Ga door naar hoofdcontent
LiteratuurM. Huikeshoven – Transmyocardial Laser Revascularisation; Experimental And Clinical Studies

M. Huikeshoven – Transmyocardial Laser Revascularisation; Experimental And Clinical Studies

Afbeelding voor M. Huikeshoven – Transmyocardial Laser Revascularisation; Experimental And Clinical Studies


Chapter I starts with a general introduction to the clinical problem of angina pectoris and the various (historical) treatment methods that are used. Furthermore, it provides a general introduction to transmyocardial laser revascularisation (TMLR) and describes the aim and structure of the thesis.

Chapter II provides an extensive and critical overview of the experimental research that has been published on transmyocardial revascularisation (using lasers or other methods). In the past 35 years many experimental studies have been performed to investigate the revascularisation potential of transmyocardial revascularisation and the possible working mechanisms underlying the observed clinical improvement in angina pectoris following this treatment. The various methods that have been used to create transmyocardial channels are described and the most investigated and supported hypotheses of the working mechanism (i.e. perfusion from the left ventricle through patent and endothelialised channels, laser-induced angiogenesis resulting in an increased vessel density and blood supply and laser-induced destruction of myocardial nociceptors and/or neural tissue resulting in a decrease of angina) are discussed and evaluated. The conclusion of the review is that important experimental evidence has been published supporting both the angiogenesis and the denervation hypothesis.

Chapter III describes the evaluation of the spontaneously hypertensive rat (SHR) as an animal model for TMLR research. Animal models currently used in TMLR research lack the typical morphologic characteristics observed in patients with chronic myocardial ischaemia, i.e. increased myocardial fibrosis. As this morphologic pathology has also been described to occur in patients with systemic hypertension, we have investigated the suitability of a hypertensive animal, the SHR, as an animal model for TMLR research. The myocardial pathology of the SHR was compared with the myocardial pathology of 3 TMLR (eligible) patients, as well as the reaction to TMLR in SHR and human myocardium. Furthermore, we used a specific hypoxia stain to compare SHR myocardium to (healthy) Wistar rat myocardium. The results showed that SHR myocardium and myocardium of patients with chronic ischaemia have comparable myocardial characteristics, i.e. hypertrophy and fibrosis. The myocardial reaction to TMLR was similar in SHR and TMLR patients, showing comparable morphology of fibrotic TMLR channel remnants. The hypoxia staining method showed more hypoxic cells in SHR than in Wistar control myocardium. In conclusion, the similarities between SHR and human chronic ischaemic myocardium make the SHR a suitable model for TMLR research.

In chapter IV a new surgical technique is presented to perform open-heart surgery on laboratory rats. Access to the heart in laboratory rats (in survival experiments) is usually performed via a median sternotomy or a lateral thoracotomy. However, relatively high operative mortality and insufficient access can limit the use of these techniques. An alternative, less traumatic approach to the in vivo rat heart, with improved survival, is described. The technique uses a median laparotomy extending alongside the xyphoid bone. The xyphoid bone is retracted in a rostral direction and a T-shaped cut is made in the diaphragm, opening the thoracic cavity. Using a retractor the opening in the diaphragm is kept open and the heart is exposed. This abdominal approach was performed in 23 anaesthetised and mechanically ventilated (for 2 hours) rats and we found physiologic intra-operative heamodynamics, a good post-operative recovery and 0% mortality.

