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Summary

Dieses Protokoll ermöglicht die In-vivo-Quantifizierung der venösen Compliance und Dehnbarkeit mittels Katheterisierung und 3D-Angiographie als Überlebensverfahren, was eine Vielzahl potenzieller Anwendungen ermöglicht.

Abstract

Synthetische Gefäßtransplantate überwinden einige Herausforderungen von Allotransplantaten, Autotransplantaten und Xenotransplantaten, sind aber oft steifer und weniger nachgiebig als das native Gefäß, in das sie implantiert werden. Die Übereinstimmung mit der Compliance mit dem nativen Gefäß entwickelt sich zu einer Schlüsseleigenschaft für den Erfolg der Transplantation. Der derzeitige Goldstandard für die Bewertung der Konformität von Schiffen umfasst die Exzision des Schiffes und biaxiale mechanische Ex-vivo-Tests . Wir haben eine in vivo Methode zur Beurteilung der venösen Compliance und Dehnbarkeit entwickelt, die die natürliche Physiologie besser widerspiegelt und die Auswirkungen einer Druckänderung, die durch fließendes Blut und durch vorhandene morphologische Veränderungen verursacht wird, berücksichtigt.

Diese Methode ist als Überlebensverfahren konzipiert, das Längsschnittstudien erleichtert und gleichzeitig den Bedarf an Tierversuchen reduziert. Unsere Methode beinhaltet die Injektion eines Bolus mit Kochsalzlösung von 20 ml/kg in das venöse Gefäßsystem, gefolgt von der Aufnahme von 3D-Angiogrammen vor und nach dem Bolus, um die durch den Bolus induzierten Veränderungen zu beobachten, gleichzeitig mit intravaskulären Druckmessungen in den Zielregionen. Wir sind dann in der Lage, den Umfang und die Querschnittsfläche des Gefäßes vor und nach dem Bolus zu messen.

Mit diesen Daten und dem intravaskulären Druck sind wir in der Lage, die Compliance und Dehnbarkeit mit spezifischen Gleichungen zu berechnen. Diese Methode wurde verwendet, um die Nachgiebigkeit und Dehnbarkeit der unteren Hohlvene bei einheimischen, nicht operierten Schafen mit der Leitung von Schafen zu vergleichen, denen ein langfristiges Transplantat aus expandiertem Polytetrafluorethylen (PTFE) implantiert wurde. Es wurde festgestellt, dass das native Gefäß an allen gemessenen Stellen nachgiebiger und dehnbarer ist als das PTFE-Transplantat. Wir kommen zu dem Schluss, dass diese Methode sicher in vivo Messungen der Adernachgiebigkeit und Dehnbarkeit ermöglicht.

Introduction

Patienten mit kritischen Herzanomalien benötigen eine rekonstruktive Operation. Die meisten rekonstruktiven Operationen erfordern die Verwendung von Prothesenmaterialien, einschließlich Gefäßtransplantaten. Mögliche Kanäle, um diesen Raum zu überbrücken, sind synthetische oder biologische Materialien. Ursprünglich wurden Homotransplantate als Fontan-Conduit verwendet, wurden aber seitdem aufgrund einer hohen Inzidenz von Verkalkungen und akuten Phasenereignissen aufgegeben¹. Derzeit werden synthetische Gefäßtransplantate verwendet, die aus anorganischen Polymeren gewonnen werden. Es bleibt die Herausforderung, dass diese Transplantate weniger nachgiebig sind als das native Gefäß, in das sie implantiert werden, und Langzeitkomplikationen wie Stenosen, Okklusion und Verkalkung aufweisen 1,2,3,4,5.

Die Struktur synthetischer Gefäßtransplantate eignet sich für eine mechanische Zugfestigkeit, was dazu führt, dass sie im Vergleich zu nativem Gewebe ausnahmslos weniger nachgiebig^{sind 2}. Die vaskuläre Compliance, die die Volumenänderung des Gefäßes gegenüber einer Druckänderung definiert, dient als Indikator für die Reaktionsfähigkeit eines Gefäßes auf mechanische Belastungen. Der Unterschied zwischen dem Transplantatmaterial und den nativen Gefäßeigenschaften führt zu einer Compliance-Diskrepanz, die nachweislich die Blutflussmuster stört, was zu Bereichen der Rezirkulation und Strömungstrennung führt 2,6,7,8,9. Dieses Phänomen verändert die Scherspannung auf die Endothelwand und induziert eine Intimahyperplasie 2,7,8,9. Solche Reaktionen können zu transplantatbedingten Komplikationen führen, die einen Transplantatwechsel oder eine erneute Intervention erforderlich machen⁶.

