Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

מודל חזירי Ex Vivo לבדיקות הידרודינמיות של פרוצדורות ניסיוניות של מסתם אבי העורקים ומכשירים רפואיים חדשניים

Published: August 25, 2023 doi: 10.3791/65885
Automatic Translation
1, 2, 1, 3, 1, 2, 2, 2, 1,4
1Department of Surgery, Columbia University Medical Center, 2College of Physicians and Surgeons, Columbia University, 3School of Medicine and Surgery, University of Bologna, 4Division of Cardiac, Thoracic, and Vascular Surgery, Section of Pediatric and Congenital Cardiac Surgery, New York-Presbyterian Morgan Stanley Children’s Hospital, Columbia University Medical Center

Summary

אנו מציגים שיטה להרכבת שסתום אבי העורקים החזירי על משכפל פולסים כדי לבדוק את תכונותיו ההידרודינמיות. שיטה זו יכולה לשמש כדי לקבוע את השינוי בהידרודינמיקה לאחר יישום של הליך ניסיוני או מכשיר רפואי חדשני לפני השימוש במודל של בעלי חיים גדולים.

Abstract

האפשרויות לבדיקת פרוצדורות לב חדשות ומכשירים רפואיים חקירתיים לפני השימוש במודל של בעלי חיים מוגבלות. במחקר זה אנו מציגים שיטה להרכבת שסתום אבי העורקים החזירי במשכפל פולסים כדי להעריך את תכונותיו ההידרודינמיות. לאחר מכן ניתן להעריך מאפיינים אלה לפני ואחרי ביצוע ההליך הנחקר ו / או הפעלת המכשיר הרפואי החקירתי. אבטחת מקטע הזרימה מציגה קושי מסוים בשל היעדר שריר הלב ההיקפי במערכת זרימת החדר השמאלי. שיטה זו מטפלת בבעיה זו על ידי אבטחת מקטע הזרימה באמצעות העלון הקדמי של המסתם המיטרלי ולאחר מכן תפירת דופן החדר השמאלי החופשי סביב מתקן הזרימה. מקטע היציאה מאובטח פשוט על ידי הכנסת המקבע לחתך באספקט העליון של קשת אבי העורקים. מצאנו שלדגימות היו תכונות הידרודינמיות שונות באופן משמעותי לפני ואחרי קיבוע רקמות. ממצא זה גרם לנו להשתמש בדגימות טריות בבדיקות שלנו ויש לשקול זאת בעת השימוש בשיטה זו. בעבודתנו, השתמשנו בשיטה זו כדי לבדוק חומרי תיקון תוך לבביים חדשניים לשימוש במצב המסתם על ידי ביצוע הליך neocuspidization מסתם אבי העורקים (הליך אוזאקי) על מסתמי אבי העורקים החזיריים הרכובים. שסתומים אלה נבדקו לפני ואחרי ההליך כדי להעריך את השינוי בתכונות הידרודינמיות בהשוואה לשסתום הטבעי. כאן אנו מדווחים על פלטפורמה לבדיקה הידרודינמית של פרוצדורות ניסיוניות של מסתם אבי העורקים המאפשרת השוואה עם המסתם המקורי ובין מכשירים וטכניקות שונות המשמשים להליך הנחקר.

Introduction

מחלת מסתם אבי העורקים מהווה נטל משמעותי על בריאות הציבור, במיוחד היצרות אבי העורקים, המשפיעה על 9 מיליון אנשים ברחבי העולם1. אסטרטגיות לטיפול במחלה זו מתפתחות כיום וכוללות תיקון מסתם אבי העורקים והחלפת מסתם אבי העורקים. באוכלוסיית הילדים במיוחד, קיים תמריץ משמעותי לתקן ולא להחליף את המסתם מכיוון שהתותבות הקיימות כיום מועדות לניוון מסתם מבני (SVD) ואינן סובלניות לצמיחה, מה שמצריך ניתוח חוזר להחלפה חוזרת ככל שהמטופל גדל. אפילו הליך רוס, המחליף את המסתם האאורטלי החולה (AV) במסתם הריאתי המקורי (PV), דורש תותבת או שתל במצב הריאתי שגם הוא כפוף ל- SVD ולעתים קרובות סובלנות גדילה מוגבלת2. גישות חדשות למחלת מסתם אבי העורקים מפותחות, ויש צורך בבדיקה בהקשר רלוונטי ביולוגית לפני יישום במודל של בעלי חיים גדולים.

פיתחנו שיטה לבדיקת AV חזירי שיכולה לספק תובנות לגבי תפקוד המסתם לפני ואחרי הליך ניסיוני או יישום של מכשיר רפואי חדשני. על ידי הרכבת AV חזירי על מכונת משכפל פולסים זמינה מסחרית, אנו יכולים להשוות את המאפיינים ההידרודינמיים המשמשים בדרך כלל בחקירה ובסופו של דבר אישור של תותבות שסתום, כולל מקטע regurgitation (RF), שטח פתח יעיל (EOA), והפרש לחץ חיובי ממוצע (PPD)3,4. לאחר מכן ניתן לכוונן את ההתערבות בהקשר רלוונטי ביולוגית לפני השימוש במודל של בעלי חיים גדולים, ובכך להגביל את מספר בעלי החיים הדרושים לייצור הליך או תותבת שניתן להשתמש בהם בבני אדם. את הלבבות המשמשים לניסוי זה ניתן להשיג מבית המטבחיים המקומי או רקמת פסולת מניסויים אחרים, ולכן אין צורך להקריב בעל חיים אך ורק למטרות ניסוי זה.

