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Ex-vivo-Herzpräparate sind seit über einem Jahrhundert ein fester Bestandteil physiologischer, pathophysiologischer und pharmakologischer Studien. Ausgehend von der Arbeit von Elias Cyon in den 1860er Jahren passte Oskar Langendorff das isolierte Froschmodell für die retrograde Perfusion an und setzte die Aortenwurzel unter Druck, um den Koronarfluss mit einem sauerstoffhaltigen Perfusat1 zu gewährleisten. Mit seiner Adaption konnte Langendorff einen Zusammenhang zwischen Koronarzirkulation und mechanischer Funktion2 nachweisen. Das ex-vivo retrograde perfundierte Herz, später namensgebend als Langendorff-Technik bezeichnet, ist ein Eckpfeiler der physiologischen Untersuchung geblieben und nutzt seine Einfachheit, um das isolierte Herz in Abwesenheit potenzieller Störfaktoren kraftvoll zu untersuchen. Das Langendorff-Präparat wurde weiter modifiziert, damit das Herz ausstoßen kann (das sogenannte "Arbeitsherz") und das Perfusat rezirkulierenkann 3. Die primären physiologischen Endpunkte von Interesse sind jedoch unverändert geblieben. Zu diesen Endpunkten gehören Messungen der kontraktilen Funktion, der elektrischen Leitung, des Herzstoffwechsels und des Koronarwiderstands4.
Um die Herzfunktion in seiner ursprünglichen Froschherzvorbereitung zu bewerten, maß Langendorff die Spannung, die durch die ventrikuläre Kontraktion in der Längsachse erzeugt wird, mit einer Naht, die zwischen der Herzspitze und einem Kraftaufnehmer verbunden ist. 5 Die isometrische Kontraktion wurde auf diese Weise quantifiziert, wobei die Basalspannung in Abwesenheit einer ventrikulären Füllung auf das Herz ausgeübt wurde. Die Verfeinerung des Ansatzes hat dazu geführt, dass flüssigkeitsgefüllte Ballons über den linken Vorhof in den linken Ventrikel platziert wurden, um die Myokardleistung während der isovonomen Kontraktionzu bewerten 6. Um den Herzrhythmus und die Herzfrequenz zu beurteilen, können Oberflächenleitungen an den Polen des Herzens platziert werden, damit die Forscher das Elektrokardiogramm aufzeichnen können. Angesichts der obligatorischen Denervierung ist jedoch mit einer relativen Bradykardie zu rechnen. Extrinsisches Pacing kann dazu dienen, dies zu überwinden und die Herzfrequenzvariabilität zwischen den Experimentenzu eliminieren 1. Ein weiteres Ergebnismaß, der Myokardstoffwechsel, kann beurteilt werden, indem der Sauerstoff- und Stoffwechselsubstratgehalt im Koronarperfusat und -abwasser gemessen und die Differenz zwischen ihnen berechnetwird 7. Die Laktatquantifizierung im Koronarabwasser kann bei der Charakterisierung von Perioden des anaeroben Stoffwechsels helfen, wie sie bei Hypoxie, Hypoperfusion, Ischämie-Reperfusion oder metabolischen Störungen beobachtetwerden 7.