Da die vaskuläre Compliance eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Transplantatergebnisse spielt, ist die genaue Messung dieser Eigenschaft unerlässlich. Der derzeitige Goldstandard für die Messung der vaskulären Compliance ist die mechanische Ex-vivo-Prüfung von biaxialen Rohren. Bei dieser Methode wird ein Transplantat oder Gefäß von Interesse herausgeschnitten, mit Latexschläuchen verbunden und unter Druck gesetzt, um das Umfangsspannungs-Dehnungsverhalten bei verschiedenen Drücken zu beurteilen. Die Nachgiebigkeit wird durch den Vergleich des Drucks mit einer Messung des Innendurchmessers¹⁰ bestimmt. Ex-vivo-Methoden haben jedoch einige Nachteile. Bei der Beurteilung der Funktionalität von implantierten Transplantaten mit der ex vivo-Methode sind die Opferung der Tiere und die Explantation der Transplantate erforderlich, was eine langwierige Untersuchung unmöglich macht. Aus diesem Grund haben wir ein In-vivo-Protokoll zur Compliance-Messung entwickelt.

Unsere Gruppe konzentriert sich auf die Entwicklung von Tissue-Engineering-Gefäßtransplantaten (TEVGs) für den Einsatz in der Fontan-Chirurgie zur Verbesserung des hypoplastischen Linksherzsyndroms (HLHS) des angeborenen Herzfehlers. Jüngste Entwicklungen auf dem Gebiet der angeborenen Herzchirurgie haben die postoperativen Ergebnisse verbessert, was zu einer längeren Lebenserwartung führt. Daher werden die langfristigen Eigenschaften und der Erfolg des implantierten Gefäßkanals immer wichtiger. Derzeit gibt es kein Tiermodell für HLHS, daher evaluieren wir unsere Transplantate in einem beschleunigten Interpositionstransplantatmodell für die untere Vena cava (IVC) bei Großtieren. Obwohl dieses Modell nicht versucht, den Fluss der Fontan-Zirkulation zu erzeugen, rekapituliert es effektiv die einzigartigen hämodynamischen Bedingungen. Unsere jüngste Anwendung dieses In-vivo-Protokolls zeigte signifikante Unterschiede in der Transplantat-Compliance zwischen unseren TEVG- und herkömmlichen Transplantaten aus expandiertem Polytetrafluorethylen (PTFE)¹¹. Da sich diese vorherige Studie nicht auf die Methodik konzentrierte, haben wir zusätzliche Experimente durchgeführt, die diese neuartige in vivo-Methode detailliert beschreiben.

Wir implantierten das synthetische Transplantat, das derzeit als Behandlungsstandard dient und aus expandiertem Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht, bei Studientieren von Dorset-Schafen und verglichen es mit der nativen IVC bei chirurgisch naiven Kontrolltieren. Dieses Protokoll wurde an der PTFE-Gruppe 5-7 Jahre nach der Implantation eines PTFE-Schlauchs und an nicht operierten Kontrolltieren unterschiedlichen Alters durchgeführt. Daher werden wir in den nachfolgenden Abschnitten, in denen das Protokoll und die repräsentativen Ergebnisse beschrieben werden, gelegentlich auf die interessierende Region verweisen, z. B. als die Mitte des Transplantatbereichs (Midgraft) des IVC-Interpositionstransplantats.

Dieses Protokoll ermöglicht es uns, die In-vivo-Konformität des PTFE-Rohrs, von dem bekannt ist, dass es zu einem langfristigen Zeitpunkt nicht konform ist, mit dem nativen Erzgang zu analysieren. Wir haben uns entschieden, das klinische Standardmaterial PTFE mit der nativen, nicht operierten Vene zu vergleichen. Wir haben einen langfristigen Zeitpunkt gewählt, da der PTFE-Schlauch bekanntermaßen nicht konform bleibt und anfällig für Verkalkung ist, was seine Nachgiebigkeit weiter verringert¹¹. Wir haben uns dafür entschieden, alle Vergleiche in vivo durchzuführen, da systemische hämodynamische Veränderungen in den mit in vivo-Methoden erhaltenen Messungen genau widergespiegelt werden. Aus diesem Vergleich haben wir festgestellt, dass dieses Protokoll in der Lage ist, die Nicht-Compliance von PTFE zu bestätigen und Messungen der venösen Compliance in vivo auf sichere und reproduzierbare Weise zu erhalten. Diese Methode wurde in einer veröffentlichten Studie erfolgreich eingesetzt, um statistisch signifikante Unterschiede zwischen PTFE-Schläuchen und Tissue-Engineering-Gefäßtransplantaten (TEVGs) in vivo zu demonstrieren ¹¹.