בעבודתנו השתמשנו בשיטה זו כדי לפתח חומר טלאי חדשני לתיקון והחלפת שסתומים. בדקנו את התפקוד ההידרודינמי של מגוון חומרי טלאי על ידי ביצוע הליך neocuspidization מסתם אבי העורקים (הליך Ozaki 5,6,7) על AVs חזיריים ובדיקתם במשכפל הדופק לפני ואחרי ההליך. זה איפשר לנו לכוונן את החומר בהתבסס על הביצועים ההידרודינמיים שלו. לפיכך, שיטה זו מספקת פלטפורמה לבדיקות הידרודינמיות של פרוצדורות ניסיוניות ומכשירים רפואיים חדשניים לשימוש על AV לפני היישום במודל בעלי חיים גדולים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל המחקר בוצע בהתאם להנחיות המוסדיות לטיפול בבעלי חיים.

1. שיקולים והכנות לניסוי

  1. השתמש במשכפל דופק מתאים (PD) לסימולציה של תפוקת הלב באמצעות AV. מחלת הפרקינסון תצטרך להיות מסוגלת להכיל חומרים ביולוגיים ולהיות מסוגלת לניקוי.
    1. השתמש בהגדרות PD המתאימות לבדיקת AV: נפח תזוזה של 70 מ"ל ו- 70 פעימות לדקה (פלט לב של 5 ליטר לדקה), 35% ממחזור הלב בסיסטולה, שיפוע לחץ טרנסוולרי ממוצע של 100 מ"מ כספית, שיפוע לחץ מרבי של 120 ושיפוע לחץ מינימלי של 80.
    2. יש להשתמש במי מלח רגילים בטמפרטורת החדר (0.9% NaCl) כמדיום נוזלי.
  2. אתר או צור (באמצעות הדפסה תלת מימדית או שיטה דומה) גופי תאורה מתאימים להרכבת AV חזירי לבדיקה על PD.
    1. השתמש בגופי תאורה המעוצבים על גופי התאורה שסופקו עם משכפל הפולסים עם המפרטים הבאים: ודא שהקוטר הפנימי של גוף התאורה דומה לקוטר ה- AV הנחקר, אורך החיבור הוא לפחות 2 ס"מ ורוחב החיבור השמיש הוא לפחות 4 ס"מ (איור 1).
    2. השתמשו באורינגים מגומי כאטמים בקצות גופי התאורה.
  3. השיגו דגימת לב לאחר כריתת לב (איור 2A).
    1. השתמש בדגימות לב חזיריות מבית המטבחיים או פסולת רקמות מבעלי חיים בריאים אחרת שלא היו חלק מפרוטוקולים ניסיוניים כלשהם שישפיעו על ליבם.
    2. יש לקבל דגימה לאחר כריתת הלב או לבצע כריתת לב לאחר המוות, כולל טרנסקציה של הווריד הנבוב העליון, הווריד הנבוב הנחות, עורק הריאה הראשי (PA), כל ורידים ריאתיים, ואבי העורקים באספקט הדיסטלי של קשת אבי העורקים.
      הערה: יש להשתמש בדגימות טריות, פחות מ-6 שעות לאחר המוות או מאוחסנות במי מלח סטריליים עם תמיסה אנטיביוטית 1% (פניצילין וסטרפטומיצין) במקרר 4 oC למשך עד 7 ימים. רקמות המקובעות בפורמלין או גלוטראלדהיד יפיקו תוצאות הידרודינמיות משתנות עקב קשיחות מוגברת.

Figure 1
איור 1: גופי תאורה מודפסים בתלת-ממד מותאמים אישית להרכבת שסתומי אבי העורקים החזירי על משכפל הדופק. כפי שצוין בפרוטוקול, אורך הקובץ המצורף צריך להיות לפחות 2 ס"מ, ורוחב הקובץ המצורף הניתן לשימוש צריך להיות לפחות 4 ס"מ. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

2. כריתת מבנים ימניים

  1. נתחו את אבי העורקים בעזרת מספריים של מצנבאום עד להופעת רקמת החדר (איור 2B).
  2. מנתחים ומקשרים עם קשרי משי את שני העורקים הכליליים במקורם מהסינוסים של אבי העורקים, תוך הקפדה שלא להצר את הסינוסים.
  3. חצו את העורקים הכליליים דיסטליים לקשרי המשי.
  4. חותכים את החדר הימני (RV) בין אבי העורקים לרשות הפלסטינית בבסיס המסתם הריאתי באמצעות מספריים של מצנבאום (איור 2C).
  5. מתחילים קדמית, ממשיכים את החתך באופן היקפי לאורך המחיצה הבין-חדרית כדי להסיר את הדופן החופשית של הקרוואן (איור 2D, E).
  6. המשיכו את החתך אחורית דרך טבעת המסתם הטריקוספיד לאורך המחיצה הבין-פרוזדורית כדי להסיר את כל הרקמה הפרוזדורית הימנית (איור 2F).

