多参数的Langendorff灌注兔心脏的光学测绘
2011年9月13日
本文介绍采用全景成像系统中的Langendorff灌注兔心脏进行光学测绘实验的基本程序，和双（电压和钙）的成像方式。
该程序的总体目标是通过在 langor 灌注的兔心脏中使用光学标测技术来研究心脏电生理特性，例如传导、复极化、心律失常发生和钙处理。这是通过首先通过主动脉分离和逆行灌注完整的兔子心脏来实现的。该程序的下一步是暴露心脏表面，消除心脏的收缩，使用 Coler BLEs 他汀类药物的兴奋收缩，并使用电压敏感和钙荧光指示剂对心肌进行适当染色。
然后，使用全景光学标测系统记录来自大部分心室外膜的光学动作电位。然后将光信号映射到重建的心脏心外膜表面的 3D 几何形状上。在此步骤中，可以使用非全景双成像系统同时记录光学动作电位和钙瞬变。
该程序提供空间和时间心肌、兴奋和复极化的定量数据，以及钙处理的一致特征，这些数据可以在规则心律以及房性和室性心律失常期间进行分析。嗨，我是 Iger Eov 博士。我是圣路易斯华盛顿大学的生物医学工程教授。
我们今天介绍的光学技术是一种独特的技术，与传统的微电图和微电图相比具有许多优势，因为它能够同时记录数万个动作电位和钙瞬变。此外，该技术不受电刺激和除颤产生的伪影的影响，这些伪影会严重扭曲任何电图记录的动作电位。此外，钙瞬变只能通过这种技术来记录。
别无选择。该方法有助于回答心脏电生理学领域的关键问题，例如危及生命的房性和室性心律失常的诱导、维持和终止机制，以及先天性心脏病、代谢性疾病和心力衰竭等疾病中传导和兴奋与构建耦合中的功能建模。准备好手术后，用戊巴比妥钠和肝素的混合物对兔子实施安乐死。
一旦兔子对疼痛反射没有反应，就打开它的胸部并切除心脏和肺。在主动脉弓的所有分支打开泵以开始 Tyro 溶液在非再循环 LRF 灌注系统中的流动之前，在升主动脉的上端进行切割。将心脏快速安装到与 LOR 灌注系统连接的 16 号主动脉插管上。
将空气从主动脉中冲洗出来，并在完全灌注后系好主动脉插管。不要浪费时间切开心包。然后去除心脏周围的肺气管脂肪和结缔组织。
防止左心室积液非常重要，左心室积液会导致缺血。因此，将硅胶引流管穿过肺静脉和二尖瓣，插入左心室。现在将带有套管的心脏移动到配备光学标测系统的再循环 lang Andorf 灌注系统。
将心脏放入定制的六边形腔室中，并将套管连接到灌注系统。使用压力传感器监测主动脉压，并通过调整灌注泵的流速将其保持在 60 左右，正负 5 毫米汞柱。将 pH 值保持在 7.35 左右，正负 0.05。
关闭室内灯，通过位于套管上方的气泡捕集器中的注射口缓慢注入光敏性 BLEs 他汀类药物原液。为了达到 10 微摩尔 BLEs 他汀类药物的浓度，缓慢注射 0.1 毫升 BLEs 他汀类药物。对于每次推注，请等待压力稳定后再进行下一次注射。
将光电二极管阵列或 PDA 放置在心脏周围三个均匀分布的角度。然后在每个 PDA 上，将心形的图像聚焦在图像平面的磨砂玻璃上。调整套管在六边形腔室和每个 PDA 中的位置，直到心脏适合所有三个 PDA 的视野。
然后为磨砂玻璃上的每个聚焦图像拍照。通过气泡阱中的注射口将 10 至 20 微升 D four Anep 储备液缓慢注入灌注溶液中。然后等待 3 分钟。
接下来，轻轻地将起搏电极放在所需位置。在这里，它被放置在心脏前视图的中心。开始从 PDA 进行同步光纤记录。
确保光信号中没有运动伪影，并且信噪比足以进行后续数据分析。完成后，打开房间的灯，从位于其中一个 PDA 位置的相机每旋转 10 度拍摄一张照片，对心脏进行照片记录。然后继续清理灌注系统。
将插管心脏放在一个顽皮的玻璃室中，并将插管连接到灌注系统。将心脏向下固定在心室根尖和心房的腔室硅底部。为了固定心脏，请关闭室内灯并通过注射口缓慢注射 BLEs 他汀类药物，以减少溶液表面的运动。
将玻璃窗罩放在心外膜表面上方。这部分程序通常在黑暗中进行，但在光线下进行。为了改善视频图像，请将双成像系统移动到心脏顶部。
现在将两个 CMO 相机聚焦在同一个视野上。接下来，使用激发滤光片定位两个卤素灯的导光器。通过进样口加入 10 至 20 微升电压敏感染料 RH 2 37 对心脏进行染色。
然后通过气泡捕集器端口，在凌晨 2：00 加入 200 微升 onic F1 27 的一对一混合物。等待大约 20 分钟，以便在凌晨 2：00 对道路进行 DS 化，然后再开始映射。现在进行测试录制。
关闭 Superfusion 泵以避免溶液表面运动。打开卤素灯并从两台相机进行光学记录。然后关闭激发灯。
打开输液泵并检查光信号的质量。如果信号较弱，则使用额外的 RH 2 37 和 Road 2：00 AM 重新染色心脏。如果存在运动伪影，请添加额外的 BLEs 他汀类药物以消除运动，一切正常。继续执行计划的实验并清理系统。
完成后，使用全景光学标测系统来显示 Lang Endorf 灌注兔子心脏的前视图。相比之下，心脏几何形状的重建显示了相同的前视图。此处显示的未包裹的心外膜表面按相位进行颜色编码。
心脏从转子周围的五个位置经历了一次粘性心律失常。提出了光学动作电位。红色部分是在稳定的 reran 心律失常周期中传播的激活波前。
波前围绕心脏前表面的相位奇点顺时针旋转。复极化为透明蓝色，以便观察后表面的波前。使用双标测系统对心脏进行分析，以显示动作电位和钙瞬变的同步标测。
A 来自一个站点的记录的特写视图显示动作电位为蓝色，钙瞬变为红色。从一组均匀分布的部位显示样本轨迹数组，如此前视图上的点所示。这些数据以每像素 200 微米 x 200 微米的光学分辨率收集。
该疗法的意义扩展了房性和室性 10 K 心律失常的除颤疗法，因为我们可以直接看到电疗过程中强电刺激的效果。没有其他方法可以做到这一点。使用这种方法，我们开发并验证了针对心房颤动和室性心动过速的新型低压无痛放气疗法。
概述
本文描述了在Langendorff灌流的兔心中使用全景成像系统进行光学映射实验的步骤。该研究聚焦于心脏电生理特性，包括传导和钙处理。
关键研究组成部分
科学领域
- 心脏电生理学
- 光学映射技术
- 心律失常发生
背景
- 光学映射允许同时记录动作电位和钙瞬变。
- 该方法提供了关于心脏功能和心律失常的洞察。
- 传统方法可能受到电刺激伪影的限制。
- 该研究使用Langendorff灌流的兔心模型。
研究目的
- 研究心脏传导、复极和心律失常发生。
- 分析心肌中的钙处理。
- 提供兴奋和复极动力学的定量数据。
使用的方法
- 兔心的分离和逆行灌流。
- 用电压敏感和钙荧光指示剂染色心肌。
- 使用全景光学映射系统记录光学动作电位。
- 光学动作电位和钙瞬变的同步双重成像。
主要结果
- 心肌的空间和时间特征的定量数据。
- 对心律失常和心脏疾病机制的洞察。
- 展示光学映射相对于传统心电图的优势。
结论
- 光学映射是研究心脏电生理学的有力工具。
- 该技术可以帮助解决心律失常研究中的关键问题。
- 未来的研究可以利用这一方法对心脏功能进行更深入的研究。
常见问题
Executive Industry Relevance
Optical mapping in Langendorff-perfused rabbit hearts enables high-resolution, artifact-free visualization of cardiac electrophysiology, supporting mechanistic de-risking in arrhythmia target validation. This approach provides quantitative spatial-temporal data on action potentials and calcium transients, directly informing predictive confidence in preclinical models of ventricular and atrial arrhythmias. The method bridges discovery biology and translational research by enabling reproducible, scalable assessment of pro-arrhythmic liability and therapeutic response in a disease-relevant system.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by mapping reentrant wave dynamics and phase singularities during induced arrhythmias.
