Summary
Viene descritto un semplice costrutto di carrello, costruito per eseguire l'ecocardiografia di ricerca in maialini svegli in piedi, insieme a considerazioni di costruzione, tecniche di allenamento e immagini ecografiche rappresentative.
Abstract
L'ecocardiografia utilizza onde ultrasoniche per valutare in modo non invasivo la struttura e la funzione cardiaca ed è lo standard di cura per la valutazione e il monitoraggio cardiaco. Il maiale in miniatura, o minipig, viene sempre più utilizzato come modello di malattia cardiaca nella ricerca medica. I maiali sono notoriamente difficili da trattenere e gestire in sicurezza e, pertanto, l'ecocardiografia di ricerca in questa specie viene quasi sempre eseguita in anestesia o sedazione pesante. Anestetici e sedativi influenzano universalmente la funzione cardiovascolare e possono causare la depressione della gittata cardiaca e della pressione sanguigna, aumenti o diminuzioni della frequenza cardiaca e della resistenza vascolare sistemica, cambiamenti nel ritmo elettrico e alterazione del flusso sanguigno coronarico. Pertanto, l'ecocardiografia sedata o anestetizzata potrebbe non rappresentare accuratamente la progressione della malattia cardiaca in modelli animali di grandi dimensioni, limitando così il valore traslazionale di questi importanti studi. Questo articolo descrive un nuovo dispositivo che consente l'ecocardiografia in piedi sveglio nei maialini. Inoltre, vengono descritte le tecniche di addestramento utilizzate per insegnare ai suini a tollerare questa procedura indolore e non invasiva senza la necessità di anestetici che alterano l'emodinamica. L'ecocardiografia stand-awake rappresenta un modo sicuro e fattibile per eseguire il test di monitoraggio cardiaco più comune nei maialini per la ricerca cardiovascolare.
Introduction
L'insufficienza cardiaca è un onere crescente per le istituzioni mediche negli Stati Uniti e all'estero, con una prevalenza mondiale di 38 milioni di pazienti1. Circa 19 milioni di decessi a livello globale sono stati attribuiti a malattie cardiovascolari nel 2020, dimostrando un aumento del 18,7% rispetto al 20102. Lo sviluppo di nuove terapie è lento a raggiungere questa tendenza allarmante. L'insufficienza cardiaca è, quindi, un'area critica di ricerca e l'importanza di strumenti ad alta fedeltà per catturare lo sviluppo e la progressione della malattia non può essere sopravvalutata.
L'ecocardiografia è attualmente lo strumento clinicamente più importante per misurare in modo non invasivo la progressione della malattia cardiaca, ma nei modelli di ricerca su animali di grandi dimensioni, può essere difficile da implementare3. L'ecocardiografia utilizza onde ultrasoniche per valutare la struttura e la funzione cardiaca ed è lo standard di cura in ambito clinico per la valutazione e il monitoraggio cardiaco4. I grandi modelli animali preclinici di malattie cardiache, come i suini, svolgono un ruolo fondamentale nel tradurre la scienza di base nello sviluppo di terapie cardiovascolari5. Ne consegue, quindi, che la traduzione dell'ecocardiografia in grandi modelli animali nello sviluppo di queste terapie è una parte importante di questo sforzo critico.
I maiali sono una delle numerose specie comunemente usate come grandi modelli animali di simulazione ischemica, di sovraccarico di pressione e di rapida insufficienza cardiaca 5,6. I suini sono particolarmente importanti negli studi preclinici, poiché i meccanismi di compensazione neuro-ormonale e il rimodellamento cardiaco rispecchiano da vicino la fisiopatologia umana 6,7. Più recentemente, i maiali in miniatura, o maialini, hanno dimostrato di essere promettenti come modello di comorbidità multiple di malattia cardiaca, con obesità, ipertensione, ipercolesterolemia e diabete con conseguente disfunzione cardiaca e rimodellamento 8,9.