Figure 2
איור 2: דגימת לב-לב-כריתה וכריתה של מבנים ימניים. (A) דגימת לב. (B) עורק ריאתי ראשי מנותח מאבי העורקים עד לנראות רקמת החדר. (C) חיתוך החדר הימני (RV) בבסיס המסתם הריאתי. (D) המשך החתך לאורך המחיצה הבין-חדרית קדמית. (E) הסרת הדופן נטולת ה-RV על ידי המשך החתך לאורך המחיצה הבין-חדרית. (F) דגימות עם מבנים בצד ימין הוסרו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

3. הכנת מערכת יציאת החדר השמאלי (LVOT) לקנולציה עם מתקן PD

  1. חותכים את האטריום השמאלי (LA) דרך האוסטיום של וריד הריאה הימני במקביל לאבי העורקים באמצעות מספריים של מצנבאום (איור 3A).
    הערה: למרות שקיימת שונות מוגבלת, אנטומיה של ורידים ריאתיים חזיריים מסתיימת בדרך כלל בשני ורידים ריאתיים אוסטיה הנכנסים ללוס אנג'לס8.
  2. המשך את החתך לכיוון המסתם האנטרולטרלי של המסתם המיטרלי (MV), תוך השארת שרוול 3 מ"מ לפחות של רקמת פרוזדורים בצד אבי העורקים.
  3. חותכים רקמת LA עודפת, תוך שמירה על שרוול 3 מ"מ של רקמת פרוזדורים על אבי העורקים ועל טבעת MV באופן היקפי (איור 3B).
  4. הרחיבו את החתך לחדר השמאלי (LV) דרך השריר האנטרולטרלי של ה-MV, תוך הקפדה על שימור השריר הפפילרי האנטרולטרלי (איור 3C).
  5. מחלקים את גידי האקורדים מהשריר הפפילרי האנטרולטרלי לעלון ה-MV האחורי, תוך שימור החיבורים לעלון ה-MV הקדמי.
  6. ממשיכים את החתך עד לקודקוד הלב.
  7. חתוך רקמת LV עודפת מתחת לשרירים הפפילריים, תוך שמירה על שני השרירים הפפילריים (איור 3D).

Figure 3
איור 3: הכנת מערכת זרימת החדר השמאלי לקנולציה עם מתקן משכפל הדופק. (A) חיתוך האטריום השמאלי (LA) דרך האוסטיום של וריד הריאה הימני. (B) עודף רקמת LA גזוז, שמירה על שרוול 3 מ"מ לפחות של רקמת פרוזדורים על אבי העורקים ושמירה על טבעת המסתם המיטרלי באופן היקפי. (C) הרחבת החתך לחדר שמאל (LV) דרך הקומיסורה האנטרולטרלית של המסתם המיטרלי. (D) הסרת רקמת LV עודפת מתחת לשרירים הפפילריים. מספריים גלויים בפינה הימנית העליונה של התמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

4. הכנת אבי העורקים לקנולציה עם מתקן PD

  1. חתכו עודפי רקמת לימפה, חיבור או עורק ריאתי מאבי העורקים (איור 4A).
  2. חותכים את האספקט העליון של קשת אבי העורקים מאבי העורקים היורד לעורק התת-קלאבי השמאלי באמצעות מספריים של מצנבאום (איור 4B).
  3. המשיכו את החתך באספקט העליון של קשת אבי העורקים מהעורק התת-קלאבי השמאלי אל הגו הברכיוצפלי (איור 4C, D).
    הערה: ענפים של קשת אבי העורקים החזירי מדיסטלית לפרוקסימלית כוללים את העורק הסובקלבי השמאלי ואת הגזע הברכיוצפאלי, המוליד את העורק הסובקלבי הימני, עורק התרדמה הימני ועורק התרדמה השמאלי9.

Figure 4
איור 4: הכנת אבי העורקים לקנולציה עם מתקן משכפל הדופק. (A) קשת אבי העורקים עם רקמה עודפת שהוסרה. שימו לב לשני כלי הקשת בקשת אבי העורקים החזירי, הגזע הברכיוצפלי והעורק התת-קלאבי השמאלי. (B) התחלת החתך לאורך האספקט העליון של קשת אבי העורקים מאבי העורקים היורד לעורק התת-קלאבי השמאלי. (C) המשך החתך לאורך האספקט העליון של קשת אבי העורקים מהעורק התת-קלאבי השמאלי ועד לגזע הברכיוצפלי. (D) חתך בקשת אבי העורקים הושלם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

5. קנולציה של LVOT עם מתקן PD

  1. בדוק את מיקום המתקן ב- LVOT וחתוך רקמת LV עודפת.
    1. הכנס את המתקן לתוך LVOT מתחת לעלון הקדמי של MV.
    2. עטפו את הקיר ללא LV סביב גוף התאורה.
    3. חתוך רקמת LV עודפת כדי לשמור על עטיפה הדוקה סביב גוף התאורה.
    4. הסר מחצית מעובי הדופן החופשית של LV החל מהמחיצה הבין-חדרית, תוך שמירה על לפחות 1 ס"מ של אפיקרדיום בקצה החופשי כדי לשמור על שלמות קו התפר (איור 5A).
    5. חתכו 1 ס"מ של רקמה מהפינה העליונה של עטיפת הקיר ללא LV (איור 5A).
  2. מקמו את גוף התאורה ב-LVOT עם חור חיבור המוט התומך 1 ס"מ מאחורי חתך ה-LV (איור 5B).
    1. יש להקפיד לא להכניס את גוף התאורה רחוק מדי לתוך ה-LVOT כך שירחיב את ביטול ה-AV.
  3. הדקו את העלון הקדמי של ה-MV למתקן באמצעות אזיקון אחד או שניים בקוטר 6 אינץ' הממוקמים בין גידי האקורדים של העלון (איור 5C).
  4. תפרו את הקיר החופשי LV סביב גוף התאורה (איור 5D).
    1. התחל על ידי תפירת השרוול של רקמת LA על אבי העורקים לביטול MV באמצעות תפר ריצה פשוט עם מחט נקודה מחודדת.
    2. המשך את תפר הריצה על LV, לא לקרוע את רקמת LV.