- Operational Value: Enables functional target validation through simultaneous voltage and calcium imaging to de-risk excitation-contraction coupling mechanisms.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying arrhythmogenic substrate vulnerability under controlled perfusion conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by establishing baseline electrophysiological and calcium handling phenotypes.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility through Langendorff perfusion control and dye-staining protocols.
- Scalability: Highlights screening readiness via panoramic and dual imaging systems capable of simultaneous multi-site optical recording.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Uses rabbit heart model with demonstrated similarity to human excitation-contraction coupling and arrhythmia wave patterns.
- Translational Continuity: Connects discovery findings to preclinical validation through quantitative analysis of conduction, repolarization, and calcium handling during regular rhythm and arrhythmia.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by providing mechanistic insights into arrhythmia induction, maintenance, and termination.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment, enabling iterative refinement of antiarrhythmic candidates based on electrophysiological and calcium handling profiles.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by visualizing rotor dynamics and action potential calcium transient relationships during arrhythmogenesis.
- Screening: Describes assay readiness through reproducible optical signal acquisition with sufficient signal-to-noise ratio for spatial-temporal analysis.
- Analytics: Highlights quantitative measurements of excitation and repolarization dynamics, enabling comparative condition assessment.
- Translational Research: Connects method to preclinical continuity via disease-relevant arrhythmia models and calcium handling insights relevant to heart failure and metabolic disease.
- Enterprise Reuse: Frames the optical mapping system as a reusable platform for assessing multiple compounds or genetic modifications in a standardized perfused heart preparation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity in arrhythmia mechanisms.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of electrophysiological and calcium transient measurements.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in cardiovascular programs.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative arrhythmia liability data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cardiac isolation, Langendorff perfusion, and fluorescent dye handling.
- Needs optical mapping systems with photo diode arrays or CMOS cameras, light sources, and perfusion pressure control.
- Demands cross-team standardization of staining protocols, excitation-contraction uncoupling, and signal acquisition parameters.
- Involves adaptation considerations for species-specific flow rates, optics, and dye loading when extending beyond rabbit hearts.
- Includes practical limitations such as dye photobleaching, motion artifact susceptibility, and the need for precise temperature and pH maintenance during experiments.
