Quantitative study on rat abdominal fascia thickness after biomaterial implantation – in pursuit of pelvic organ prolapse treatment

Abstract

Pelvic organ prolapse (POP) is a medical condition, in which the symptoms are caused by descended pelvic organs. The descent results from lost normal support of the pelvic floor tissues, as the quality of connective has reduced due to impaired collagen metabolism. The condition affects up to 50 % of women over the age of 50, and even up to 11-19 % of women end up having surgical treatment for POP. Yet the current native tissue surgical repair methods are prone to relapse. In the surgical treatment of POP, the repairs may use biomaterial grafts to support the prolapse. These surgical biomaterials often are non-absorbable polypropylene (PP) surgical meshes, which have been linked to various complications such as infection, erosion through the vaginal wall and pain. Due to the shortcomings of PP meshes, in this thesis perforated PLCLA2P membranes were studied as a possible alternative material. The PLCLA2P membranes are made of a biodegradable poly(l-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) polymer and were embedded with ascorbic acid 2- phosphate (A2P) to possibly promote collagen production of the tissues. The aim of the thesis was to study the potential of PLCLA2P membranes for POP treatment purposes and to analyze their effects on the rat abdominal fascia thickness in vivo. Previous in vitro studies have promisingly demonstrated A2P to have collagen-promoting qualities, however to our knowledge, there are no previous in vivo studies on PLCLA2P membranes. The effects of PLCLA2P membranes on the fascia thickness were evaluated from pre-existing histological samples stained with Masson-trichrome. The samples are from a yet unpublished in vivo study studying PLCLA2P membranes with a rat model. Biomaterials in the study, plain PLCL, PLCLA2P membranes and clinically used PP mesh, were implanted on the rat abdominal fascia and samples were from 1 week, 1 month and six months. In this thesis, the effects of the possible biomaterials on the entire fascia and the collagen in the fascia were evaluated by measuring their thickness using QuPath software. Additionally, the thickness of plain PLCL and PLCLA2P membranes were measured to study their biodegradation process. The results of this thesis indicate that the thickness of collagen and the fascia at six months appeared to be highest in the group with plain PLCL and not in the groups with PLCLA2P membranes as expected. However, collagen and fascia thickness were still higher in the groups with PLCLA2P membranes compared to the group with PP mesh or in a SHAM group without materials. The thickness of collagen in all study groups did not continuously increase over time but instead decreased from initial thickness values at 1 week. An unexpected result of the thesis was that an apparent amount of fat was found in the fascia in all test groups at six months. The results of biomaterial degradation did not demonstrate the biodegradation process over time as anticipated, and therefore measurement method appears to not have been the most suitable for this purpose. In future research, more accurate and less subjective study methods, which would also consider the quality and collagen types, are recommended. The collagen production enhancing qualities of PLCLA2P membranes were not visible from the results of thickness of collagen. However, the results of this thesis only describe the thickness of the collagen and the quality, or the formation of collagen was not considered. Therefore, conclusions on the suitability of PLCLA2P membranes for POP treatment purposes cannot be made solely based on the results of this thesis. To fully estimate the potential of PLCLA2P membranes in POP treatment, further research on their effects in vivo is necessary.