Figure 5
איור 5: קנולציה של מערכת זרימת החדר השמאלי עם מתקן משכפל הדופק. (A) חצי עובי של דופן חופשית LV הוסר עם 1 ס"מ של אפיקרדיום נשמר בקצה החופשי. הקו המקווקו מציין את השטח של 1 ס"מ שיש להסיר מהפינה העליונה של מעטפת הקיר נטולת LV. (B) חור חיבור מוט תומך הממוקם 1 ס"מ מאחורי חתך הקיר החופשי LV. (C) אזיקון רוכסן המחבר את העלון הקדמי של ה-MV למתקן הפרוקסימלי. (D) קיר ללא LV שנתפר סביב גוף התאורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

6. קנולציה של אבי העורקים עם מתקן PD והכנה סופית לבדיקת PD

  1. מדוד את קוטר ה- AV באמצעות מרחיבי הגר כדי לסייע בפענוח תוצאות בדיקת פרקינסון.
  2. זהו את המיקום הניטרלי של אבי העורקים על-ידי הרמת הדגימה מהשולחן על-ידי אחיזת אבי העורקים (איור 6A).
  3. הכנס את מתקן PD לתוך אבי העורקים, תוך הקפדה על יישור חורי חיבור המוט במצב ניטרלי של אבי העורקים.
  4. בדוק את אורך הדגימה על ידי הכנסת מוטות התמיכה.
  5. הדקו את מתקן PD לאבי העורקים באמצעות אזיקון אחד או שניים בקוטר 6 אינץ' (איור 6B).
  6. אבטחו את ה-LVOT סביב מתקן ה-PD באמצעות אזיקון אחד או שניים בקוטר 8 אינץ'.
  7. אבטח את מוטות התמיכה במקומם באמצעות ברגים שסופקו עם ערכת PD.
  8. הניחו את הדגימה במחלת פרקינסון והתחילו את הבדיקה (איור 6C, וידאו 1 ווידאו 2).
  9. תפרו דליפות לפי הצורך.

Figure 6
איור 6: קנולציה של אבי העורקים ובדיקה במשכפל הדופק. (A) הרמת הדגימה מהשולחן על ידי אבי העורקים כדי לזהות את המיקום הניטרלי של אבי העורקים. (B) מתקן דיסטלי מאובטח באבי העורקים עם אזיקונים. (C) דגימה המותקנת במשכפל הדופק לצורך בדיקה הידרודינמית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

7. בצע הליך ניסיוני

הערה: בצע פרוצדורות ניסיוניות כמו, הליך אוזאקי כפי שתואר קודם לכן 5,6,7, ובדיקות PD חוזרות.

  1. אם הרקמה התייבשה במהלך ההליך, הדקו את האזיקונים וחזקו את קו התפרים לפי הצורך.

8. אחסון לטווח ארוך של דגימה (אם תרצה)

  1. יש להניח את הדגימה בפורמלין 10% למשך 168 שעות (שבוע אחד)10,11.
  2. לאחר קיבוע רקמות, לשטוף את הדגימה עם מים deionized ומניחים אותו אתנול 70% לאחסון לטווח ארוך.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הנתונים המייצגים שנאספו משכפל הדופק כוללים מקטע רגורגיטציה (RF), אזור פתח יעיל (EOA) והפרש לחץ חיובי ממוצע (PPD). ה- RF וה- EOA, בפרט, משמשים בתקני ISO עבור שסתומים תותבים (ISO 5840) ויהיה חשוב לאסוף אם מוצרי שסתומים תותבים נמצאים תחת חקירה. PPD מציע מידע לגבי כמה לחץ נדרש כדי לפתוח את השסתום והוא מוזכר בדרך כלל כאשר דנים החלפת מסתם תותב 3,4. משכפל הדופק HDTi-6000 (מעבדות BDC, רכס חיטה, CO) המשמש בניסוי זה יכול לאסוף ערכים אחרים במידת הצורך, כולל נפח סגירה, נפח דליפה, נפח regurgitant כולל, נפח זרימה קדימה כולל, משך סיסטולי, הפרש לחץ חיובי מרבי וזרימה קדימה ממוצעת.

הערכים עבור בדיקות הידרודינמיות (RF, EOA, ו- PPD) של מסתם אבי העורקים המקורי (n = 20) בניסוי שבוצע כראוי מוצגים בטבלה 1. הערכים המתקבלים נמצאים בטווח הנורמה למדידות מסתם אבי העורקים, כולל RF ממוצע של 5.74%12 ומדד ממוצע חזוי של מסתם אבי העורקים של 1.08 ס"מ2/מ"ר 2 (מחושב על ידי חיזוי שטח הפנים של הגוף בהתבסס על קוטר אבי העורקים הממוצע וחלוקת EOA הממוצע בערך זה)13,14.