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, die Compliance und Dehnbarkeit der thorakalen IVC in einem Großtiermodell an Schafen unter Verwendung von in vivo-Messungen aus einem Überlebensverfahren zu berechnen. Zu diesem Zweck haben wir die Veränderungen des Umfangs und der Querschnittsfläche der thorakalen IVC zu einem flüssigen Bolus sichtbar gemacht und gemessen. Gleichzeitig haben wir die intravaskuläre Druckänderung gemessen und diese Messungen zur Berechnung der Compliance und Dehnbarkeit verwendet. Die Verwendung der 3D-Angiographie-Bildgebung bietet uns mehrere Vorteile, darunter die Möglichkeit, die Ansicht des Bildes nach der Aufnahme anzupassen, um sicherzustellen, dass unsere Messungen aus einem Querschnitt der Vene durchgeführt werden, sowie die Messung mehrerer Stellen entlang des Gefäßes. Die drei interessierenden Bereiche in dieser Studie waren die mittlere Transplantatregion sowie die beiden benachbarten Anastomosenstellen des PTFE-Transplantats und die vergleichbaren Bereiche in der nativen IVC. Durch die Durchführung von Experimenten in vivo ergeben sich Vorteile bei der Bewertung der Funktionalität von Transplantaten innerhalb des tatsächlichen Blutflusses und umgeben von Geweben und Organen. Es wird angenommen, dass die mit dieser Methode erhaltenen Messungen die tatsächliche Funktionalität der Transplantate in einem lebenden Organismus widerspiegeln.

Das Protokoll ist in sechs Hauptabschnitte unterteilt, darunter die Vorbereitung der Schafe vor dem Eingriff, die Katheterisierung, die Erhebung von Ausgangsdaten vor dem Bolus, die Sammlung von Studiendaten, die Wiederherstellung der Tiere und die Datenanalyse. Im Abschnitt Tiervorbereitung besprechen wir die Sedierung, die Einleitung der Anästhesie und die Platzierung von Überwachungsgeräten, die während des Katheterisierungsverfahrens verwendet werden. Im zweiten Abschnitt erklären wir den Prozess des Platzierens der beiden Katheterschleusen, die für die Datenerfassung benötigt werden. Für dieses Protokoll werden beide Schleusen in die rechte Vena jugularis interna (IJV) gelegt, damit zwei mehrspurige Katheter in das Gefäß eingeführt werden können. Einer wird in der interessierenden Region positioniert, um die Druckänderung aufzuzeichnen, und der andere wird für die Kontrastmittelinjektion tiefer in der Vene platziert. Sobald die Katheter platziert sind, wird zum Vergleich ein 3D-Angiograph vor dem Bolus erstellt. Die Erfassung der Studiendaten beginnt mit der Vorbereitung des Kochsalzlösungsbolus in einem Druckbeutelsystem für die Verabreichung, der Bereitstellung des Kochsalzlösungsbolus zur Aufzeichnung des intravaskulären Drucks und der Entnahme des 3D-Angiographen nach dem Bolus. Anschließend beschreiben wir den Prozess, um die Genesung der Schafe nach dem Protokoll zu erleichtern. Abschließend besprechen wir die Methode, um die richtigen Bilder und Querschnittsmessungen für die Analyse und den statistischen Vergleich zu erhalten.

Protocol

Das Studienprotokoll wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee des Nationwide Children’s Hospital Abigail Wexner Research Institute (AR22-0004) genehmigt. Alle Tiere erhielten eine humane Pflege in Übereinstimmung mit dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren, der von den National Institutes of Health veröffentlicht wurde. 1. Vorbereitung der Tiere Lassen Sie das Schaf 1 Woche vor der Katheterisierung von einem Tierarztteam untersuche…

Representative Results

Wir haben dieses Verfahren mit über 25 Schafen erfolgreich durchgeführt. Wichtig ist, dass es keine Fälle von Morbidität und Mortalität im Zusammenhang mit diesem Verfahren gab. Alle Schafe zeigten eine unkomplizierte Erholung. Diese repräsentativen Ergebnisse wurden von drei Schafen entnommen, denen PTFE-Transplantate implantiert wurden, und drei nicht operierten einheimischen Schafen. Abbildung 5 zeigt die intravaskulären Druckmessungen, die während des Protokolls von beiden Gruppe…