Chapter V describes an investigation of the angiogenic effect of CO2, Ho:YSGG and XeCl excimer TMLR in the spontaneously hypertensive rat. Two channels were created per heart and the animals were sacrificed after 14 days. Vessels (both in- and excluding capillaries) in TMLR channel scars were counted and correlated to the surface area size of the scar (resulting in a vessel density). Furthermore, extension of vascular growth outside the channel scars was assessed. Ho:YSGG TMLR resulted in the largest scars, followed by CO2 and excimer scars. Although the vessel numbers including capillaries in the scars differed between the three lasers, these differences disappeared (~ 130 vessels / mm2 in all 3 groups) when they were correlated to the size of the scars. However, the vessel densities were much lower than in control areas (~ 2100 vessels / mm2). Vessel densities excluding capillaries were significantly higher in Ho:YSGG and CO2 scars compared to excimer scars (10.2 ± 4.8, 7.1 ± 5.2 and 2.3 ± 4.4 respectively, p < 0.05), while only Ho:YSGG scars contained significantly more large vessels than control areas (10.2 ± 4.8 vs. 4.6 ± 1.3, p < 0.001). In all 3 groups, extension of vascular growth into adjacent myocardium was observed only rarely. These results indicate that the angiogenic response following TMLR is limited to the channel scar and related to the scar size rather than the specific laser type that is used to create the channels. Therefore, any beneficial effect of TMLR-induced angiogenesis is expected to occur only with relatively large scars. Such scars can however likely be created with any of the 3 laser types by varying the specific laser-settings.

Chapter VI gives an overview of the current clinical TMLR literature. It describes and compares both uncontrolled studies on CO2, Ho:YAG and XeCl excimer TMLR as well as the randomised CO2 or Ho:YAG laser clinical trials that have been published. The conclusion of this chapter is that all studies with the 3 clinically used lasers report relief of angina in the majority of patients, combined with a low peri-operative mortality. Therefore, we conclude that, after a proper selection of patients, TMLR can be performed safely and effectively and should be the treatment of choice in selected patients.

Chapter VII describes a histological case report of a patient that died 3 months after XeCl excimer TMLR. In the treated myocardium, no patent channels were found but scars were seen with a linear distribution and in continuity with circumscribed small fibrotic endocardial and epicardial scars. The scars were highly vascularised by new vessels, ranging from small capillaries to large thin walled, and sometimes branching ectatic vessels. Sprouting of vessels into the adjacent myocardium was also observed. These results support the hypothesis that angiogenesis plays a role in the clinical improvement after TMLR.

In chapter VIII a clinical study investigating TMLR-induced changes in innervation is described. In 8 patients, Ho:YAG or XeCl excimer TMLR was performed and myocardial innervation (using 123I-MIBG SPECT scintigraphy), perfusion (using 99Tc-TF SPECT scintigraphy), and function (using stress echocardiography) were assessed pre- and post-operatively. Post-operative 123I-MIBG SPECT scintigraphy demonstrated myocardial denervation in all 8 patients (p = 0.00005). Using a segmental comparison of denervation and TMLR-treated area, we found that 86% of denervated segments could be correlated to TMLR. Myocardial perfusion scintigraphy and stress-echocardiography did not change significantly. In all patients angina was reduced with ≥ 2 classes at 12 months follow up and quality of life improved significantly. In conclusion, TMLR-induced improvements of angina and quality of life may be explained by destruction of nociceptors or cardiac neural pathways.

Chapters IX-A and IX-B describe the results of a randomised clinical trial investigating XeCl excimer TMLR as a treatment for severe refractory angina pectoris. Thirty patients with NYHA functional class III-IV/IV angina, a reversible defect on 99Tc-TF SPECT perfusion scintigraphy, a left ventricular ejection fraction (EF) ≥ 35% and no option for PTCA or CABG were randomised to excimer TMLR with maximal anti-anginal medication (n = 15) or continued maximal anti-anginal medication alone (n = 15). Patients were followed during one year with assessment of angina class, quality of life (described separately in chapter IX-B), myocardial perfusion scintigraphy, exercise tolerance and stress echocardiography. One TMLR patient died peri-operatively versus none in the controls. In the TMLR group angina decreased from class 3.8 ± 0.4 at baseline to 1.9 ± 0.9 at 12 months, versus 3.9 ± 0.3 to 3.7 ± 0.6 respectively in the control group (p < 0.01). At 12 months, a decrease of ≥ 2 angina classes was found in 12 out of 14 (79%) TMLR patients versus none of the controls (p < 0.01). A decrease in wall motion abnormality score was found without improvement in myocardial perfusion or exercise time. At 12 months, improvement in the 3 used QOL questionnaires was significantly higher in the TMLR group vs. the control group (chapter IX-B). These results show that XeCl excimer TMLR is very effective in reducing anginal symptoms and improving QOL in the selected patient group, with results that are comparable to CO2 and Ho:YAG TMLR.