L'esecuzione sicura dell'ecocardiografia nella maggior parte degli animali di grandi dimensioni richiede sedazione pesante o anestesia generale. Tuttavia, tutti i farmaci anestetici e sedativi deprimono la funzione cardiaca in modo dose-dipendente10,11. Anestetici e sedativi possono causare depressione della gittata cardiaca e della pressione sanguigna, aumenti o diminuzioni della frequenza cardiaca e della resistenza vascolare sistemica, cambiamenti nel ritmo elettrico e alterazione del flusso sanguigno coronarico12. Nella maggior parte dei casi, gli anestetici riducono il tono simpatico, diminuendo il ritorno venoso e abbassando la pressione sanguigna13. È importante sottolineare che gli anestetici influenzano anche i parametri ecocardiografici, complicando l'interpretazione di questo esame nel monitoraggio della malattia cardiaca nei modelli animali14. L'ecocardiografia da sveglio è la rappresentazione più vicina della funzione cardiaca nativa.
Qui viene descritto un dispositivo di ritenuta suino, prontamente accettato dai maialini svegli, che può essere utilizzato per il monitoraggio ecocardiografico di base senza richiedere la somministrazione di anestetici emodinamici.
Protocol
La costruzione e l'uso del carrello ecocardiografico sono stati condotti in conformità con gli standard di gestione e addestramento degli animali del Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali dell'Università dello Utah.
1. Considerazioni per la costruzione del carrello ecocardiografico
- Costruisci un aggeggio che consenta l'accesso alle finestre di imaging ecocardiografico in piedi laterali e ventrali.
- Usa un carrello con i lati alti, davanti e dietro per evitare che i maiali si arrampichino o saltino fuori durante l'ecocardiografia.
- Utilizzare un carrello regolabile in lunghezza e larghezza per ospitare suini di varie dimensioni ed età; Tuttavia, negli studi di ricerca in cui tutti i suini hanno le stesse dimensioni, razza ed età, questo potrebbe non essere necessario.
- Procurarsi una rampa antiscivolo per il montaggio e lo smontaggio del carrello. I maiali preferiscono camminare in avanti, quindi uno smontaggio all'indietro è indesiderabile. In questo esempio, è stata utilizzata una rampa rimovibile, in modo tale che potesse essere scollegata da un'estremità dopo aver montato il carrello e quindi spostata all'altra estremità del carrello per lo smontaggio.
- Utilizzare un carrello a ruote con ruote di bloccaggio in quanto ciò consente di spostare l'aggeggio dal deposito alla stanza degli animali.
- Per rispettare gli standard di pulizia e disinfezione del vivaio, utilizzare materiale plastico, metallico e gomma.
- Infine, includere una mangiatoia staccabile sulla parte anteriore del carrello per fornire ai maiali una distrazione durante l'ecocardiografia.
2. Specifiche di costruzione del carrello
NOTA: I maiali utilizzati nel nostro studio erano maiali in miniatura dello Yucatan e del Gottinga di età compresa tra 5 e 10 mesi e, pertanto, il nostro carrello è stato costruito pensando a queste dimensioni.
- Mentre una struttura simile potrebbe essere costruita da zero, per ridurre parte del lavoro di costruzione, iniziare da un carrello di utilità pesante prefabbricato (Figura 1). Si consigliano ruote di bloccaggio.
- Segare e rimuovere la parte anteriore e posteriore del carrello di servizio e sostituire con cancelli costruiti con tubo in PVC e collegamento a catena. Utilizzare il materiale a maglie di catena per appendere una mangiatoia usando ganci o moschettoni (Figura 2). Con la rimozione della parte anteriore e posteriore, l'integrità e la resistenza di tenuta della plastica sono ridotte, quindi per i maiali più grandi e pesanti, rinforzare con barre di metallo sul lato inferiore degli scaffali del carrello.
- Crea un'apertura all'ultimo piano del carrello che sia abbastanza grande da far passare una mano che tiene una sonda ad ultrasuoni. Conservare un pezzo di copertura in plastica montato sulla parte superiore dell'apertura, che può essere rimosso per l'accesso all'ecocardiografia subxifoide una volta che i maiali sono in piedi in sicurezza nel carrello (Figura 3).
