The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
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1Electrical and Computer Engineering Department, The George Washington University, 2Pharmacology and Physiology Department, The George Washington University
Asfour, H., Wengrowski, A. M., Jaimes III, R., Swift, L. M., Kay, M. W. NADH Fluorescence Imaging of Isolated Biventricular Working Rabbit Hearts. J. Vis. Exp. (65), e4115, doi:10.3791/4115 (2012).
Desde su creación por Langendorff 1, el corazón aislado y perfundido sigue siendo una herramienta importante para el estudio de la fisiología cardiaca 2. Sin embargo, no está bien adaptado para los estudios de metabolismo cardíaco, que requieren el corazón para realizar un trabajo en el contexto de la precarga fisiológica y presiones poscarga. Modificaciones introducidas Neely a la técnica de Langendorff para establecer su caso del ventrículo izquierdo (VI) la precarga y la poscarga. 3 presiones El modelo se conoce como el modelo de corazón aislado VI de trabajo y se ha utilizado ampliamente para estudiar la función del VI y el metabolismo 4-6. Este modelo, sin embargo, no proporciona un ventrículo cargado correctamente derecho (VD). Demmy et al. informó por primera vez un modelo biventricular como una modificación del modelo de trabajo del corazón LV 7, 8. Ellos encontraron que el desarrollo del volumen sistólico, el gasto cardíaco y la presión de mejorar en los corazones convertidos desde el modo de trabajo del VI al modo de trabajo biventricular 8 8.
Al estudiar los efectos metabólicos de la lesión miocárdica, tales como isquemia, a menudo es necesario para identificar la localización del tejido afectado. Esto puede hacerse mediante imágenes la fluorescencia de NADH (la forma reducida del dinucleótido de nicotinamida adenina) 9-11, una coenzima encuentra en grandes cantidades en las mitocondrias. NADH fluorescencia (fNADH) muestra una relación casi lineal inversa con 12 locales la concentración de oxígeno y proporciona una medida del estado redox mitocondrial 13. imagen fNADH durante condiciones de hipoxia isquémica y se ha utilizado como un método de tinte libre para identificar las regiones hipóxicas 14, 15 y para controlar la progresión decondiciones hipóxicas en el tiempo 10.
El objetivo del método es para supervisar el estado redox mitocondrial de biventriculares corazones de trabajo durante protocolos que alteran la tasa de metabolismo de los miocitos o inducir la hipoxia o crear una combinación de los dos. Corazones de conejos blancos New Zealand estaban conectados a un sistema de trabajo cardiaca biventricular (Hugo Sachs Elektronik) y perfundidos con Krebs-Henseleit modificado solución de 16 a 37 ° C. Aórtica, LV, arteria pulmonar, y las presiones de la aurícula izquierda y la derecha se registraron. La actividad eléctrica se midió utilizando un electrodo de potencial de acción monofásico. Para la imagen fNADH, la luz de una lámpara de mercurio se filtró (350 ± 25 nm) y que sirve para iluminar el epicardio. La luz emitida se filtró (460 ± 20 nm) y la imagen mediante una cámara CCD. Los cambios en el fNADH epicárdica del corazón biventricular de trabajo durante diferentes frecuencias de estimulación se presentan. La combinación del modelo de corazón y de imagen fNADHproporciona una herramienta experimental nueva y valiosa para el estudio de patologías cardíacas agudas en el contexto de realistas condiciones fisiológicas.
1. Configuración para el Estudio
2. La escisión del Corazón
3. La canulación biventricular
4. Adquisición de la señal: Presiones, potenciales de acción monofásicos y fNADH
5. Off-line de procesamiento de imágenes fNADH

6. Los resultados representativos
Vistas anterior y basal de una preparación de trabajo biventricular corazón de conejo se muestran en la Figura 1. La presión del ventrículo izquierdo se midió mediante la navegación de un catéter transductor de presión (Millar SPR-407) más allá de la válvula aórtica y en el ventrículo izquierdo. Presiones de la aorta, la arteria pulmonar y del ventrículo izquierdo (LVP) se muestran en la Figura 1C. Diastólica LVP es normalmente entre 0 y 10 mmHg. La presión mínima diastólica aórtica es de aproximadamente 60 mmHg. Sistólica máxima LVP depende de la presión de llenado (la precarga o la presión de LA) y la contractilidady, óptimamente, debe estar entre 80 y 100 mmHg. La presión aórtica máxima y LVP máximo debe ser igual, como se muestra en la Figura 1C.