כאשר הדגימה קבועה בפורמלין 10% או גלוטראלדהיד 0.6%, הרקמות המקיפות את המסתם הופכות נוקשות, וקשה ליישר כראוי את הדגימה לבדיקה. כל עקומה או כיפוף מודגשים, וניתן לעוות את ביטול השסתום כך שה- RF מוגבה באופן שגוי עקב חוסר התאמה של העלונים. לדוגמה, ערכי RF עבור שתי דגימות קבועות שהיו להן עיקולים בלתי ניתנים לצמצום שעיוותו את הטבעת היו 27.73% ו- 67.30%. גם כאשר הדגימה ישרה מספיק כדי לבדוק, קשיחות הרקמה סביב המסתם מייצרת PPD מוגבה באופן שגוי, ירידה בתדרי רדיו וירידה ב-EOA. אין הבדל משמעותי בין קיבוע בפורמלין או גלוטראלדהיד. נושאים אלה צריכים להילקח בחשבון אם משתמשים ברקמה קבועה עם מודל ניסיוני זה, ולהציע כי דגימות טריות מייצגות יותר את תפקוד שסתום in vivo . ערכים מייצגים לפני ואחרי קיבוע רקמות בדגימות קבועות שניתן להרכיב באופן לא כפוף מוצגים בטבלה 2.

ה- RF יכול להיות מוגבה באופן שגוי על ידי דליפה מהדגימה, במיוחד דליפה פרוקסימלית לשסתום. יש לצפות לדליפה מסוימת, וככלל, כל דליפה שמציגה זרם רציף (להבדיל מטפטוף) היא בעלת משמעות הידרודינמית. ניתן לטפל בדליפה מקו התפר באמצעות תפר מחזק (תפר ריצה נוסף או דמות של שמונה תפרים). באופן כללי, בעת שימוש במודל זה, אין להשתמש במחטי חיתוך מכיוון שתהיה דליפה מחורי התפרים. ניתן לטפל בדליפה מאתרי החדרת המתקן על ידי הידוק אזיקונים קיימים או הוספת אזיקונים. במקרה מייצג אחד, הידוק האזיקון לטיפול בדליפה הביא לירידה בתדרי הרדיו מ-13.7% ל-9.5%. יש להקפיד לא להדק יתר על המידה את האזיקונים בצד הזרימה, מכיוון שהדבר עלול להוביל לירידה שגויה ב-EOA ול-PPD מוגבה באופן שגוי. במקרה מייצג אחד, התרופפות אזיקון מהודק יתר על המידה הביאה לעלייה ב-EOA מ-0.98 ס"מ2 ל-1.08ס" מ 2 ולירידה ב-PPD מ-20.2 מ"מ כספית ל-18.0 מ"מ כספית. האזיקונים צריכים להיות רופפים מספיק כדי שרקמת החדר הקרובה לשסתום תישאר גמישה, ואין צורך בהכרח לבטל לחלוטין את הדליפה, אלא רק להאט אותה למצב טפטוף שבו היא לא תשפיע על המדידות ההידרודינמיות.

לאחר בדיקת המסתם הטבעי, ניתן לבצע את ההליך הנחקר כדי לקבוע את השינוי בתפקוד ההידרודינמי. בעבודתנו חקרנו את ההשפעה של שימוש בחומרי טלאי שונים במצב שסתומי על ידי החלפת העלונים באמצעות הליך אוזאקי 5,6,7. על ידי החלפת העלונים בחומרי מחקר שונים, הצלחנו להעריך את תפקודם של חומרים שונים לשימוש בתיקון והחלפת מסתם אבי העורקים. הערכים שהתקבלו לאחר הליך אוזאקי באמצעות חומר טלאי הבקרה (קרום הלב האוטולוגי המקובע בגלוטראלדהיד 0.6%) יצרו שינוי מהשסתום הבסיסי העקבי עם החלפת המסתם באמצעות תותבת מסתם בגודל מתאים (RF < 10%, PPD < 20 מ"מ כספית, שינוי EOA < 0.3 ס"מ2 ירידה מקו הבסיס)4. ערכים מייצגים המתקבלים לאחר ביצוע הליך אוזאקי עם חומר תיקון הבקרה ניתנים בטבלה 3.

וידאו 1: תפקוד מסתם אבי העורקים שהוקלט באמצעות המצלמה הפנימית על משכפל הדופק. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.

סרטון 2: מבט רוחבי על המסתם האאורטלי הנבדק על משכפל הדופק. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.

לדוגמה קוטר (מ"מ) RF (%) EOA (ס"מ2) PPD (mmHg)
P1 20 4.90 1.20 7.50
P2 18 6.50 1.08 8.00
עמ' 3 17 3.40 1.25 13.80
עמ' 4 21 8.87 1.55 13.60
P5 19 5.93 1.46 14.73
עמ' 6 19 4.30 1.47 14.53
עמ' 7 17 3.33 1.30 16.53
עמ' 8 18 5.47 1.23 15.50
עמ' 10 18 3.17 1.28 13.43
עמ' 11 16 4.03 1.04 16.70
עמ' 12 17 4.17 1.33 11.33
עמ' 13 17 6.90 1.37 9.97
עמ' 14 15 5.67 1.22 11.57
עמ' 15 14 8.33 1.23 11.80
עמ' 16 16 6.10 1.29 10.33
עמ' 17 17 5.80 1.40 8.03
עמ' 18 16 3.77 1.29 9.73
עמ' 19 15 4.53 1.17 11.40
עמ' 21 22 11.73 1.26 8.30
עמ' 22 17 7.83 1.17 9.27
התכוון 17.45 5.74 1.28 11.80
סטיית תקן 2.01 2.18 0.13 2.92

טבלה 1: ערכים מייצגים המתקבלים מבדיקה הידרודינמית בניסוי המבוצע כהלכה. דגימות P9 ו- P20 לא נכללו מכיוון שהשסתומים המקומיים היו לא תקינים. ערכים המתקבלים מתוכנת משכפל דופק. RF, מקטע רגורגיטציה; EOA, אזור פתח יעיל; PPD, הפרש לחצים חיובי.