- Come adattamento personalizzato, utilizzare il calcio in alluminio (ad esempio, tubo quadrato, barra e lamiera) per costruire una rampa di montaggio / smontaggio in metallo con rinforzi da fissare al carrello modificato in determinati punti di attacco. Aggiungere un'imbottitura in gomma rimovibile per l'impugnatura utilizzando bulloni e gommini (Figura 4).
- Creare un meccanismo a cerniera per i cancelli laterali, con semplici perni utilizzati per restringere l'area di posizione del maiale per una migliore ritenuta (Figura 5). Ciò fornisce una vestibilità aderente per il maiale all'interno del carrello e garantisce che i maiali siano trattenuti in una direzione rivolta in avanti senza la possibilità di girarsi.
3. Addestrare i maialini a stare nel carrello
- I maiali devono essere addestrati a mangiare dalla mangiatoia per un periodo prolungato di tempo, salire sulla rampa e scendere lungo la rampa.
- Riempire il trogolo con un trattamento congelato prolunga il tempo di permanenza dei maiali. Utilizzare combinazioni come succo di frutta, bevanda sostitutiva del pasto o yogurt con cereali e chow standard, biscotti e / o barrette di frutta. Congelare queste combinazioni insieme per creare mangiatoie congelate di lunga durata (Figura 6). Un'altra opzione da considerare è quella di trattenere il pasto normale dell'animale e invece alimentarlo nella mangiatoia nel carrello durante il periodo di ecocardiografia.
- Prima di insegnare ai maiali a mangiare le prelibatezze congelate nell'aggeggio, introdurre le mangiatoie congelate sul terreno, incoraggiando il riconoscimento del trogolo come un trattamento di alto valore.
- Addestrare i maiali ad accettare ecocardiogrammi in piedi per 5-7 giorni, con una sessione di allenamento al giorno. A tale scopo, attenersi alla seguente procedura.
- Introdurre i maiali nel carrello circondando il carrello con dolcetti di alto valore (biscotti o cereali) per 1-2 giorni.
- Introduci i maiali sulla rampa per 1-2 giorni posizionando dolcetti di alto valore lungo la rampa e fornendo ricompense aggiuntive quando i maiali salgono sulla rampa.
- Lasciare che i maiali stiano sul carrello senza impegnare i vincoli laterali o i cancelli (che possono indurre paura) e fornire mangiatoie congelate al cancello anteriore per 2-3 giorni. Durante gli ultimi 1-2 giorni, mentre i maiali mangiano dalle mangiatoie, posizionare la sonda ad ultrasuoni con gel ad ultrasuoni sui maiali per abituarli alla sensazione di contatto con la sonda.
- Dopo questo regime di allenamento, i maiali consentiranno facilmente di chiudere le restrizioni e i cancelli e di eseguire l'ecografia per l'acquisizione dell'ecocardiografia.
4. Acquisizione di immagini
- Ottenere immagini nel carrello ecocardiografico, che consente il posizionamento della sonda nelle seguenti posizioni, come descritto di seguito.
- Scatta immagini attraverso i lati del carrello verso le ascelle destra e sinistra. Queste posizioni vengono utilizzate per ottenere i piani di imaging parasternale destro e sinistro.
- Scatta immagini attraverso il pavimento del carrello fino alla regione subxifoidea per ottenere viste apicali.
- Scatta immagini sia per le immagini in modalità B che in modalità M da queste posizioni erette.
- Per una procedura di registrazione dell'eco da sveglio simulato, vedere il video 1. Nel video, il soggetto animale è rappresentato da una bambola minipig di dimensioni reali, costretta come un vero maialino con spazio di movimento limitato nel carrello. Vengono inoltre mostrati la migliore finestra di accesso e il posizionamento della sonda ecocardiografica di registrazione.
Representative Results
Le immagini rappresentative acquisite in un maialino dello Yucatan a circa 8 mesi di età sono presentate qui. L'animale non è mai stato sedato e si stava godendo mangimi o mangiatoie congelate durante l'acquisizione dell'immagine.