Discussion

Compliance und Dehnbarkeit sind Schlüsseleigenschaften für die Funktion der Blutgefäße und dienen als Indikatoren für mögliche Komplikationen und Eingriffe. Die genaue Quantifizierung und der Vergleich von Veränderungen dieser Parameter ist wichtig, um die Wirksamkeit des Transplantats zu beurteilen. Unsere in vivo-Methode überwindet die Grenzen der ex vivo-Analyse und sorgt für vergleichbare Ergebnisse. Vergleicht man unsere in vivo-Daten mit den ex vivo-Daten , die von Blum …

Materials

0.035" x 260 cm Rosen Curved Wire Guide	Cook Medical	G01253	Guide for holding placement swapping caths (Multi-track, IVUS, etc)
0.035"x 150 cm Glidewire	Terumo	GR3507	Guide for JR cath
0.9% Sodium Chloride Saline	Baxter Healthcare Corporation	NCH pharmacy	For diluting norepinpherine, pressure monitoring
10.0 Endotracheal tube	Coviden	86117	To secure airway
16 G IV catheter	BD	382259	To administer fluids and anesthetic drugs
22 G IV catheter	BD	381423	For invasive blood pressure
5Fr x .35" JR2.5	Cook Medical	G05035	Guide for rosen wire
70% isopropyl alcohol	Aspen Vet	11795782	Topical cleaning solution
7Fr x 100 cm Multi-track	B. Braun	615001	Collecting pressure, Administering contrast to specific intravascular location
9Fr Introducer sheath	Terumo	RSS901	Access catheter through skin into vessel for wires to pass through
ACT cartridge	Abbot Diagnostics	03P86-25	Activated Clotting Time
Angiographic syringe w/ filling spike	Guerbet	900103S	For contrast injector
Bag decanter	Advance Medical Designs, LLC	10-102	Punctures saline bag to pour and fill sterile bowl with saline
Butorphanol	Zoetis	NCH pharmacy	Sedation drug: Concentration 10 mg/mL, Dosage 0.1 mg/kg
Cath Research Pack	Cardinal Health	SAN33RTCH6	Cath pack with misc. supplies
Cetacaine	Cetylite	220	Topical anesthetic spray
Chloraprep	BD	930825	Topical cleaning solution
Chlorhexidine 2% solution	Vedco INC	VINV-CLOR-SOLN	Topical cleaning solution
Conform stretch bandage	Coviden	2232	Neck wrap to prevent bleeding
Connection tubing	Deroyal	77-301713	Connects t-port to fluid/drug lines
Diazepam	Hospira Pharmaceuticals	NCH pharmacy	Sedation drug: Concentration 5 mg/mL, Dosage 0.5 mg/kg
EKG monitoring dots	3M	2570
Fluid administration set	Alaris	2420-0007
Fluid warming set	Carefusion	50056
Hemcon Patch	Tricol Biomedical	1102	Patch for hemostasis
Heparin	Hospira, Inc	NCH pharmacy	Angicoagulant: 1,000 USP units/mL
Infinix-i INFX-8000C	Toshiba Medical Systems	2B308-124EN*E	Interventional angiography system
Invasive pressure transducer	Medline	23DBB538	For invasive blood pressure
Isoflurane	Baxter Healthcare Corporation	NCH pharmacy	Anesthetic used in prep room
Ketamine	Hospira Pharmaceuticals	NCH pharmacy	Sedation drug: Concentration 100 mg/mL, Dosage 4 mg/kg
Lubricating Jelly	MedLine	MDS0322273Z	ET tube lubricant
Micropuncture Introducer Set	Cook Medical	G47945	Access through skin into vessel
Needle & syringes	Cardinal Health	309604	For sedation
Norepinpherine Bitartrate Injection, USP	Baxter Healthcare Corporation	NCH pharmacy	1 mg/mL
Optiray 320	Liebel-Flarsheim Company, LLC	NCH pharmacy	Contrast
Optixcare	Aventix	OPX-4252	Corneal lubricant
OsiriX MD	Pixmeo SARL	–	DICOM Viewer and Analysis software
Pressure infusor bag	Carefusion	64-10029	To maintain invasive blood pressure
Propofol	Fresenius Kabi	NCH pharmacy	Anesthetic drug: Concentration 10 mg/mL, Dosage 20-45 mg·kg-1·h-1
Silk suture 3-0	Ethicon	C013D	To secure IV catheter
SoftCarry Stretcher	Four Flags Over Aspen	SSTR-4
Stomach tube	Jorgensen Lab, INC	J0348R	To release gastric juices and gas and prevent bloat
T-port	Medline	DYNDTN0001	Connects to IV catheter
Urine drainage bag	Coviden	3512	Connects to stomach tube to collect gastric juices
Warming blanket	Jorgensen Lab, INC	J1034B