

Medicinsk teknologi

Medical Technology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)