Il carrello ecocardiografico è utile principalmente per ottenere immagini semplici per il calcolo dei volumi della camera ventricolare sinistra e della frazione di eiezione (EF) da immagini e video in modalità B o M. L'imaging più sensibile, come l'imaging vascolare o il Doppler tissutale, può rivelarsi troppo impegnativo con questa tecnica, poiché i suini svegli mantengono una mobilità limitata e il lasso di tempo di imaging è limitato dalla durata dell'alimentazione.
Il laboratorio utilizza una macchina ad ultrasuoni al posto letto senza capacità di analisi delle immagini post-hoc. Pertanto, i video e le immagini fisse richiedono l'elaborazione utilizzando un software di editing e la misurazione utilizzando un software di analisi delle immagini scientifiche.
Attraverso i lati del carrello sono state ottenute immagini trasversali M-mode ad asse corto (Figura 7), che sono state utilizzate per l'analisi del diametro interno ventricolare sinistro in sistole e diastole (LVIDs e LVIDd, rispettivamente) e il successivo calcolo della frazione di eiezione (EF), dove EF = (EDV - ESV)/EDV × 100% (EDV: volume diastolico finale; ESV: volume sistolico finale) basato su volumi calcolati con la formula di Teichholz (volume = 7D3/[2,4 + D]) (D: diametro LV lineare)15. I dati rappresentativi generati da quattro scansioni M-mode ottenute da due minipig sono inclusi nella Tabella 1, così come i dati generati dalle scansioni M-mode registrate dagli stessi animali durante sessioni di eco sedate. Come previsto, l'EF generato dalle sessioni di eco sedate tendeva ad essere inferiore all'EF dalla sessione di eco cosciente.
Le immagini parasternali della vista ad asse lungo B-mode sono state ottenute anche dai lati del carrello (Figura 8). Il metodo area-lunghezza per calcolare l'EF è stato utilizzato con queste immagini in modalità B16. In primo luogo, l'EDV ventricolare sinistro è stato calcolato dalla lunghezza dell'asse maggiore ventricolare sinistro end-diastolico e dall'area della camera utilizzando la formula EDV = (0,85 × area2) / lunghezza. L'ESV ventricolare sinistro è stato calcolato allo stesso modo utilizzando le misurazioni sistoliche. La frazione di eiezione è stata quindi calcolata come EF = (EDV - ESV)/EDV × 100%. I dati rappresentativi generati da otto scansioni B-mode ottenute da due maialini sono inclusi nella Tabella 2. Per confronto, sono inclusi anche i dati generati dalle scansioni B-mode registrate dagli stessi animali durante le sessioni di eco sedate. Utilizzando le immagini B-mode, gli EF generati da sessioni di eco sedate e coscienti erano strettamente abbinati tra loro (Tabella 2).
Figura 1: Vista laterale del carrello ecocardiografico. Il carrello ecocardiografico è costruito utilizzando un carrello utility pesante prefabbricato. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Vista della testa del carrello ecocardiografico. La parte anteriore e posteriore del carrello prefabbricato sono sostituite con cancelli a cerniera in tubo di PVC e collegamento a catena (A), che ospita anche una mangiatoia sospesa (B). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Vista dall'alto del carrello ecocardiografico. Un'apertura viene creata all'ultimo piano del carrello per passare una mano che tiene una sonda ad ultrasuoni. Un pezzo superiore in plastica è montato per il montaggio e lo smontaggio sicuro del carrello. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Rampa in alluminio. Una rampa in alluminio è fissata alla parte anteriore o posteriore del carrello e viene aggiunta un'imbottitura in gomma rimovibile per la presa utilizzando bulloni e occhielli. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Cancello laterale. Le cerniere sono create per i cancelli laterali, con perni per consentire un dimensionamento e un contenimento più accurati. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 6: Tratta per sessioni di eco cosciente. Combinazioni di succo, bevanda sostitutiva del pasto o yogurt combinati con cereali e chow standard, biscotti e / o barrette di frutta vengono congelati per creare mangiatoie surgelate di lunga durata. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 7: Una scansione rappresentativa M-mode ottenuta da un animale cosciente. Analisi dell'immagine di esempio per il calcolo della frazione di eiezione ventricolare sinistra dall'imaging M-mode. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 8: Una scansione rappresentativa B-mode ottenuta da un animale cosciente. Analisi dell'immagine di esempio per il calcolo della frazione di eiezione ventricolare sinistra dall'imaging B-mode. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| Media ± SD | LVIDd (cm) | LVID (cm) | EF (%) |
| Eco cosciente (N=4/2) | 3,8 ± 0,5 | 2,5 ± 0,5 | 64,3 ± 5,4 |
| Eco sedato (N=4/2) | 3,9 ± 0,2 | 3,0 ± 0,0 | 48,5 ± 7,9 |
| EF, frazione di eiezione; SD, deviazione standard. | |||
| N = 4 ecoscansioni ottenute da due animali | |||
Tabella 1: Confronto dei parametri generati dalle immagini in modalità M registrate in minimaiali sedati rispetto ai minimaiali coscienti vincolati nel carrello.