מקורי (n = 6) קבוע (n = 6) ערך P
RF (%) 5.81 ± 3.10 2.36 ± 1.20 0.01
EOA (ס"מ2) 1.21 ± 0.08 0.77 ± 0.35 0.04
PPD (mmHg) 9.17 ± 2.42 23.50 ± 10.69 0.02
גלוטראלדהיד קבוע (n = 2) פורמלין קבוע (n = 4) ערך P
RF (%) 2.52 ± 1.86 2.28 ± 1.11 0.89
EOA (ס"מ2) 0.81 ± 0.34 0.76 ± 0.40 0.89
PPD (mmHg) 19.33 ± 2.31 25.58 ± 13.09 0.42

טבלה 2: ערכים מייצגים המתקבלים בבדיקה הידרודינמית לפני ואחרי קיבוע רקמות עם פורמלין 10% או גלוטראלדהיד 0.6%. הנתונים המוצגים כממוצע ± סטיית תקן. ערכי P חושבו באמצעות מבחן t מזווג (מקורי לעומת קבוע) או מבחן t לא מזווג (גלוטראלדהיד לעומת פורמלין). ערכים המתקבלים מתוכנת משכפל דופק. RF, מקטע רגורגיטציה; EOA, אזור פתח יעיל; PPD, הפרש לחצים חיובי.

מקורי (n = 6) פוסט-אוזאקי (n = 6) ערך P
RF (%) 4.51 ± 1.43 8.57 ± 3.25 <0.01
EOA (ס"מ2) 1.26 ± 0.12 1.07 ± 0.05 <0.01
PPD (mmHg) 13.91 ± 2.81 16.77 ± 2.31 <0.01

טבלה 3: ערכים מייצגים המתקבלים בבדיקה הידרודינמית לפני ואחרי ביצוע הליך אוזאקי עם קרום הלב האוטולוגי הקבוע של גלוטראלדהיד. הנתונים המוצגים כממוצע ± סטיית תקן. ערכי P חושבו באמצעות מבחן t זוגי. ערכים המתקבלים מתוכנת משכפל דופק. RF, מקטע רגורגיטציה; EOA, אזור פתח יעיל; PPD, הפרש לחצים חיובי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השיטה המוצגת כאן מספקת פלטפורמה לבדיקה הידרודינמית של ה-AV לצורך בחינת ההשפעה של הליך ניסיוני או מכשיר רפואי חדשני. על ידי הרכבת שסתום אבי העורקים המקורי על מכונת משכפל דופק, אנו מסוגלים לקבוע את השפעת ההליך הניסיוני על כל הפרמטרים ההידרודינמיים המשמשים לחקירה ואישור של תותבות שסתום חדשות (ISO 5840). זה מספק הזדמנות לכוונן הליכים ותותבות לפני השימוש במודל של בעלי חיים גדולים.

אבטחת מקטע הזרימה מציגה קושי מסוים בשל היעדר שריר הלב ההיקפי במערכת זרימת החדר השמאלי. שיטה זו מטפלת בבעיה זו על ידי אבטחת מקטע הזרימה באמצעות העלון הקדמי של המסתם המיטרלי, ולאחר מכן תפירת דופן החדר השמאלי החופשי סביב מתקן הזרימה, והחלת אזיקוני רוכסן נוספים על שרוול החדר. שיטות דומות אחרות נקטו בתפירת צינור פוליאתילן טרפתאלט (Dacron) ל- LVOT15,16 או אבטחת מתקן הזרימה קרוב לביטול AV17,18. שיטות אלה מסתכנות בהגבהה מלאכותית של ה-EOA על חשבון ה-RF על ידי קיבוע הטבעת למתקן זרימה קשיח יחסית הגדול מקוטרו המקורי. כמו כן, ניתן לצמצם את הקוטר על ידי קיבוע לתושבת קשיחה הקטנה מקוטרו המקורי ובכך להקטין באופן מלאכותי את ה- RF על חשבון ה- EOA. כתוצאה מכך, שיטות דומות רבות אינן מדווחות הן על RF והן על EOA 15,16,18. אחד היתרונות של שיטה זו הוא שאנו מסוגלים להעריך הן את פרמטרי הפתיחה והן את פרמטרי הסגירה של השסתומים בו זמנית.

בעוד שמפתה לבצע ניסוי זה באמצעות דגימות קבועות לטובת תזמון גמיש יותר של הניסוי, התכונות ההידרודינמיות של השסתום משתנות באופן משמעותי לאחר הקיבוע, ותהליך ההרכבה הופך להיות הרבה יותר קשה. הרקמה המקיפה את המסתם הופכת נוקשה מאוד כאשר היא מקובעת בפורמלין 10% או גלוטראלדהיד 0.6%, וה- RF מופחת באופן מלאכותי בעוד PPD גדל באופן מלאכותי ו- EOA מופחת באופן מלאכותי. גם את העקומה הטבעית של אבי העורקים קשה מאוד ליישר לבדיקה, וכתוצאה מכך ניתן לעוות את הטבעת כך שבמקרים מסוימים כבר לא ניתן לבדוק את המסתם. מסיבה זו, השתמשנו ברקמה טרייה בניסויים שלנו, שנבדקו תוך 6 שעות או בקירור בטמפרטורה של 4°C במי מלח סטריליים ובתמיסת אנטיביוטית 1% (פניצילין וסטרפטומיצין) למשך עד 7 ימים.