Jopa 50 %:lla yli 50 vuotiaista naisista havaitaan lantionpohjan laskeuma (engl. pelvic organ prolapse, POP) gynekologisen tutkimuksen perusteella ja 11–19 % naisista joutuu elinaikanaan laskeuman vuoksi leikkaukseen. POP-potilaiden lantionpohjan kudoksissa kollageenin tuotanto toimii poikkeuksellisesti ja näin sidekudoksen laatu on heikentynyt. Tuen puute johtaa lantionpohjan elimien pullistumiseen paikoiltaan, mikä aiheuttaa POP:ille tyypillisiä oireita kuten seksuaalisia toimintahäiriöitä tai ongelmia pidätyskyvyssä. Leikkaushoidossa lantionpohjan tukemiseksi voidaan käyttää apuna biomateriaaleja, jotka ovat useimmiten biohajoamattomia polypropeenista (PP) valmistettuja kirurgisia verkkoja. Kuitenkin PP-verkkojen käyttöön liitetään korkea riski moniin komplikaatioihin kuten kipuun ja infektioihin. PP-verkkojen puutteiden vuoksi tässä kandidaatintutkielmassa on tutkittu PLCLA2P -reikäkalvoja mahdollisena vaihtoehtoisena siirremateriaalina. PLCLA2P-reikäkalvot ovat valmistettu biohajoavasta poly(l-laktidi-ko-ε- kaprolaktoni):sta (PLCL) ja niihin on upotettu kollageenituotannon edistämiseksi askorbiinihappo- 2-fosfaattia (A2P). Tutkielman tavoitteena oli tutkia PLCLA2P -reikäkalvojen potentiaalia POP:in kirurgiseen hoitoon, sekä analysoida kalvojen vaikutuksia sidekudoksen paksuuteen in vivo. Aiemmat lupaavat in vitro -tutkimukset ovat osoittaneet A2P:llä olevan kollageenin tuotantoa edistäviä ominaisuuksia, mutta tämänhetkisen tiedon mukaan PLCLA2P -kalvoja ei ole aiemmin tutkittu in vivo -tutkimuksena. PLCLA2P -kalvojen vaikutuksia sidekudoksen paksuuteen tutkittiin valmiista histologisista näytteistä, jotka ovat peräisin toistaiseksi julkaisemattomasta PLCLA2P -kalvoja tutkivasta in vivo -tutkimuksesta. Tässä julkaisemattomassa tutkimuksessa kalvoja tutkittiin implantoimalla rottien vatsan sidekudokseen PLCLA2P -kalvojen lisäksi PLCL-kalvoja ilman A2P:tä sekä kliinisesti käytettävää PP-verkkoa. Näytteet rotista on otettu 1 viikon, 1 kuukauden ja 6 kuukauden kohdalla ja värjätty Masson trichrome -värjäyksellä. Tässä tutkielmassa biomateriaalien vaikutusta sidekudoksen paksuuteen tutkittiin mittaamalla sidekudoksen sekä sidekudoksen kollageenin paksuus näistä valmiista näytteistä QuPath-ohjelmalla. Lisäksi PLCL- ja PLCLA2P -kalvojen paksuus mitattiin biohajoamisprosessin tutkimiseksi. Tutkimuksen tulosten perusteella korkein kollageenin ja sidekudoksen paksuus kuuden kuukauden kohdalla vaikuttaisi olleen PLCL-kalvojen testiryhmässä PLCLA2P ryhmien sijaan. PLCLA2P -kalvoryhmissä kollageenin paksuus vaikuttaisi kuitenkin olleen korkeampi verrattuna PP-verkkoja sisältäneeseen ryhmään tai SHAM-kontrolliryhmään. Kollageenin paksuus vaikutti laskevan kaikissa ryhmissä aikapisteiden välillä niin, että lopullinen kollageenin paksuus oli ryhmissä matalampi kuin alun perin viikolla 1. Odottamaton tulos oli, että kaikkien ryhmien sidekudoksen paksuudesta 6 kuukauden kohdalla huomattava osa oli rasvakudosta. Käytetty tutkimusmenetelmä ei ollut optimaalinen biohajoavien materiaalien hajoamisprosessin seurantaan, minkä vuoksi jatkotutkimuksiin suositellaankin käyttämään toista menetelmää biohajoamisen mittaukseen. Lisäksi jatkotutkimuksissa kollageenin tutkimiseen suositellaan objektiivisempaa menetelmää, joka myös erottelisi kollageenin tyypin sekä huomioisi laadun. Vaikka aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet PLCLA2P -kalvoilla olevan kollageenin tuotantoa tehostavia vaikutuksia, eivät nämä vaikutukset olleet suoraan nähtävissä kollageenin paksuudessa. Tutkielman tulokset kuvaavat kuitenkin ainoastaan kollageenin paksuutta, ja yksin tämän tutkimuksen tulosten perusteella ei voida tehdä johtopäätöksiä PLCLA2P -kalvojen soveltuvuudesta POP:in hoitoon. Kalvojen vaikutuksia in vivo tulee tutkia lisää niiden todellisen potentiaalin kartoittamiseksi.