AFreeze

Cryobiology

Das zugrundeliegende Prinzip der Kryoablation ist der Joule-Thomson Effekt. Es wird ein in flüssiger Phase befindliches Kühlmedium, typischerweise unter hohem Druck, durch eine poröse Verschlusskappe geleitet. Durch die Ausbreitung des Kühlmitels in das dahinter befindliche Vakuum wird eine extreme Kälte erreicht. Dieser Effekt wird beim CoolLoop® Katheter eingesetzt, um lange, zirkuläre Läsionen im Herzatrium zu erzeugen, um so weiteres Vorhofflimmern zu unterbinden.

Bei einer Kryoablation werden mit niedrigen Temperaturen Reaktionen im Gewebe hervorgerufen, die abhängig von der Schwere der durch das Schockgefrieren erzeugten Verletzung von einer Entzündung bis zur Gewebszerstörung reichen können. Diese Gewebszerstörung beruht auf zwei Mechanismen: der direkten Zellschädigung und der vaskulären Stasis.

 

Direkte Zellschädigung
Während der Katheter dem Gewebe rasch Wärme entzieht bilden sich Eiskristalle innerhalb der Zellen. Der dabei entstehende physische Schaden an Zellorganellen und der Plasmamembran führt unmittelbar zum Zelltod.

Dieses rasche Frieren tritt jedoch nur in der Nähe des Katheters, im Zentrum der Ablationszone auf. Je größer der Abstand vom Katheter, desto langsamer ist die Kühlrate. Langsames Frieren führt aber nicht zu intrazellulärer sondern extrazellulärer Eisbildung und diese wiederum zum Ansteigen der extrazellulären Osmolarität. Dadurch wird Wasser aus den Zellen gezogen und die Konzentration gelöster Stoffe in den Zellen steigt, sodass zelleigene Proteine geschädigt und Zellmembranen destabilisiert werden.

Während des Tauens schmilzt Eis im Extrazellularraum und die extrazelluläre Osmolarität fällt. Wasser „drängt“ in die Zellen bis diese anschwellen und platzen. Zusätzlich begünstigt der Einstrom von Wasser  bei Temperaturen zwischen -20° und -25°C das Wachstum und die Fusion von intrazellulären Eiskristallen, ein Phänomen, das als Rekristallisierung bekannt ist. In dicht gepackten Zellverbänden, wie in Geweben, ist die Wirkung großer Eiskristalle auf Zellmembranen destruktiv.

Ein Großteil der Zellen, der sich weiter vom Katheter entfernt, also in der Peripherie der Ablationszone befindet, und nicht direkt durch intrazelluläres Eis oder osmotischen Stress zerstört wird, durchläuft die Apoptose, den programmierten Zelltod. In ansonsten unversehrten Zellen können Mitochondrien, die während der Ablation geschädigt wurden, im Zytoplasma eine Enzymgruppe namens Caspasen aktivieren, was zur Spaltung verschiedenster Zellproteine führt. Nach etwa 8 bis 12 Stunden nach dem Eingriff fangen Zellen an zu schrumpfen, ihr Genom zerfällt und an den Membranen bilden sich Bläschen.

 

Vaskuläre Stasis
Die Unterversorgung mit Blut des betroffenen Gewebes führt nach dem Auftauen zur vaskulären Stasis. Im Zuge des Frierens schädigen Eiskristalle die Endothelien von Blutgefäßen. Nach dem Tauvorgang migrieren Thrombozyten, neutrophile Granulozyten und Makrophagen durch die neu entstandenen Lücken in den Gefäßwänden und verursachen Ischämie und Koagulationsnekrosen.