Potenciales de acción monofásicos (MAP) con una fase de despolarización rápida y una fase de repolarización que son típicas de los corazones de conejo se muestran en la Figura 1D. Los mapas se pueden registran con relativa facilidad a partir de un corazón de contratación pero normalmente tendrá un artefacto de movimiento pequeño durante la diástole, como se muestra en la Figura 1D. Los mapas son útiles para confirmar el arrastre con éxito del corazón (captura) durante la estimulación y también se puede utilizar para medir cambios locales electrofisiológicos debido a la isquemia u otras perturbaciones agudas. Un ECG también podría ser medido sumergiendo el corazón en un baño de superperfundido caliente y colocando un electrodo en el baño en los lados izquierdo y derecho del corazón. Un electrodo indiferente tercero o bien se coloca en el baño, lejos del corazón, o está unido a la aorta.Un ECG proporcionará información con respecto a la excitación mundial y el proceso de repolarización, que es útil para evaluar la función eléctrica en general y para revelar la presencia de isquemia.
fNADH imagen revela cambios en el estado redox mitocondrial del corazón, que pueden ser utilizados para medir la progresión espacio-temporal de las regiones isquémicas o hipóxicas. Para este estudio, se midió epicárdica fNADH para monitorear los cambios en el estado redox durante tres frecuencias de estimulación en longitudes de ciclo (CLS) de 300, 200 y 150 ms. Los valores medios de fNADH de una región de interés (cuadro rojo, Figura 2) muestran que los niveles basales de fNADH aumentar a medida que la longitud del ciclo se acorta. Cuando la frecuencia de estimulación se acerca a ritmo sinusal (CL = 300 ms) de referencia de nivel fNADH es relativamente constante. Como la duración del ciclo se reduce por debajo de 300 ms, línea de base fNADH aumento de los niveles, con el mayor incremento en el menor CL (150 ms). Alta resolución fNADH imágenes de la superficie anterior completoen 200 y 400 ppm se muestra en la Figura 3. niveles fNADH a 200 lpm eran constantes y homogéneas espacialmente. A 400 ppm, los niveles de fNADH aumentado considerablemente en todo el epicardio. Heterogeneidad espacial significativa se observó que los mayores aumentos se producen dentro de las regiones septal del VD y el VI.
La señal fNADH oscila con la contracción (artefactos de movimiento) y la frecuencia de oscilación corresponde a la frecuencia cardíaca (Figura 2). En la canulación biventricular, la base del corazón se lleva a cabo por 4 cánulas, que ayuda a impedir que el corazón de balanceo durante la contracción. Por lo tanto, la amplitud de oscilación es siempre menor que cualquier escala de tiempo más largo (5-10 segundos) tendencias en fNADH que son causadas por isquemia o hipoxia.

Figura 1. Las presiones típicas y los potenciales de acción monofásicos de un trabajo aislado biventricular raBBIT corazón. A. vista basal del corazón que muestra la cánula cuatro: 1, la aorta, 2, arteria pulmonar, y 3, de la aurícula izquierda, y 4, de la aurícula derecha la vista B. anterior del corazón mostrando el ventrículo izquierdo (VI) y el ventrículo derecho. (RV). C. presiones representativas. Arriba: la presión ventricular izquierda (línea continua) y la presión aórtica (línea punteada). Conclusión: la presión pulmonar. D. Representante potenciales de acción monofásicos. La señal está en consonancia con las presiones que se muestran en el panel C. Haga clic aquí para ver más grande la figura .

Figura 2. fNADH imagen de un biventricular aislado de trabajo del corazón de conejo. Arriba: Una caricatura del campo de visión (izquierda) y tres imágenes fNADH se muestran. La longitud de estimulación ciclo correspondiente (CL) está indicado en cada imagen.La región de interés para la señal fNADH en el panel inferior está indicado por el cuadro rojo. La punta del electrodo del potencial de acción monofásico se ve a la derecha de la región de interés. El epicardio se iluminó con la lámpara de mercurio y guía de luz, como se muestra en la Figura 5. Sólo la superficie del epicardio que rodea a la región de interés se iluminó Abajo:. FNADH promedio para la región de interés indicado por el cuadro rojo en el panel superior. Promedio aumenta con la duración del ciclo fNADH reducida.

Figura 3. fNADH imágenes de toda la superficie anterior de un trabajo aislado biventricular corazón de conejo. El corazón era de ritmo de la AR a 200 bpm y 400 bpm. fNADH fue fotografiada (2 fps, 128x128 píxeles con una resolución de 0,4 mm), mientras que el epicardio iluminando toda la anterior con dos LEDs de alta potencia (Mightex PLS-0.365-030-S, 365 nm, el 4% intensity, 50 mW máx).