לאחר בדיקת השסתום הטבעי, ניתן לבצע את ההליך הנחקר. בעבודתנו ביצענו הליך אוזאקי תוך שימוש במגוון חומרי טלאי על מנת להעריך את התכונות ההידרודינמיות של כל אחד מחומרים אלה בעת שימוש בתיקון או החלפה של מסתם אבי העורקים. חומרי טלאי קיימים נוטים להתנוון עם הזמן, ויש צורך משמעותי בחומר טלאי עמיד שיכול לשמש ליישומים אלה19. כדוגמה לסוג ההליך שניתן לחקור בשיטה זו, הערכנו את ההשפעה ההידרודינמית של ביצוע הליך אוזאקי באמצעות חומר הבקרה, קרום הלב האוטולוגי המקובע על ידי גלוטראלדהיד, ומצאנו כי השינוי שנוצר בתכונות ההידרודינמיות היה עקבי עם השינוי הקשור להשתלת תותבת AV בגודל טוב4.

מגבלותיה העיקריות של שיטה זו קשורות, כמפורט לעיל, לקשיים הטמונים באבטחת מקטע הזרימה ללא שריר הלב ההיקפי. חלק זה של ההליך חייב להתבצע בקפידה בהתאם למפרט בסעיף התוצאות המייצגות לעיל. כמו בכל טכניקה לבדיקה הידרודינמית של שסתום אבי העורקים ex vivo, ניתן לשנות את הערכים בתהליך ההרכבה, והתוצאה המאלפת ביותר היא השוואת המאפיינים ההידרודינמיים של שסתום אחד לפני ואחרי ביצוע הליך ניסיוני. בנוסף, חוסר היכולת לבדוק באופן אמין דגימות שעברו קיבוע רקמות מגביל את מסגרת הזמן שבה יש לבצע את הניסוי ואת רוחב היישום האפשרי. ההבדלים באנטומיה בין AV חזירי לבין AV אנושי הם מוגבלים, ומורכבים בעיקר ממדף שרירים מתחת לסף הכלילי הימני ב- AV חזירי, אך יש לקחת אותם בחשבון בהכללה של תוצאות אלה לאנטומיה האנושית20,21.

שיטה זו של בדיקת AV חזירי על מכונת PD יכולה להיות מיושמת בבדיקה של הליכים ניסיוניים אחרים ותותבות המיועדים לשימוש על AV. תותבות חדשות של מסתם אבי העורקים וטכניקות של החלפת שורש אבי העורקים, בפרט, ניתנות לתיקון. שיטה זו מספקת פלטפורמה לבדיקה וכימות של השינויים ההידרודינמיים הנגרמים על ידי הליכים ותותבות אלה. לפיכך, הוא מספק הזדמנות להשוות ולכוונן חומרים ונהלים בסביבה רלוונטית ביולוגית לפני השימוש במודל בעלי חיים גדולים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין ניגודי עניינים כספיים רלוונטיים לחשוף.

Acknowledgments

ברצוננו להודות למעבדה של ד"ר גורדנה וונג'אק-נובקוביץ', כולל ג'ולי ואן האסל, מוחמד דיאן ופנפן צ'ן, שאפשרה לנו להשתמש ברקמת פסולת לב מהניסויים שלהם. עבודה זו נתמכה על ידי הקואליציה למומי לב מולדים בבאטלר, ניו ג'רזי, והמכונים הלאומיים לבריאות בבת'סדה, מרילנד (5T32HL007854-27).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Printer Ultimaker Ultimaker S5 Used for printing custom fixtures for hydrodynamic testing
Crile-Wood Needle Driver Emerald Instruments 2.0638.15 Used for suturing ventricle
Debakey Forceps Jarit 320-110 Used for dissection and sample preparation (can use multiple if working with an assistant)
Ethanol 200 proof Decon Labs Inc. DSP-MD.43 Used for fixed tissue storage
Formalin 10% Epredia 5701 Used for tissue fixation
Gerald Forceps Jarit 285-126 Used for dissection and sample preparation
Glass jars QAPPDA B07QCP54Z3 Used for tissue storage
Glutaraldehyde 25% Electron Microscopy Sciences 16400 Used for tissue fixation
HEPES 1 M buffer solution Fisher BP299-100 Used to make glutaraldehyde 0.6%
Mayo Scissors Jarit 099-200 Used for cutting suture
Metzenbaum Scissors Jarit 099-262 Used for dissection and sample preparation
O-ring Sterling Seal & Supply Inc. AS568-117 Used as a gasket on the end of the 3D printed fixtures
Polylactic acid resin Ultimaker 1609 Used for 3D printing fixtures
Polyproplene suture Covidien VP-762-X Used for suturing ventricle, tapered needle
Pulse Duplicator BDC Laboratories HDTi-6000 Used for hydrodynamic testing
Silk ties Covidien S-193 Used for ligating coronary arteries
Tonsil Clamp Aesculap BH957R Used for coronary artery dissection
Zip ties (6 inch) Advanced Cable Ties, Inc. AL-06-18-9-C Used for securing sample to fixtures, 157.14 mm long (6 inches), 2.5 mm wide
Zip ties (8 inch) GTSE GTSE-20025B.1000 Used for securing sample to fixtures, 203 mm long (8 inches), 2.5 mm wide