Finally, in chapter X the research described in this thesis is evaluated in a general discussion. In conclusion, TMLR using an excimer laser has been proven to be an effective treatment for the reduction of anginal symptoms and the improvement of quality of life in patients with severe refractory angina pectoris. Concerning the underlying working mechanism of this clinical improvement, we have found supporting evidence for both major hypotheses (i.e. angiogenesis and denervation). However, based on the research presented in this thesis as well as other literature concerning this subject, we believe that the strongest evidence for the mechanism underlying the clinical improvement observed after TMLR has been provided for the denervation hypothesis.


Hoofdstuk I begint met een algemene introductie over angina pectoris en de verschillende (historische) behandelmethoden die hiervoor gebruikt worden. Verder geeft dit hoofdstuk een korte introductie tot transmyocardiale laser revascularisatie (TMLR), het onderwerp van dit proefschrift, en worden de doelstellingen en de opbouw van het proefschrift beschreven.

Hoofdstuk II geeft een uitgebreid en kritisch overzicht van het experimentele onderzoek dat is gepubliceerd over transmyocardiale revascularisatie (m.b.v. lasers of andere methoden). In de afgelopen 35 jaar is veel experimenteel onderzoek verricht naar het werkingsmechanisme dat ten grondslag ligt aan de klinische verbetering m.b.t. afname van angina pectoris die gezien wordt na deze behandeling. De verschillende methoden die zijn gebruikt om transmyocardiale kanalen te creëren worden beschreven en de meest onderzochte en ondersteunde hypothesen voor het werkingsmechanisme (te weten perfusie vanuit de linker ventrikel via open en geëndothelialiseerde kanalen, laser-geïnduceerde angiogenese met als gevolg een toegenomen vaatdichtheid en bloedtoevoer en laser-geïnduceerde destructie van myocardiale pijnreceptoren en/of zenuwweefsel met als gevolg een afname van de angineuze pijnklachten) worden besproken en geëvalueerd. De conclusie van het hoofdstuk is dat er belangrijk experimenteel bewijs is gepubliceerd voor zowel de angiogenese als de denervatie hypothese.

Hoofdstuk III beschrijft de evaluatie van de spontaan hypertensieve rat (SHR) als diermodel voor TMLR onderzoek. De diermodellen die momenteel gebruikt worden voor TMLR onderzoek missen de typische morfologische kenmerken die gezien worden in patienten met chronische myocardiale ischemie, namelijk een toegenomen myocardiale fibrose. Aangezien deze pathologie ook beschreven is bij patienten met systemische hypertensie hebben wij de geschiktheid van een hypertensief dier, de SHR, onderzocht als diermodel voor TMLR onderzoek. De myocardiale pathologie van SHR werd vergeleken met de myocardiale pathologie van 3 (voor) TMLR (in aanmerking komende) patiënten, alsook de reactie op TMLR in SHR en humaan myocard. Daarnaast hebben wij een speciale hypoxie-kleuring gebruikt om SHR myocard te vergelijken met myocard van (gezonde) Wistar ratten. De resultaten tonen dat SHR myocard en myocard van patiënten met chronische ischemie overeenkomstige pathologische kenmerken bezitten, namelijk hypertrofie en fibrose. De myocardiale reactie op TMLR was vergelijkbaar in SHR en TMLR patiënten, met een vergelijkbare morfologie van fibrotische TMLR kanaal restanten. De hypoxie kleuring toonde meer hypoxische cellen in SHR myocard dan in Wistar (controle) myocard. In conclusie maken de overeenkomsten tussen SHR en humaan chronisch ischemisch myocard de SHR een geschikt model voor TMLR onderzoek.