El corazón aislado perfundido Langendorff sigue siendo una herramienta importante para el estudio de la fisiología cardiaca 2. Es especialmente útil en los estudios de arritmias cardíacas, en particular los que utilizan imágenes de fluorescencia del potencial de membrana 20. Una ventaja es que el epicardio completa del corazón aislado se puede observar 21, 22. Otra ventaja es que, en contraste con la sangre, la perfusión con una solución tampón cristaloides claro no interfiere con las señales de fluorescencia. Una limitación es que la técnica de Langendorff no está bien adaptado para estudios del metabolismo cardíaco, que a menudo requieren el corazón para realizar un trabajo en el contexto de la precarga fisiológica y presiones poscarga.
Para elevar la relevancia de preparaciones de corazón aislado de los estudios metabólicos, Neely introdujeron modificaciones a la técnica de Langendorff para establecer su caso del ventrículo izquierdo (VI) la precarga y la poscarga 3 presiones.El modelo se conoce como el modelo de corazón aislado VI de trabajo y se ha utilizado ampliamente para estudiar la función del VI y el metabolismo 4-6. El modelo LV de trabajo del corazón es superior al modelo de Langendorff para las evaluaciones funcionales, sin embargo, no proporciona un ventrículo cargado correctamente derecho (VD). Demmy et al. informó por primera vez un modelo biventricular (LV y RV) como una modificación del modelo de trabajo del corazón LV 7, 8. Ellos encontraron que el desarrollo del volumen sistólico, el gasto cardíaco y la presión de mejorar en los corazones convertidos desde el modo de trabajo del VI al modo biventricular de trabajo 8. Un RV cargado correctamente también mejora la función del tabique por la disminución de los gradientes de presión anormales a través del tabique. Biventriculares corazones de trabajo se ha demostrado que mantener la producción de la aorta, flujo pulmonar, la presión media de la aorta, la presión pulmonar, la frecuencia cardíaca y el ATP de miocardio, y los niveles de creatina fosfato para un máximo de 3 horas 8. Biventriculares de trabajo los estudios cardíacos suelen utilizar los corazones from pequeños animales, tales como ratas y conejos, ya que el gasto cardíaco y el volumen requerido de perfundido son mucho menor que el de corazones de animales más grandes. Sin embargo, los estudios biventriculares de trabajo del corazón se han llevado a cabo utilizando los corazones de los cerdos, caninos, e incluso los seres humanos 23, 24.
La demanda metabólica de los corazones aislados en el modo de funcionamiento biventricular es considerablemente mayor que el de la perfusión de Langendorff. Es importante que la solución de perfusión proporcionar suficiente oxígeno y sustratos metabólicos para apoyar la función cardíaca biventricular. Soluciones tampón estándar cristaloides, tales como de Krebs-Henseleit 16, 17, 25 o Tyrodes 26, 27, tienen solubilidades de oxígeno tan alto como 5,6 mg / l Cuando estas soluciones se gaseó con carbógeno (una mezcla de gas de 95% de O 2 y 5% de CO 2) y contienen sustrato adecuado metabólico (glucosa, dextrosa, y / o piruvato de sodio), que son apropiados para biventriculares corazones de trabajo batiendo en normaal seno tasas (aproximadamente 180 latidos por minuto para un conejo).
Metabólica aumenta la demanda de ritmos rápidos y la cantidad de oxígeno disuelto en perfusates estándar podría no ser suficiente para mantener un corazón totalmente biventricular de trabajo que se está contrayendo a tasas elevadas. Las soluciones cristaloides tampón conteniendo eritrocitos o mixtos con la sangre entera se han utilizado en preparaciones de corazón de trabajo para garantizar la disponibilidad de oxígeno adecuado. Estudios anteriores han demostrado que la adición de eritrocitos a una solución de Krebs-Henseleit mejora de la función de trabajo del corazón durante los protocolos de estimulación rigurosos y también redujo la incidencia de fibrilación ventricular 16. Una limitación del uso de los eritrocitos o mezclas de sangre entera es que la hemoglobina interfiere con longitudes de onda de luz que se utilizan para fluorescencia de imágenes 13. Otros sustratos, tales como albúmina, se pueden añadir también a perfundido soluciones para prolongar la viabilidad del corazón y reducir el edema 28.
