Repair of Iatrogenic Preterm Premature Rupture of Human Fetal Membranes

Preterm premature rupture of fetal membranes is a devastating complication of pregnancy with high risk of feto-maternal mortality and morbidity. Several attempts have been made to seal spontaneous and iatrogenic fetal membrane ruptures but none has made it to clinics. Persistent leakage of amniotic fluid following invasive surgical and diagnostic procedures jeopardize the benefit of such life saving interventions and draw the limits for the developing field of intrauterine fetal surgery. Efforts are directed to take action before the commencement of leakage of amniotic fluid rather than after the leakage in iatrogenic maneuver: one avenue of research focuses on prophylactic plugging of the fetoscopic lesion at the time of completion of the procedure, thus to increase the chance to prevent subsequent leakage of amniotic fluid. In order to design appropriate sealing strategies the knowledge of the mechanical and biological properties of intact and injured fetal membranes is indispensable. The objective of this thesis is on the one hand to develop regimen that allow the repair of fetal membranes by plugging membrane lesions with fetoscopical interventions. On the other hand, we concentrate on the description of biophysical parameters of the fetal membrane by establishing biomechanical test regimen. Towards a fetoscopic repair mechanism I have developed a method to decellularize amniotic membranes in order to produce a non-immunogenic material. These membranes proved to be stable enough for long term storage and for off-the-shelf use. In our animal trials using rabbit does, the material exhibited good handling properties as well as good sealing characteristics in absence of adverse biological effects. Although the plugs were at best marginally remodeled and populated with cells in these short term experiments in rabbits, the self locking features of the plugs and the predictably long term stability of the material might be a critically important for future clinical applications. Towards the mechanical characterization of the fetal membranes I have together with the group of Prof. Edoardo Mazza, Department for Mechanics, ETHZ worked on the establishment of a novel device, which allows the measurement of mechanical properties and the testing of membrane sealing regimen under near to physiological conditions. I have compared measurements of mechanical properties using this new generation device, which employs equibiaxial stretching with measurements performed with uniaxial stretching. These initial results indicate that the materials parameters can only be correctly estimated using biaxial stretching regimen and might add to the understanding of elastic and plastic features of biological membranes. Collectively a thorough understanding of mechanical and biological properties and the design of materials platforms that can be adapted to the tissue requirements might only approach the complexity of this problem. Although much more research is needed, we think that our results on the membrane repair and the mechanical properties presented in this thesis are promising starting points towards the establishment of appropriate treatment regimen for PPROM of fetal membranes. Der fruhe vorzeitige Blasensprung (PPROM) ist eine gravierende Komplikation wahrend der Schwangerschaft und ist mit einem grossen Risiko fur feto-maternale Morbiditat und Mortalitat verbunden. Verschiedene Versuche wurden unternommen um spontane und iaterogene Rupturen der fetalen Membran zu verschliessen, bisher konnte jedoch keine dieser Methoden in die Klinik eingefuhrt werden. Der anhaltende Verlust von Amnionflussigkeit infolge invasiver chirurgischer und diagnostischer Eingriffe gefahrdet den Erfolg von potentiell lebensrettenden Interventionen, und limitiert daher die Weiterentwicklung der intrauterinen fetalen Chirurgie. Gegenwartige Anstrengungen fokussieren darauf zu handeln, bevor die Amnionflussigkeit austritt, anstatt das Ausrinnen nach einem iaterogenen Eingriff abzuwarten. So gilt eine Forschungsrichtung dem prophylaktischen Verschluss der fetoskopischen Wunde im Anschluss an den Eingriff, um das Risiko eines nachfolgenden Flussigkeitsaustrittes zu vermeiden. Um geeignete Verschlussstrategien entwerfen zu konnen, sind Kenntnisse hinsichtlich biologischen und mechanischen Eigenschaften von intakten und verletzten fetalen Membranen unabdingbar. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist einerseits eine Behandlung zu entwickeln, die die Reparatur von fetalen Membranen mittels Verstopfen der Membranlasion durch Fetoskopie erlaubt. Ein weiteres Ziel ist die Charakterisierung von biophysikalischen Parametern der fetalen Membranen, welches auch die Entwicklung einer biomechanischen Testprozedur beinhaltet. Bezuglich fetoskopischer Reparaturmechanismen habe ich eine Methode zur Dezellularisierung von Amnionmembranen entwickelt, um daraus ein nicht immunogenes Material zu gewinnen. Diese dezellularisierten Membranen sind fur die Langzeit-Lagerung geeignet und konnen daher serienmassig produziert und eingesetzt zu werden. In unseren Versuchen mit trachtigen Kaninchen zeigte das Material gute Handhabungs- und Verschlusseigenschaften ohne nachteilige biologische Effekte aufzuweisen. Obwohl die Verschlusspfropfen in diesen Kurzzeit-Experimenten nur geringfugig umgebaut und durch Zellen besiedelt wurden, durften die selbstverschliessenden Eigenschaften der Pfropfen und deren voraussichtlich gute Langzeit-Stabilitat wichtige Voraussetzungen fur mogliche klinische Anwendungen erfullen. Um die fetalen Membranen mechanisch zu charakterisieren, habe ich in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Eduardo Mazza, Departement fur Mechanik, ETHZ an der Entwicklung eines neuen Gerates gearbeitet. Dieses erlaubt die Messung von mechanischen Eigenschaften und das Testen von Verschlussmethoden der fetalen Membranen unter nahezu physiologischen Bedingungen. Ich habe in der Folge mechanische Parameter verglichen, die mit dem weiterentwickelten Testgerat unter equibiaxialer Dehnung oder mittels uniaxialer Dehnung erhoben wurden. Diese ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Materialparameter nur durch biaxiale Ausdehnung der Membranen korrekt erhoben werden konnen. Die in dieser Arbeit prasentierten Daten konnen unserem Verstandnis fur die elastischen und plastischen Eigenschaften von biologischen Membranen beitragen. Insgesamt scheinen Losungen zu diesem komplexen Problem nur durch das grundliche Verstandnis der mechanischen und biologischen Eigenschaften sowie Materialien die den Bedurfnissen des Gewebes angepasst werden konnen, moglich zu sein. Obwohl weitere Untersuchungen benotigt werden, denken wir, dass unsere Resultate bezuglich Reparatur und Mechanik der fetalen Membran ein vielversprechender Anfang zur Etablierung von Behandlungsmethoden von PPROM darstellen.