In hoofdstuk IV wordt een nieuwe chirurgische techniek gepresenteerd voor het uitvoeren van open-hart chirurgie bij laboratorium ratten. Toegang tot het hart bij laboratorium ratten wordt (in overlevings experimenten) meestal verkregen via een mediane sternotomie of een laterale thoracotomie. Echter, hoge operatie mortaliteit en onvoldoende toegang kunnen het gebruik van deze technieken beperken. Een alternatieve, minder traumatische benadering van het in vivo rattenhart, met een betere overleving, wordt beschreven. De techniek maakt gebruik van een mediane laparotomie die rostraal wordt doorgezet langs beide zijden van het xyfoid. Het xyfoid wordt opgetrokken in rostrale richting en d.m.v. een T-vormige incisie in het diafragma wordt de thoraxholte geopend. Gebruikmakend van een spreider wordt de opening in het diafragma opengehouden waarna het hart toegankelijk is. Deze operatie werd onder anesthesie uitgevoerd in 23 kunstmatig beademde (gedurende 2 uur) ratten en we vonden een fysiologische intra-operatieve hemodynamiek, een goed post-operatief herstel en 0% mortaliteit.

Hoofdstuk V beschrijft een onderzoek naar het angiogenetische effect van CO2, Ho:YSGG en XeCl excimer TMLR in de spontaan hypertensieve rat. Twee kanalen per hart werden gemaakt en de dieren werden na 14 dagen opgeofferd. De vaten (zowel in- als exclusief capillairen) in de TMLR kanaal restanten (littekens) werden geteld en gecorreleerd met het oppervlak van de littekens (resulterend in een vaatdichtheid). Verder werd de uitbreiding van vaatgroei naast de TMLR littekens gemeten. Ho:YSGG TMLR resulteerde in de grootste littekens, gevolgd door CO2 en excimer TMLR. Hoewel het aantal vaten inclusief capillairen in de littekens verschilde tussen de 3 lasers, deze verschillen verdwenen (~ 130 vaten / mm2 in alle 3 de groepen) wanneer dit gecorrigeerd werd voor de grootte van de littekens. Echter, de vaatdichtheid was veel lager dan in controle gebieden (~ 2100 vaten / mm2). De vaatdichtheden zonder capillairen waren significant groter in Ho:YSGG en CO2 littekens in vergelijking met excimer littekens (respectievelijk 10,2 ± 4,8, 7,1 ± 5,2 en 2,3 ± 4,4; p < 0,05), terwijl alleen Ho:YSGG littekens significant meer grote vaten bevatten dan controle gebieden (10,2 ± 4,8 versus 4,6 ± 1,3; p < 0,001). In alle 3 de groepen werd slechts zeer zelden uitbreiding van vaten naar het omringende myocard gezien. Deze resultaten geven aan dat de angiogenetische respons die volgt op TMLR beperkt is tot het kanaal-litteken en meer afhangt van de grootte van het litteken dan van het specifieke laser type dat gebruikt is om de kanalen te maken. Het kan daarom verwacht worden dat enig gunstig effect van TMLR-geïnduceerde angiogenese alleen optreedt met relatief grote TMLR littekens. Zulke littekens kunnen waarschijnlijk gemaakt worden met elk van de 3 laser typen door het variëren van de specifieke laser-instellingen.

Hoofdstuk VI geeft een overzicht van de klinische TMLR literatuur. Het beschrijft en vergelijkt zowel ongecontroleerde studies over CO2, Ho:YAG en XeCl excimer TMLR alsook gerandomiseerde CO2 en Ho:YAG laser studies die zijn gepubliceerd. De conclusie van dit hoofdstuk is dat alle studies naar de 3 klinische gebruikte lasers melding maken van afname van angina pectoris, gecombineerd met een lage peri-operatieve mortaliteit. Wij concluderen daarom dat, na zorgvuldige selectie van patiënten, TMLR veilig en effectief kan worden uitgevoerd en behandeling van keuze zou moeten zijn in geselecteerde patiënten.

Hoofdstuk VII beschrijft een histologisch case-report van een patient die 3 maanden na XeCl excimer TMLR is overleden. In het behandeld myocard werden geen open kanalen aangetroffen maar littekens met een lineaire distributie die in verbinding stonden met kleine fibrotische endocardiale en epicardial littekens. De littekens waren sterk gevasculariseerd met nieuwe bloedvaten, variërend van kleine capillairen tot grote dunwandige en soms vertakkende ectatische vaten. Uitgroei van vaten naar het omliggende myocard werd tevens gezien. Deze resultaten ondersteunen de hypothese dat angiogenese een rol speelt in de klinische verbetering na TMLR.