Langendorffs ursprüngliche Arbeit ermöglichte die Untersuchung des Ex-vivo-Säugetierherzens unter Verwendung von Katzen als Hauptfach5. Die Bewertung des isolierten Rattenherzens gewann Mitte der 1900er Jahre an Popularität bei Howard Morgan, der 1967 das Rattenmodell des "arbeitenden Herzens" detailliertbeschrieb 5. Der Einsatz von Mäusen begann erst vor 25 Jahren aufgrund der technischen Komplexität, der Gewebezerbrechlichkeit und der relativ geringen murinen Herzgröße. Trotz der Herausforderungen, die mit der Untersuchung von Mäusen verbunden sind, haben die niedrigeren Kosten und die Leichtigkeit der genetischen Manipulation die Attraktivität und Nachfrage solcher murinen Ex-vivo-Präparate erhöht. Leider war die Anwendung der Technik auf erwachsene Tiere beschränkt, wobei juvenile 4 Wochen alte Mäuse die jüngsten Probanden waren, die bis vor kurzem für Ex-vivo-Studien verwendet wurden 8,9. Während juvenile Mäuse im Vergleich zu Erwachsenen "relativ unreif" sind, ist ihr Nutzen als Probanden für entwicklungsbiologische Studien begrenzt, da sie im Großen und Ganzen von ihrer Muttermutter entwöhnt wurden und bald in die Pubertätkommen werden 10. Die Adoleszenz tritt weit über den postnatalen Übergang in der myokardialen Substratverwertung von Glukose und Laktat zu Fettsäurenhinaus auf 11. So sind die meisten Informationen über die metabolischen Veränderungen im neonatalen Herzen historisch aus der Ex-vivo-Arbeit bei größeren Arten wie Kaninchen und Meerschweinchenentstanden 11.
Tatsächlich gibt es alternative Ansätze für die Langendorff-Vorbereitung. Dazu gehören In-vitro-Experimente, denen die gesamten funktionellen Daten und der Kontext des Organs fehlen, oder In-vivo-Studien. Dies kann technisch herausfordernd und kompliziert sein, indem Variablen wie die kardiovaskulären und respiratorischen Wirkungen eines erforderlichen Anästhetikums, der Einfluss des neurohumoralen Inputs, die Folgen der Kerntemperatur, der Ernährungszustand des Tieres und die Substratverfügbarkeit12,13 vermischt werden. Da der Langendorff-Ansatz die Untersuchung des isoliert-perfundierten Herzens in einer Ex-vivo-Weise in einer kontrollierteren Weise in Abwesenheit solcher Störfaktoren ermöglicht, wurde und wird er als ein leistungsfähiges Prüfinstrument angesehen. Daher gibt die hier vorgestellte Technik den Forschern einen experimentellen Ansatz für die Ex-vivo-Studie des neugeborenen murinen Herzens und begrenzt die Zeit bis zur Reperfusion.
Die Untersuchung des Herzens in Entwicklungsphasen ist angesichts der weitreichenden biochemischen, physiologischen und anatomischen Übergänge, die während der Myokardreifung auftreten, eine wichtige Überlegung. Verschiebungen vom anaeroben Stoffwechsel zur oxidativen Phosphorylierung, Veränderungen in der Substratverwertung und Progression von der Zellproliferation zur Hypertrophie sind dynamische Prozesse, die einzigartig im unreifen Herzen auftreten11,14. Ein weiterer kritischer Aspekt des sich entwickelnden Herzens ist, dass Stressoren, die während der notwendigen Perioden auftreten, erhöhte Reaktionen im neugeborenen Herzen hervorrufen und die zukünftige Anfälligkeit für Beleidigungen im Erwachsenenalter verändernkönnen 15. Obwohl frühere Arbeiten neugeborene Ratten, Lämmer und Kaninchen zur Untersuchung des Langendorff-perfundierten neonatalen Herzens verwendet haben, sind angesichts der Bedeutung dieser Spezies für die entwicklungsbiologische Forschung16 Fortschritte erforderlich, die die Verwendung von Mäusen ermöglichen. Um diesem Bedürfnis gerecht zu werden, wurde kürzlich das erste murine Langendorff-perfundierte neugeborene Herzmodell mit 10 Tage alten Tieren etabliert6. Hier wird eine Methode vorgestellt, um eine erfolgreiche Aortenkanülierung zu ermöglichen und eine retrograde Perfusion des isolierten neugeborenen murinen Herzens zu etablieren. Dieser Ansatz kann für Pharmakologie, Ischämie-Reperfusion oder Stoffwechselstudien verwendet werden, die sich auf die Funktion des gesamten Organs konzentrieren, oder kann für die Isolierung von Kardiomyozyten angepasst werden.