| LV-MALd (cm) | LV-MAL (cm) | LV-CAd (cm2) | LV-CA (cm2) | EF (%) | |
| Eco cosciente (N=8/2) | 5,8 ± 0,8 | 4,5 ± 0,6 | 18,6 ± 5,0 | 10,7 ± 2,8 | 57,3 ± 5,2 |
| Eco sedato (N=8/2) | 5,9 ± 0,5 | 4,8 ± 0,4 | 21,8 ± 2,7 | 13,1 ± 2,4 | 55,3 ± 9,0 |
| LV-MAL, lunghezza dell'asse maggiore ventricolare sinistro; LV-CA, area della camera ventricolare sinistra; | |||||
| EF, frazione di eiezione; SD, deviazione standard. N=8 ecoscansioni ottenute da 2 animali | |||||
Tabella 2: Confronto dei parametri generati dalle immagini in modalità B registrate in minimaiali sedati rispetto ai minimaiali coscienti vincolati nel carrello.
Video 1: Una procedura di registrazione dell'ecocardiogramma da sveglio simulata eseguita su una bambola minipig di dimensioni reali utilizzando il carrello per ecocardiografia. Clicca qui per scaricare questo video.
Discussion
Il carrello ecocardiografico rappresenta un metodo facilmente replicabile per monitorare la struttura e la funzione cardiaca in un importante modello di ricerca cardiaca, il minipig. La novità del carrello risiede nella capacità di catturare immagini ecocardiografiche senza il suo più grande avvertimento: la necessità di utilizzare anestetici o sedativi che modificano la funzione cardiaca degli animali e alterano le stesse misurazioni utilizzate per valutare gli effetti delle terapie cardiache. Inoltre, il carrello è sicuro, economico e un facile obiettivo di addestramento per i maiali.
Gli autori hanno prima identificato le caratteristiche desiderate del carrello e poi hanno lavorato a stretto contatto con un falegname per progettare il prodotto. Le tecniche standard di addestramento al rinforzo positivo erano facili e rapide per insegnare ai maiali ad accettare senza paura il carro e utilizzarlo. Con la pratica dell'ecografia, gli autori sono stati in grado di trovare e registrare rapidamente piani di imaging ecocardiografico bidimensionale standard per l'elaborazione successiva. Durante questi ecocardiogrammi in piedi, non sono mai stati somministrati sedativi o anestetici e, pertanto, i video e le immagini erano rappresentativi della funzione cardiaca sveglia.
La costruzione del carrello ecocardiografico è relativamente semplice per un falegname esperto o tuttofare dopo aver identificato le caratteristiche chiave importanti per il gruppo di ricerca (ad esempio, regolazione delle dimensioni, altezza o punti di accesso alla sonda ecografica). Durante il processo di costruzione, le caratteristiche del carrello possono essere modificate per soddisfare le esigenze dei singoli laboratori. I materiali sono in gran parte poco costosi e la costruzione del carrello può far risparmiare sul costo di esecuzione di ecocardiogrammi con i sedativi e gli anestetici tipicamente utilizzati.
I limiti della tecnica includevano il movimento e il tempo limitato per ottenere le immagini. Mentre il carro poteva essere regolato a varie dimensioni per trattenere i maiali, e mentre gli animali non potevano girarsi e potevano muoversi solo di pochi centimetri in ogni direzione, gli animali erano ancora in grado di muoversi entro i confini del carro. Un portellone, uno scivolo di compressione o un montante, come quelli usati con gli animali da fattoria, potrebbero potenzialmente fornire una migliore moderazione con un addestramento aggiuntivo. Allo stesso modo, l'imaging di successo si basava sul fatto che gli animali fossero distratti dal loro mangime o dalle prelibatezze congelate durante gli ecocardiogrammi. In genere, ciò consentiva circa 15 minuti di imaging, che non erano sempre sufficienti per ottenere tutte le immagini desiderate. La capacità di sostituire facilmente la mangiatoia o aggiungere mangime mentre l'animale rimaneva trattenuto può avere una durata prolungata dell'imaging. Infine, a causa di entrambe le limitazioni di cui sopra, le tecniche di imaging più sensibili, come il Doppler tissutale, si sono rivelate difficili da eseguire nel carrello ecocardiografico in piedi.
Altri modelli sperimentali suini utilizzano spesso tecniche di manipolazione non anestetiche, come la fionda Panepinto17 disponibile in commercio. Tuttavia, gli autori hanno trovato la tecnica dell'imbracatura più ingombrante per l'addestramento dei maiali e l'imbracatura non ha fornito all'ecografista l'accesso ai piani di imaging richiesti per l'ecocardiografia. Altre potenziali applicazioni per il carrello ecocardiografico potrebbero includere altre procedure non dolorose come l'ecografia addominale, l'osservazione delle lesioni cutanee o l'ottenimento di campioni di sangue da una porta di accesso vascolare. Gli autori utilizzano spesso il carrello per trattenere facilmente i maiali per eseguire elettrocardiogrammi e programmare pacemaker, per esempio.
In conclusione, la tecnica di ecocardiografia da sveglio descritta è facile da eseguire e preziosa per ottenere l'ecografia di base del cuore senza la depressione cardiovascolare tipica dell'uso anestetico o sedativo. Questa tecnica può essere utilizzata per confrontare immagini anestetizzate con immagini di risveglio in animali di grandi dimensioni o per il monitoraggio quotidiano della progressione della malattia cardiaca nel prezioso modello traslazionale preclinico suino di malattie cardiache e fallimento.
Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse finanziari da rivelare.
Acknowledgments
I finanziamenti per questa ricerca includono NIH-T32 (T.H.), R01HL133286 (TT.H.), R01HL094414 (R.M.S.), R01HL138577 (R.M.S.), R01HL159983 e R21AG074593 (R.M.S. e TT.H.). Estendiamo la nostra gratitudine a tutti i membri del gruppo di ricerca, agli investigatori aggiunti e al personale del Nora Eccles Harrison Cardiovascular Research and Training Institute and Comparative Medicine presso l'Università dello Utah. Vorremmo anche estendere il nostro apprezzamento al Dr. Joseph Palatinus MD PhD per la sua preziosa formazione e assistenza ecocardiografica.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Access Ramp | N/A - shop built | 58" L x 18" W. Rise of 19" not to exceed 22.5 degree angle. | Any removable aluminum ramp with capacity to hold weight of pigs |
| Fence Feeder with Clips | DuraFlex | E011772 | Feed trough with clips for hanging on chain link, used for frozen treats or feed to distract pigs during echocardiography |
| Heavy Duty Utility Cart | Baxter Medical Equipment & Supplies | Cart # unk / 45x25x33"; Pipes, sch 40 PVC | Made of heavy plastic, with three shelves |
| Image Analysis Software | Image J FIJI | https://imagej.net/software/fiji/ | Free scientific image analysis software |
| Lumify Ultrasound with S4-1 Phased Array Transducer | Philips | FUS6884 | Handheld bedside ultrasound with cardiac probe, used with a tablet device and proprietary software |
| Video Editing Software | Adobe Premiere Pro 2022 | https://www.adobe.com/products/premiere.html | Commen software part of Adobe Creative Cloud. |
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