In hoofdstuk VIII wordt een klinische studie beschreven waar TMLR-geïnduceerde veranderingen in myocardiale innervatie werden onderzocht. In 8 patiënten werd Ho:YAG of XeCl excimer TMLR uitgevoerd en myocardiale innervatie (m.b.v. 123I-MIBG SPECT scintigrafie), myocardiale perfusie (m.b.v. 99Tc-TF SPECT scintigrafie) en functie (m.b.v. stress echocardiografie) werden pre- en post-operatief onderzocht. Post-operatieve 123I-MIBG SPECT scintigrafie toonde significante myocardiale denervatie in alle 8 patiënten (p = 0,00005). Gebruik makend van een segmentele vergelijking tussen denervatie en behandeld gebied vonden wij dat in 86% van de gedenerveerde segmenten de denervatie kon worden gecorreleerd aan de TMLR behandeling. Myocardiale perfusie scintigrafie en stress echocardiografie veranderden niet significant. In alle patiënten was angina pectoris met ≥ 2 klassen afgenomen 12 maanden na TMLR en de kwaliteit van leven significant verbeterd. Concluderend kunnen de TMLR-geïnduceerde verbeteringen in angina pectoris en kwaliteit van leven verklaard worden door cardiale denervatie.

Hoofdstukken IX-A en IX-B beschrijven de resultaten van een gerandomiseerde klinische studie naar XeCl excimer TMLR als behandeling voor ernstige refractaire angina pectoris. Dertig patiënten met NYHA functionele angina pectoris klasse III-IV/IV, een reversibel perfusiedefect aangetoond met 99Tc-TF SPECT perfusie scintigrafie, een ejectie fractie  35% en geen mogelijkheden voor PTCA of CABG, werden gerandomiseerd tussen excimer TMLR in combinatie met maximale anti-angineuze medicatie (n = 15) of alleen maximale anti-angineuze medicatie (n = 15). Patiënten werden gedurende 1 jaar vervolgd waarbij gekeken werd naar angina klasse, kwaliteit van leven (apart beschreven in hoofdstuk IX-B), myocardiale perfusie scintigrafie, inspannings-tolerantie en stress echocardiografie. Eén patient overleed post-operatief in de TMLR groep. In de TMLR groep nam de angina klasse af van 3,8 ± 0,4 pre-operatief naar 1,9 ± 0,9 12 maanden na TMLR, versus van 3,9 ± 0,3 naar 3,7 ± 0,6 in de medicatiegroep (p < 0,0001). In 79% van de TMLR patiënten nam de angina met ≥ 2 NYHA klassen af op 12 maanden versus 0% van de controle patiënten. Daarnaast was de kwaliteit van leven significant verbeterd in de TMLR groep bij 12 maanden, zowel versus pre-operatief als versus de controle groep (hoofdstuk IX-B). Ondanks een afname in wandbewegingsstoornissen op 12 maanden in de TMLR groep werd er geen toename gevonden in inspannings-tolerantie of myocardiale perfusie. Deze resultaten tonen dat XeCl excimer TMLR een effectieve behandeling is voor de reductie van angineuze klachten en toename van kwaliteit van leven in een selecte groep patiënten, met resultaten vergelijkbaar met die van CO2 en Ho:YAG TMLR.

Tot slot wordt in hoofdstuk X het beschreven onderzoek in dit proefschrift geëvalueerd in een algemene discussie. Concluderend is aangetoond dat TMLR uitgevoerd met een XeCl excimer laser een effectieve methode is voor vermindering van angineuze klachten en verbetering van de kwaliteit van leven in patiënten met ernstige refractaire angina pectoris. Wij hebben ondersteunende aanwijzingen gevonden voor beide belangrijkste hypothesen t.a.v. het mechanisme leidend tot de klinische verbetering (angiogenese en denervatie). Echter, gezien de resultaten van het onderzoek beschreven in dit proefschrift alsmede andere literatuur, concluderen wij dat het sterkste bewijs geleverd is voor de denervatie hypothese.