En imágenes de fluorescencia la intensidad de la luz de excitación debe ser alto y la distribución de la luz debe ser uniforme. El logro de una iluminación uniforme no siempre es fácil debido a la curvatura de la superficie epicárdica. En nuestros estudios, la imagen fNADH al filtrar la luz (350 ± 25 nm) de una lámpara de mercurio. Una guía de fibra óptica bifurcada la luz se utiliza para dirigir la luz ultravioleta sobre la superficie epicárdica. Iluminación uniforme se puede lograr mediante la colocación apropiada de los dos casquillos de salida. UV LED fuentes de luz también se podría utilizar, como hemos demostrado en la Figura 3. Fuentes LED son relativamente baratos para fuentes múltiples podrían ser incorporados en un sistema de imagen. Los LEDs también pueden ser ciclos de encendido y apagado en las altas tasas de sincronizar la luz de excitación con la adquisición de la imagen.
Photobleaching de NADH debe minimizarse 29 al reducir el tiempo de iluminación del tejido. Esto puede hacerse mediante ciclos de la iluminación y desactivarse mediante un electrónIC del obturador y una lámpara o con un sistema de iluminación LED y un controlador. Si la iluminación está sincronizada con el ciclo cardíaco, a continuación, la adquisición de imágenes fNADH que puede limitarse a la diástole, lo que reduciría los artefactos de movimiento en las señales de fluorescencia. Iluminación Trigging y adquisición de imágenes mediante una señal de presión, como la presión del VI, sería una manera de hacer esto.
En nuestros estudios hemos observado que los cambios en fNADH por unidad de tiempo puede ser más de 5 veces superior a 400 ppm que a 200 ppm. Esto indica que los ritmos rápidos elevar el estado redox del corazón. Sea o no esto es causado por la hipoxia o la incapacidad de los miocitos para oxidar NADH a NAD + con la suficiente rapidez para evitar la acumulación de NADH es todavía una pregunta sin respuesta.
El rendimiento de una preparación cardiaca biventricular de trabajo depende de múltiples factores. Uno de los más importantes es establecer las presiones adecuadas de precarga y la poscarga para imitar los efectos fisiológicoscondiciones que están bajo investigación. En particular, la poscarga del VI (presión aórtica) debe ser ajustada para representar la presión sistémica. Si es demasiado alta, el LV no será capaz de superar la presión, lo que resulta en la regurgitación. La presión que es demasiado baja afectará adversamente a la perfusión coronaria. La presión de precarga del ventrículo izquierdo (presión de la aurícula izquierda) debe también ser ajustado para proporcionar un volumen de fin de diástole que es apropiado para el protocolo experimental.
fNADH imágenes de los tejidos vivos es una vía reconocida de la fluorescencia de imagen 13. Su aplicación al tejido cardíaco se puso de manifiesto por Barlow y Chance, cuando se reportaron incrementos notables de fNADH dentro del tejido regional isquémico después de la ligadura de un vaso coronario 14. Sus imágenes fNADH se registraron en el cine con una cámara osciloscopio Fairchild y la fotografía con flash UV. Coremans et al. amplió este concepto utilizando la fluorescencia de NADH / UV ratio de reflexión para medire el estado metabólico del epicardio de corazones de rata perfundidos Langendorff de sangre 30. Un videofluorimeter se utilizó para la imagen y los datos ha sido grabado con un grabador de vídeo. Más tarde, Scholz et al. utiliza una amplia espectrógrafo y un fotodiodo para medir fNADH promedio en un área amplia de la LV. Este enfoque reduce los efectos de las heterogeneidades de fluorescencia epicárdicas y las variaciones locales en la circulación al tiempo que revela macroscópicas relacionadas con el trabajo de las variaciones fNADH 31. Este enfoque es similar a los niveles de computación fNADH promedio para una región de interés en todos los marcos de un conjunto de datos fNADH de imagen, como se ilustra en la Figura 2. Como ya hemos presentado en este artículo, la tecnología de hoy ofrece cámaras de alta velocidad CCD y control digital de alta potencia focos UV. Estas tecnologías permiten la dinámica espacio-temporales de fNADH y el metabolismo cardiaco para ser estudiado desde muchas perspectivas nuevas. El costo relativamente bajo de la óptica y la fuente de luz hace que fNADH imágenes de un accesorio muy útil para los sistemas convencionales de mapeo óptico cardíacos. 9, 32
No hay conflictos de interés declarado.
Este trabajo fue apoyado por una beca del NIH (R01-HL095828 a MW Kay).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S-3014 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P3911-500G | |
| CaCl2 | Fisher Scientific | C77-500 | |
| MgSO4 | Sigma-Aldrich | M-7506 | |
| NaHCO3 | Fisher Scientific | S-233 | |
| KH2PO4 | Fisher Scientific | 423-316 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | 158968-500G | |
| NaPyruvate | Sigma-Aldrich | P2256-25G | |
| Albumin | Sigma-Aldrich | A9418-100G |
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ReplyPosted by: stacy b.July 26, 2012, 12:51 PM