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Aluru, J. S., Barsouk, A., Saginala, K., Rawla, P., Barsouk, A. Valvular heart disease epidemiology. Medical Science. 10 (2), Basel, Switzerland. 32 (2022).
  2. Herrmann, J. L., Brown, J. W. Seven decades of valved right ventricular outflow tract reconstruction: The most common heart procedure in children. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 160 (5), 1284-1288 (2020).
  3. Rotman, O. M., Bianchi, M., Ghosh, R. P., Kovarovic, B., Bluestein, D. Principles of TAVR valve design, modelling, and testing. Expert Review of Medical Devices. 15 (11), 771-791 (2018).
  4. Pibarot, P., et al. Imaging for predicting and assessing prosthesis-patient mismatch after aortic valve replacement. JACC Cardiovascular Imaging. 12 (1), 149-162 (2019).
  5. Ozaki, S., et al. Aortic valve reconstruction using self-developed aortic valve plasty system in aortic valve disease. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 12 (4), 550-553 (2011).
  6. Krane, M., Amabile, A., Ziegelmüller, J. A., Geirsson, A., Lange, R. Aortic valve neocuspidization (the Ozaki procedure). Multimedia Manual of Cardiothoracic Surgery. , (2021).
  7. Ozaki, S., et al. A total of 404 cases of aortic valve reconstruction with glutaraldehyde-treated autologous pericardium. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 147 (1), 301-306 (2014).
  8. Vandecasteele, T., et al. The pulmonary veins of the pig as an anatomical model for the development of a new treatment for atrial fibrillation. Anatomia Histollogia Embryologia. 44 (1), 1-12 (2015).
  9. Góes, A. M. O., et al. Comparative angiotomographic study of swine vascular anatomy: contributions to research and training models in vascular and endovascular surgery. Journal Vascular Brasilerio. 20, 20200086 (2021).
  10. Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Piątek, K., Hołda, J. Influence of different fixation protocols on the preservation and dimensions of cardiac tissue. Journal of Anatomy. 229 (2), 334-340 (2016).
  11. Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Tyrak, K., Hołda, J. Penetration of formaldehyde based fixatives into heart. Folia Medica Cracoviensia. 57 (4), 63-70 (2017).
  12. Spampinato, R. A., et al. Grading of aortic regurgitation by cardiovascular magnetic resonance and pulsed Doppler of the left subclavian artery: harmonizing grading scales between imaging modalities. International Journal of Cardiovascular Imaging. 36 (8), 1517-1526 (2020).
  13. Capps, S. B., Elkins, R. C., Fronk, D. M. Body surface area as a predictor of aortic and pulmonary valve diameter. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 119 (5), 975-982 (2000).
  14. Baumgartner, H., et al. Recommendations on the echocardiographic assessment of aortic valve stenosis: a focused update from the European Association of Cardiovascular Imaging and the American Society of Echocardiography. European Heart Journal - Cardiovascular Imaging. 18 (3), 254-275 (2017).
  15. Saisho, H., et al. An ex vivo evaluation of two different suture techniques for the Ozaki aortic neocuspidization procedure. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 33 (4), 518-524 (2021).
  16. Saisho, H., et al. Ex vivo evaluation of the Ozaki procedure in comparison with the native aortic valve and prosthetic valves. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 35 (3), (2022).
  17. Paulsen, M. J., et al. Comprehensive ex vivo comparison of 5 clinically used conduit configurations for valve-sparing aortic root replacement using a 3-dimensional-printed heart simulator. Circulation. 142 (14), 1361-1373 (2020).
  18. Al-Atassi, T., et al. Impact of aortic annular geometry on aortic valve insufficiency: Insights from a preclinical, ex vivo, porcine model. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 150 (3), 656-664 (2015).
  19. Sun, M., et al. A biomimetic multilayered polymeric material designed for heart valve repair and replacement. Biomaterials. 288, 121756 (2022).
  20. Waller, B. F., McKay, C., Van Tassel, J., Allen, M. Catheter balloon valvuloplasty of stenotic porcine bioprosthetic valves: Part I: Anatomic considerations. Clinical Cardiology. 14 (8), 686-691 (1991).
  21. Crick, S. J., Sheppard, M. N., Ho, S. Y., Gebstein, L., Anderson, R. H. Anatomy of the pig heart: comparisons with normal human cardiac structure. Journal of Anatomy. 193, 105-119 (1998).

Tags

Ex Vivo מודל חזירי בדיקות הידרודינמיות הליכי מסתם אבי העורקים מכשור רפואי חדשני פרוצדורות לב מודל בעלי חיים משכפל דופק תכונות הידרודינמיות מכשיר רפואי חוקר מקטע זרימה מערכת זרימת חדר שמאל מסתם מיטרלי תפירה דופן חדר שמאל חופשי מקטע יציאה קשת אבי העורקים קיבוע רקמות חומרי תיקון תוך לבבי מיקום מסתמים הליך Neocuspidization מסתם אבי העורקים הליך אוזאקי
מודל חזירי <em>Ex Vivo</em> לבדיקות הידרודינמיות של פרוצדורות ניסיוניות של מסתם אבי העורקים ומכשירים רפואיים חדשניים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

LaSala, V. R., Beqaj, H., Sun, M.,… More

LaSala, V. R., Beqaj, H., Sun, M., Castagnini, S., Ustunel, S., Cordoves, E., Rajesh, K., Jackman, S., Kalfa, D. An Ex Vivo Porcine Model for Hydrodynamic Testing of Experimental Aortic Valve Procedures and Novel Medical Devices. J. Vis. Exp. (198), e65885, doi:10.3791/65885 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter