Summary
このプロトコルは、ブタの上行大動脈バンディングに対する低侵襲外科的処置について説明しています。
Abstract
心不全の大型動物モデルは、その大きさとヒトとの生理学的類似性から、新しい治療介入の開発に重要な役割を果たしています。圧力過負荷による心不全、および冠動脈上にありながらの上行大動脈バンディングのモデルを作成することに努力が捧げられており、人間の状態によく似たヒトの大動脈弁狭窄症の完全な模倣ではありません。
この研究の目的は、経皮的に導入された高忠実度圧力センサーで正確に校正された大動脈バンドを配置することにより、左心室圧過負荷を誘発する低侵襲アプローチを実証することです。この方法は、外科的処置(3R)の改良を表しており、均質な経狭窄勾配とグループ内変動性の低減をもたらします。さらに、迅速かつ円滑な動物の回復を可能にし、死亡率を最小限に抑えます。研究全体を通して、動物は手術後最大2か月間追跡され、経胸壁心エコー検査と圧力-体積ループ分析が採用されました。ただし、必要に応じて、より長いフォローアップ期間を達成することができます。.この大動物モデルは、新薬、特に肥大や左心室圧過負荷に関連する構造的および機能的変化を標的とする新薬の試験に有用であることが証明されています。
Introduction
心不全(HF)は、世界中で何百万人もの人々が罹患し、社会的および経済的に大きな影響を与える生命を脅かす病気です1。その重要な病因の1つは、大動脈弁疾患または大動脈弁狭窄症(AS)です。大動脈弁狭窄症は高齢でより多く、米国で2番目に多い弁膜症としてランク付けされています。AS関連の死亡率もヨーロッパで増加しており、特に最近の介入手順にアクセスできない国で増加しています2。HFの複雑さと治療法の革新の希少性を考えると、人間の状態を再現し、新しい介入のテストを容易にすることができる信頼性の高い動物モデルが緊急に必要とされています3。げっ歯類モデルは大型動物モデルよりも数が多いですが、後者はそのサイズと生理学的類似性によりいくつかの利点があり、ヒトの使用を目的とした薬物投与量や医療機器の試験を可能にします。
この方法の目的は、生物医学研究で使用されるほとんどの大型動物種に適用できる上行大動脈バンディング(AAB)の再現性のあるモデルを確立することです。この研究では、3Rの原則(置換、減量、精製4)を遵守した低侵襲アプローチを使用して、豚で手順を実証しました。このアプローチにより、正確な圧力勾配が得られ、高い再現性が得られます(必要な動物の数を減らすことができる可能性があります)。さらに、小さな外科的切開(2〜3cm)は、外科的侮辱を最小限に抑え、胸骨切開術やより大きな開胸術5 (精緻化)などのより積極的なアプローチと比較して、動物の幸福を改善します。さらに、この方法のビデオデモンストレーションを文献の詳細な説明とともに提供することで、訓練目的のみに使用される動物の必要性(交換)を減らし、動物の使用をさらに減らすことができる可能性があります。このモデルは、明確な成長率を持つさまざまな豚株/品種に適応でき、持続的な圧力過負荷を誘発し、1〜2か月のフォローアップ後に有意な肥大を引き起こします。
現在の方法では、動物の大きさのばらつきを無視して固定狭窄6を採用するか、液体で満たされた圧力測定値7を使用して勾配を計算するが、これは忠実度の高い圧力センサーよりも信頼性が低く、信号の減衰の影響を受けやすい8。別のアプローチは、狭窄5の遠位にある単一の圧力測定を使用する。ただし、経皮的に送達された高忠実度圧力センサーを使用して、近位および遠位圧力信号を同時に送信して狭窄を校正することは、プロトコルの大幅な最適化を表し、グループの均質性が向上します。この手法を視覚的に実証することで、他の研究者も大きな障害なく再現でき、3Rの原則の適用を促進しながら、このモデルの可用性を高めることができるはずです。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
動物実験は、ポルト大学心臓血管研究開発センター(UnIC、ポルト、ポルトガル)の実験外科実験室で行われました。動物倫理委員会は、National Authority for Animal Health(Direcção-Geral de Alimentação e Veterinária, DGAV, Ref: 2021-07-30 011706 0421/000/000/2021)に従って研究を承認しました。実験者は、ライセンス(FELASAと同等の実験動物科学認可)であるか、心臓胸部外科医または麻酔科医でした。この作業で使用された動物は、Landrace x Pietrainのバックグラウンドを持つオスで、DGAV(PTAH03)によって認可されたブリーダーから入手しました。動物の開始体重は20〜25 kgで、最大2か月の追跡が可能でした(70〜80 kg、 図1)。動物の著しい成長により、より長い追跡期間が損なわれ、私たちのインフラストラクチャでは処理できませんでした。
1.麻酔とバイタルサインのモニタリング
- 選択した動物 を水で一晩絶食します。
- 意識のある動物の体重を量る(動物の体重計で歩かせる)か、到着体重と予想される成長率に基づく推定値を使用します。
- ケタミン(15 mg/kg)、ミダゾラム(0.5 mg/kg)、アザペロン(4 mg/kg)のカクテルを、延長線(100 cm)に接続された20 mLのルアーロックシリンジに入れ、続いて21 Gの針で調製します( 材料表を参照)。注射チューブのデッドボリュームを説明するのに十分な麻酔薬があることを確認してください。.
- 豚を穏やかで安全な環境(可能であれば、通常は空の動物飼育室)に隔離し、首または後脚の筋肉に筋肉内注射をして動物に麻酔をかけます(施設のプロトコルに従います)。動物が静かで暗い場所にいることを確認し、10〜15分かかる横臥位を失っている間に怪我をしないようにします。
注意: 延長線を使用すると、動物を拘束する必要がなくなります。 - 動物が横臥になったら、麻酔をかけられた動物を担架に乗せ、手術室に運びます(意識的な体重測定ができない場合は、この時点で動物の体重を測定します)。
- カニューレ挿入する耳に応じて、動物を右または左の外側褥瘡に配置します。クロルヘキシジンとアルコールで円を描くように数回耳を掃除します。次に、20 Gの静脈内カテーテルを使用して辺縁耳静脈をカニューレし、不織布接着剤を使用して固定します( 材料表を参照)。IVカテーテルを生理食塩水で事前に洗い流した3ポート活栓マニホールドに接続します。
注:また、標準的なIV輸液ライン(ドリップライン)と比較して、輸液ポンプは流量(2 mL/kg/h)を正確に調整することができます。 - 経皮フェンタニルパッチ(50 μg / h)( 材料表を参照)を反対側の耳に置きます。.
- 動物を放射線透過性の手術台の上に置き、背中側横臥で、温かいマットレスの上に置き、所定の位置に固定します(足を手術台に固定するストラップ)。
- プロポフォール灌流ラインを3ポート活栓マニホールドに接続します。麻酔の維持は、シリンジ灌流ポンプに取り付けられた50 mLシリンジを介して10〜20 mg / kg / hの速度で投与されるプロポフォールによって提供されます( 材料の表を参照)。
- プロポフォール(4 mg / kg)とフェンタニル(10 μg / kg)( 資料表を参照)のボーラスを投与して、無呼吸を誘発し、挿管できるようにします。
注:動物はこの瞬間から無呼吸状態になり、機械的換気を確立する必要があります。先に進む前に、酸素源が利用可能であり、人工呼吸器( 材料表を参照)が校正され、換気の準備ができていることを確認してください。 - 反応性が失われたことを確認した後、1人のユーザーがブタの口を開いたまま同時に舌を外側に引っ張った状態で、4番のミラーブレード( 資料表を参照)を備えた喉頭鏡を使用して喉頭蓋を特定し、静かに動かし、声帯の視界を取得します。気管内チューブを直接導入するか、ブジーと気管内チューブを先に進めます。一部の非外傷性腸鉗子は、軟口蓋を動員し、喉頭蓋にアクセスするのに役立ちます。
- 気管内チューブカフを膨らませ、麻酔器/人工呼吸器に接続します。換気パラメータを8〜10 mL / kgの一回換気量、毎分15〜25回の呼吸数、および5 cm H2OのPEEP(呼気終末陽圧)に調整します。.潮汐終末CO2 を35〜45mmHgに維持するように換気パラメータを調整します。
- SpO2 センサーを舌または耳(最良の信号が得られる場所)に配置し、食道温度プローブを配置し、ECG電極を取り付けます( 材料表を参照)。
- 角膜の損傷を防ぐために滅菌眼科用潤滑軟膏を塗布します。
2.動脈カニューレ挿入
- 眼瞼反射がなく、心拍数と血圧が安定していることで適切な麻酔深度を確保した後、鼠径部をクロルヘキシジンとアルコールで円を描くように徹底的に洗浄および消毒します。動物を有窓滅菌ドレープ( 材料表を参照)で覆い、穴を大腿動脈領域に配置します(触診または超音波で事前に確認済み)。抗生物質予防としてセファゾリン(25 mg / kg)を投与します。.
- 処置に動物の回収(大動脈バンディング)が含まれる場合は、この時点から無菌技術を使用してください。
注:ターミナル手順(PVループ分析)の場合、厳密な無菌技術は必要ありません。ただし、無菌状態での作業は、血行動態の測定に影響を与える可能性のある感染を回避するために有利です。 - 穿刺部位を特定し、皮下1%リドカインでその領域に浸潤します。
- 血管プローブ( 資料表参照)を使用して総大腿動脈を特定し、超音波マーカーの位置と正しい深さを確認します。
注:大腿動脈穿刺は、短軸、長軸、または両方の技術の組み合わせを使用して、特定のシステムでバイプレーンモダリティを利用して実行できます。ただし、私たちのチームは、短軸アプローチをより頻繁に採用しています。 - イントロデューサーシース( 材料表を参照)を組み立てる前に、イントロデューサーとダイレーターをヘパリン化生理食塩水で洗い流して準備します。イントロデューサー側ポートの3方向活栓が動物に向かってオフの位置にあることを確認して、拡張器を取り外すときに失血を防ぎます。
- 動脈針(できればエコー源性の針、 資料表を参照)を大腿動脈に進め、超音波を使用してその軌跡を監視します。針ハブから出る動脈血を脈動させることで確認できる動脈内腔に達したら、Jチップガイドワイヤーを動脈に進めます。ガイドワイヤーの正しい導入は超音波で確認することができます。
- 針を抜いて、出血を防ぐために穿刺部位に圧力をかけ続け、イントロデューサー+ダイレーター(サイズ6Fr、長さ10cm)アセンブリを動脈に進めます。ダイレーターを取り外し、イントロデューサーのサイドポートから吸引し、滅菌生理食塩水で順次洗い流すことで、イントロデューサーの位置を確認します。
- 血圧モニタリングのために、大腿動脈イントロデューサーのサイドポートに動脈圧ラインを接続します。圧力トランスデューサーの高さが右心房の高さにあり、大気圧がゼロであることを確認します。
- 左心室カテーテル挿入まで、イントロデューサーを滅菌ドレープで覆います。.
3.上行大動脈バンディング(準備)
- 動物の位置をわずかに右外側褥瘡に調整し、左前足を上げます。
- 心臓超音波トランスデューサー( 材料表を参照)を使用して上行大動脈の位置を特定し、切開部位に印を付けてから、動物の胸部をクロルヘキシジンとアルコールで円を描くように完全に消毒します。
- 動物を滅菌ドレープで覆います。
- フェンタニルボーラス(10 μg / kg)を投与して、十分な鎮痛を確保します。.麻酔と鎮痛の深さを確認するには、最初の切開時に眼瞼反射がなく、心拍数や血圧に変化がないことを観察します。
- 肋間腔 の3/4のレベルで2〜3cmの皮膚切開を行い、肋間腔に達するまで下にある筋膜と筋肉層を解剖します。
- 肺の損傷を避けるために、動物がPEEPなしで強制呼気状態にある間、鈍いハサミを使用して胸部に入ります。
- リトラクターブレードを最大3cmまで配置できるように、切り込みを増やします。
- リブを引っ込めて、下にある構造を視覚化します。切開が正しい場所に行われていれば、肺動脈は容易に見えるはずです。大動脈はそれの後方になります。
- 低侵襲心臓手術用鉗子とハサミを使用して、心膜を開き、湿った滅菌ガーゼを使用して左心房と大動脈の視界を覆っている肺組織を引っ込めます。
注:左心房を過度に操作すると、心房細動につながるため、避けてください。それが起こり、自然に解決しない場合は、電気除細動を適用します。 - 横心膜洞に達するまで、大動脈を肺動脈から慎重に分離します。これは、バンディング材料が通過するチャネルになります。
注:上行大動脈のバンディングには、動物のサイズとフォローアップ期間に応じて、いくつかの材料を使用できます。成長が限られている、および/または追跡期間が短い動物には、ナイロン製の結束バンド(安価なオプション)を使用できますが、成長の早い動物や追跡期間が長い動物には、チタンクリップで固定された血管プロテーゼ移植片(より高価なオプション)を使用して、バンドの内在化(以下のセクションで詳細に説明)を回避できます( 材料表を参照)。 - オプション1(ナイロンケーブル結束バンド):
- 滅菌プラスチックチューブの~10cmのセグメントを、ナイロンバンドの先端にぴったりとフィットするのに十分な大きさのルーメンで切断します。
注:滅菌チューブとナイロンバンドは、エチレンオキシド滅菌またはホルムアルデヒドに少なくとも24時間浸漬することによって事前に滅菌されています。 - 90°湾曲した鉗子を使用して、プラスチックチューブ(ナイロンバンドの非外傷性ガイドとして機能する)を大動脈の周りに通し、以前に作成した経路を通って、大動脈と肺動脈(近位)の間の空間から大動脈と右心房(遠位)の間の空間に向かいます。指で触診すると、鉗子を正しい経路に導くことができます。
- 肺動脈や右心房に負担をかけすぎると、血行動態が不安定になるので注意が必要です。全身性低血圧の長期化を避けるために、このステップではバイタルサインに細心の注意を払ってください。.
- プラスチックガイドが遠位側に見えたら、組織鉗子でつかみ、ナイロンバンドを持って大動脈の周りで慎重に引っ張ります。大動脈を収縮させずにナイロンバンドの両端を接続します。
- 滅菌プラスチックチューブの~10cmのセグメントを、ナイロンバンドの先端にぴったりとフィットするのに十分な大きさのルーメンで切断します。
- オプション2(ePTFEグラフト)
- 長さ5mm、40cmのグラフトの~10cmの滅菌ePTFEグラフトを切断します。
- 90°湾曲した鉗子を使用してグラフトを処理し、大動脈の周りに通します。手順 3.11.2 および 3.11.3 を参照してください。
- 大動脈カテーテル挿入を容易にするために、バンディング領域にX線不透過性マーカー( 材料表を参照)を配置します。
- 肋間腔を濡れたガーゼと滅菌ドレープで覆います。
4.左心室(LV)/大動脈カテーテル検査
- ヘパリン(200 U.kg-1)を投与します。
注:血管内処置は血栓形成と遠位塞栓術のリスクと関連していますが、ヘパリン投与は大動脈への外科的アクセス中に過度の出血を引き起こします。したがって、LV/大動脈カテーテル検査は、大動脈にアクセスし、バンディングを配置した後に行われます。 - デュアル止血弁アダプターまたは星型の止血弁を6 Fr MP1ガイドカテーテル( 材料表を参照)に接続し、ヘパリン化生理食塩水でフラッシュします。ガイドカテーテルに260cm0.035インチのJチップガイドワイヤーをプリロードします。このアセンブリを大腿動脈シースを通して導入します。
注意: 2つの忠実度圧力センサー(HFPS)を標準のクロスカット止血弁に通すと、出血のリスクがある場合があります。別のアプローチとして、2つの別々のガイドカテーテルを使用することもできますが、これには2つ目の動脈アクセス部位が必要になります。出血の問題と追加のアクセス部位の必要性の両方に対処するために、デュアルポート止血弁または星型止血弁のいずれかを選択できます。これらの代替手段は、出血の問題を解決し、追加のアクセスポイントの必要性を排除します。ガイドカテーテルが動脈シースを通過すると、シースのサイドポートでは血圧測定ができないことに注意することが重要です。血圧を測定するには、代わりにガイドカテーテルの止血弁アダプターのサイドポートに動脈ラインを接続する必要があります。 - ガイドワイヤーを前進させ、透視ガイド下でカテーテルを上行大動脈にガイドします。大動脈弁が特定されたら、ガイドワイヤーと慎重に交差させ、ガイドカテーテルをLVに挿入します。必要に応じて、造影剤を使用して解剖学的位置決めを容易にします。圧力トレースをチェックして、LVの位置を確認します。
- ガイドカテーテルをLVに残したままガイドワイヤーを取り外し、吸引後にカテーテルを洗い流し、カテーテル内に気泡がないことを確認します。
- すでに校正済みのHFPSを、デュアル止血弁のポートの1つからLVに進めます。滅菌ペンでカテーテル本体にマークを付けて、ガイドカテーテル先端からいつ出てくるかを知ることができます。或いは、明瞭な心室圧信号の確認は、ガイドカテーテルから出る徴候である(HFPSがガイドカテーテル内にある間に信号干渉が観察される)。
- 2番目のHFPSをデュアル止血弁のもう一方のポートからLVに進めます。
- ガイドカテーテルを上行大動脈に引き戻し、バンディング部位に配置されたX線不透過性マーカーまで、HFPSの1つをLVに残します。 圧力トレースを使用してカテーテルの位置を確認します。
注意: HFPSは、圧力センサーを平衡化させるために、使用前に記録システムに接続し、少なくとも30分間滅菌生理食塩水に入れる必要があります。HFPSをガイドカテーテルに導入する前に、センサーを滅菌生理食塩水の表面に置いて圧力をゼロにしてください。 - 血管アクセス部位を滅菌ドレープで覆い、胸部に移動して大動脈を収縮させます。
5.上行大動脈バンディング(狭窄)
- ナイロンバンド(オプション1)またはePTFEグラフト(オプション2)をわずかに引っ張って、HFPSが適切に配置されていることを確認します-LV圧は上昇するはずですが、バンディング(X線不透過性マーカー)の遠位の大動脈圧は上昇しません。
- カテーテルの位置が正しくない場合は、HFPSの位置を調整して、狭窄部位への近位および遠位の圧力が明確に記録されるようにします。
- オプション1:ナイロンバンドが大動脈にぴったりと収まるまで閉じます。
- ナイロンバンドは、圧力を注意深く監視しながら、一度に1 回 クリックで閉じます。クリックするたびに、圧力が安定するまで待ちます。
- 希望の圧力勾配に達するまで、ナイロンバンドを徐々に閉じます。目標は約 100 mmHg の勾配ですが、左心室拡張末期血圧が 25 mmHg を超えないようにします。
注意: 達成された勾配が100 mmHgをわずかに下回る(つまり、90〜95 mmHgの間)場合は、ナイロンバンドをさらに締めないでください。この状況では、締めすぎないことが重要です。ただし、手順中または安定化後にナイロンバンドが誤って過度に締め付けられた場合は、ボーンカッター( 材料表を参照)を使用してナイロンバンドを切断し、前の手順(ステップ3.11およびステップ5.3)を繰り返して再調整し、適切な圧力勾配を達成することができます。 - 周囲の構造物への偶発的な損傷を避けるために、ナイロンバンドの端に滅菌プラスチックチューブを配置します。
- オプション2:ePTFE末端を近似し、圧力を監視しながら45°の鉗子を使用してバンドを収縮させ、収縮の相対的な位置を推定します。
- 鉗子の位置にチタン製のヘモクリップを置きます(ePTFEグラフトの両端をクランプすると、その上に跡が残り、ヘモクリップの位置をガイドします)。
- 圧力勾配を確認します。勾配が最適な場合は、前のヘモクリップのすぐ上に2番目のヘモクリップを配置して、前のヘモクリップの位置を確認します(これにより、くびれは増加しませんが、クリップの遠位スリップを回避できます)。
- グラデーションが十分でない場合は、前のクリップの下に追加のクリップを配置します(大動脈をさらに収縮させます)。グラデーションが最適になるまでこれを行います。グラデーションが大きすぎる場合は、クリップアプライヤーを使用してクリップを削除し、別のクリップを遠位に配置します。
- 胸部に移植片が多すぎないようにePTFEグラフトの端をトリミングし、移植片の遠位移動を避けるために5.0縫合糸( 材料表を参照)を使用して大動脈の近位側に移植片を縫合します。
- バンディングを配置してから15分間待って圧力を安定させ、グラジエントが最適のままであるか、または代償不全と急性故障が発生するかを判断します。低血圧が自発的に解消せずに発生する場合は、LVが代償不全である可能性が非常に高く、バンディング緩和が必要です。.
- 3-0 PDS II縫合糸を使用して心膜を閉じます( 材料表を参照)。
- 胸腔ドレーンを配置し、外科用吸引器に接続します。PEEPを10 cmH2Oに上げて、無気肺を患った肺の動員を開始します。
- 3-0 PDS II縫合糸を使用して胸壁を層状に閉じます。
- 胸腔ドレーンを取り外し、呼気終了時に高圧で換気を停止しながら、最後の筋肉ステッチを閉じます(手動で20〜30 cmH2Oに調整)。
- 通常の換気を再開し、手術創をヨウ素ポビドンで洗い流した後、皮内パターンの3-0 PDS II縫合糸を使用して皮膚を閉じます。
- Mikro-caths( 材料表を参照)を取り外し、表面圧力をチェックして、手順中の圧力ドリフトを考慮します。
- ガイドカテーテルを取り外します。
- イントロデューサーシースを取り外し、手動圧迫を適用して動脈切開を閉じます。アクセス サイトに少なくとも 10 分間圧縮を適用します。ゆっくりと圧力を取り除き、出血や血腫の形成がないことを確認することにより、止血部位を評価します。
- 必要に応じて、吸収性縫合糸を使用して穿刺部位にステッチを配置します。
注:必要に応じて、この時点で、迅速な経胸壁心エコー図は、心機能が良好かどうかを判断し、大動脈圧勾配の推定を可能にするのに役立ちます。圧力勾配は忠実度の高い圧力センサーで測定されたため、必須ではありませんが、エコー由来の勾配を使用してモデルを臨床データと比較することができます。手術のため、画質が損なわれることに注意してください。 - 麻酔を中止し、自然換気が検出されたら動物を抜管します。動物を人工呼吸器から外し、気管内チューブを通して適切な空気の流れが感じられ、末梢酸素化が損なわれていないことを確認します。
- 必要に応じて、ゲデルを抜管して配置します。
- 末梢静脈カテーテルを取り外します。
- 心電図/心拍数と末梢酸素化を監視しながら、動物を少なくとも15分間監視します。
- 安定している場合は、周囲温度が上昇した清潔な回収用囲いに動物を連れて行きます。携帯型バイタルサインデバイス( 材料表を参照)を使用して、動物が意識を取り戻すまで心拍数と飽和度を継続的に監視します。
- 動物を所望の期間追跡し、経胸壁心エコー検査または圧力容積ループ分析を実行して、心機能を決定します。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
モデルの初期開発時の死亡率は約30%で、バンディング後の急性心不全や外科的合併症で死亡する動物がいました。しかし、モデルが確立されてからは、外科的合併症は少なくなり、死亡率は約15%に低下しました。発生した2人の死亡は、解剖中の大動脈破裂によるものでした。
忠実度の高い圧力センサを使用することで、高品質の圧力信号を取得でき(図2)、狭窄症のリアルタイムかつ正確な校正が可能になります。これにより、手術を受けたすべての動物が同様の程度の左心室圧過負荷を経験し、グループ内の変動性が減少します。さらに、カテーテル自体には2.3Fのシャフトがあり、大型の液体充填カテーテルと比較して、流れの閉塞への影響が最小限に抑えられています。初期投資後、カテーテルは複数回再利用でき、滅菌が必要な場合はエチレンオキシドを使用できます(通常、病院の外科部門とのコラボレーションを通じて入手できます)。
経狭窄勾配は、左心室(近位圧)と遠位大動脈(遠位圧)の圧力差を測定するソフトウェアによってリアルタイムで計算できます。各狭窄ステップ間の数分間の安定化により、左心室が適応する時間を確保します。所望の収縮度を決定した後、15分間の安定化期間を適用して、バンディング度が安定し、動物が補償されるようにする必要があります(図2A)。
このアプローチは、トランス狭窄勾配をリアルタイムで測定せず、すべての動物間で同様の勾配を持つという均質性(手術された7匹の動物の平均と標準誤差、それぞれ92.3 ± 2.3 mmHg、平均誤差)と左心室圧の厳密なモニタリングの両方を欠いている他の方法論よりも優れています。さらに、このアプローチは、ブタ、特に胸骨が著しく突出しているベトナムの太鼓腹ブタのような特定の品種で経胸壁心エコー検査を行うことに関連する困難を回避します。
経胸壁心エコー検査では、手術直後と経過観察の時点で大動脈バンディングを確認できます(図3)。バンディング手術は、乱流を伴う大動脈の著しい狭窄を引き起こしますが、これは連続波ドップラーを使用して定性的に評価または定量化できます。 図2 は、2ヶ月経過観察後の心エコー検査の代表画像で、著しい大動脈弁狭窄症(上段)と左心室同心円状肥大(中段、下段)を示しています。バンディングの2か月後、動物は重大な心臓肥大を発症します。肉眼的評価により、心臓が大きくなり、左心室壁が厚くなっていることが明らかになりました(図4)。2ヶ月のフォローアップ期間は、使用済み動物の成長率に基づいて決定されましたが、フォローアップ期間が長くなると、動物が大きすぎて当社のインフラストラクチャで処理できないためです。
図1:大動脈バンディングプロトコルの概略図。 20〜25kgのオスの豚を受け取った後、動物は1週間の検疫期間に送られます。処置当日は、動物に麻酔をかけ、LVと大動脈にカテーテルを挿入し、忠実度の高い圧力センサーを留置し、その後、大動脈バンディングと動物の回収を行います。一度マスターすると、手順全体は約2時間続きます。手術から2か月後、動物はサンプルの収集や生理学的変数の測定を含む最終評価に送られます。AB大動脈バンディング、AO-大動脈、LV-左心室、PV-圧力-容積、RHC-右心カテーテル検査、US-超音波。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:大動脈バンディング中の圧力測定。 (A)大動脈バンディング中のLVおよび大動脈(バンディングの遠位)圧の代表的な痕跡。(B)狭窄前と(C)収縮後のLVと大動脈圧を拡大し、勾配の発生(収縮期LVのピークと大動脈圧の差)を示します。(D)心室圧センサーのプルオフ、近位大動脈からバンディング、バンディング遠位の大動脈への移行。AP-動脈圧、LVP-左心室圧、MC-高忠実度圧力センサー。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:経胸壁心エコー検査。 術後2ヶ月経過観察で大動脈の著しい狭窄が判明(上段黒矢印)。LVの肥大は、2D(白矢印、中段)とMモードの両方で明らかであり、同心円状の肥大(白矢印、下段)も示しています。縦棒は3cmに相当し、2D PSAX画像は15cmの深さで取得 されました。
図4:心臓の死後肉眼的分析。 大動脈バンディングは心肥大を引き起こし、LV壁の明らかな肥大を伴う。ハートスライスは、左から右にベース、ミッドキャビティ、アペックスです。心膜癒着は心外膜全体に見られます。縮尺記号は、1 cm (上段) と 4 cm (下段) を表します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
近年、いくつかの研究では、左心室圧過負荷と心不全(下行9 から上行大動脈10)のモデルとして外科的大動脈バンディングが利用されており、研究者は特定のニーズに合わせたさまざまな表現型を得ることができます。このようなモデルを使用するには、高価な機器と専門知識が必要ですが、それらが提供する情報は非常に貴重です。ブタは、その大きさと人間の心臓との類似性から、理想的なモデル11として機能し、異種移植の臓器提供者として倫理的に受け入れられています。
この方法の主な重要なステップは、大動脈の解剖と、その周囲にバンディング材料(ナイロンケーブルまたはePTFEグラフト)を配置することです。このステップでは、周囲の構造や大動脈自体の裂傷や破裂など、いくつかの合併症が発生する可能性があります。このような合併症のコントロールは、出血をコントロールして創傷を適切に視覚化できる場合は、穴にプレジェットを付けた追跡ストリング縫合糸またはマットレス縫合糸を配置することで達成できます。合併症や死亡率を大幅に低下させる心臓胸部外科医による処置を強くお勧めします。
もう一つの重要なステップは大動脈の狭窄であり、これは安定化期間を挟んで連続したステップで行う必要があります。全身末梢圧に細心の注意を払うことは、LVが現在の狭窄に対処できないことに起因する可能性があるため、持続的な有意な低血圧(平均動脈圧が60 mmHg未満)に起因する可能性があるため、非常に重要です。解決しなければ、特に心室圧も低下し始めると、急性心不全は動物の損失につながります。ナイロンケーブルまたはチタンクリップの取り外しは、低血圧が自然に解消しない場合に必要です。.
ただし、このモデル、および多くの大動脈バンディングモデルの主な制限は、冠状動脈口に対するバンドの位置です。冠動脈上バンディングの配置は、大動脈弁狭窄症を完全に模倣するわけではなく、冠動脈循環の血圧上昇につながる可能性があり、これは保護的である可能性があります12。ブタの冠動脈下バンディングと冠動脈上大動脈バンディングの間に差がないことを示唆するエビデンスは限られており13、冠状動脈下バンディング手術に関連する合併症の増加は価値がない可能性があることを示している。
使用する動物株と追跡時間によっては、バンドの内在化が問題になる場合があります。主にげっ歯類14に記載されているが、ブタ15の肺動脈にも観察されている。ePTFEグラフトセグメントを使用すると、接触面積が大幅に増加し、バンドの内在化の発生がなくなります。ただし、ePTFEグラフトはより高価であり、ベトナムの太鼓腹豚などの成長の遅い品種を使用する場合、ナイロン結束バンドを使用するとバンドの内在化は問題になりません。研究者は、使用する動物の品種に基づいてアプローチを選択する必要があります。
成長の早い品種の場合、動物のサイズ(>100kgの動物を扱うのに十分な大きさのインフラストラクチャと機器の可用性)と法外な維持費のために、長期的な追跡が困難な場合があります。
このモデルのもう一つの制限は、心膜スペースへのアクセスを必要とするすべてのモデルと同様に、手術後に重大な心膜癒着が存在することです。私たちの経験では、バンド留置後に心膜切開を閉じるか閉じないかの違いは見られません。機能には影響しませんが、心臓を解剖してさまざまな構造を特定するには時間がかかり、心膜が完全に分離すると心外膜が損傷する可能性があります。
この低侵襲な方法は、典型的な外科的処置を大幅に改良したもので、平穏で迅速な回復につながります。圧力測定とリアルタイム勾配測定を同時に行うために2つの忠実度の高いカテーテルを使用することで、手順の精度とモデルの再現性が大幅に向上し、必要な動物の数を減らすことができます。このモデルは、左心室肥大を目的とした新しい治療介入またはデバイスの研究、および左心室圧過負荷に関連する新しい病態生理学的メカニズムの決定に適用できます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
著者は何も開示していません。
Acknowledgments
この研究は、QRENプロジェクト2013/30196、「la Caixa」銀行財団、Fundação para a Ciência e Tecnologia(FCT)プロジェクト、LCF/PR/HP17/52190002の支援と資金提供を受けました。JS と EB は、Marie Sklodowska-Curie 助成金契約第 813716 号に基づく欧州連合の Horizon 2020 研究およびイノベーションプログラムの支援を受けました。PdCMは、Stichting Life Sciences Health(LSH)-TKIプロジェクトMEDIATOR(LSHM 21016)の支援を受けました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-0 PDS II suture | Ethicon | Z683G | Aorta banding |
| 5-0 prolene | Ethicon | 7472H | Aorta banding |
| ACUSON NX2 Ultrasound System | Siemens | (240)11284381 | Vascular Access and Echocardiography |
| Arterial Extension 200 cm | PMH | 303.0666 | Anesthesia Maintenance |
| Atlan A300 Ventilator | Draeger | 8621300 | Ventilation |
| Bone cutters | Fehling | AMP 367.00 | Aorta banding |
| Cefazolin 1000 mg | Labesfal | 100063 | Antibiotic |
| Chlorhexidine 4% Wash Solution | AGA | 19110008 | Cleaning |
| Doyen Intestinal Forceps | Aesculap | EA121R | Intubation |
| Echogenic Introducer Needle | Teleflex | AN-04318 | Vascular Access |
| Endotracheal tube | Intersurgical | 8040070 | Intubation |
| ePTFE vascular graft (5 mm x 40 cm) | GORE-TEX | S0504 | Aorta banding |
| Extension line 100 cm | PMH | 303.0394 | Anesthesia Induction |
| F.O. Laryngoscope | Luxamed | E1.317.012 | Intubation |
| F.O. Miller Blade 4 204 x 17 mm | Luxamed | 3 | Intubation |
| Fenestrated Sterile Drape | Bastos Viegas | 4882-256 | Aseptic Technique |
| Fentanyl 0.5 mg/10 mL | B.Braun | 5758883 | Anesthesia / Analgesia |
| Guidewire 260 cm J-tip | B.Braun | J3 FC-FS 260-035 | Left Ventricle catheterization |
| Infusomat Space Infusion Pump | B.Braun | 24101800 | Fluids / Drug administration |
| Intercostal retractor | Fehling Surgical | MRP-1 | Thoracotomy |
| Introcan Certo IV Catheter 20G | B.Braun | 4251326 | Fluids / Drug administration |
| Isotonic Saline Solution 0.9% | B.Braun | 5/44929/1/0918 | Fluids / Drug administration |
| Ketamidor 100 mg/mL | Richter pharma | 1121908AB | Anesthesia Induction |
| L10-5v Linear Transducer | Siemens | 11284481 | Vascular Access |
| Midazolam 15 mg/3 mL | Labesfal | PLB762-POR/2 | Anesthesia Induction |
| Mikro-cath | Millar | 63405(1) | Pressure recording |
| MP1 guide catheter 6 Fr | Cordis | 67027000 | Left Ventricle catheterization |
| Needle Holder | Fehling Surgical | ZYY-5 | Aorta banding |
| Non-woven adhesive | Bastos Viegas | 442-002 | Fluids / Drug administration |
| P4-2 Phased Array Transducer | Siemens | 11284467 | Echocardiography |
| Perfusor Compact Syringe Perfusion Pump | B.Braun | 8717030 | Fluids / Drug administration |
| Pressure Signal Conditioner | ADinstruments | PCU-2000 | Pressure recording |
| Propofol Lipuro 2% | B.Braun | 357410 | Anesthesia Maintenance |
| Radifocus Introducer II Standard Kit B - Introducer Sheath | Terumo | RS+B60K10MQ | Vascular Access |
| Radiopaque marker | Scanlan | 1001-83 | Aorta banding |
| Scissors | Fehling Surgical | Thoracotomy | |
| Skinprep (Chlorhexidine 2% / 70% Isopropyl alcohol) | Vygon | SKPC015ES | Disinfection |
| Stopcock manifold (3 ports) | PMH | 310.0489 | Fluids / Drug administration |
| Straight forceps | Fehling Surgical | ZYY-1 | Thoracotomy |
| Stresnil 40 mg/mL | ecuphar | 572184.2 | Anesthesia Induction |
| Syringe Luer Lock 20 cc | Omnifix B.Braun | 4617207V | Anesthesia Induction |
| Syringe Luer Lock 50 cc | Omnifix B.Braun | 4617509F | Anesthesia Maintenance |
| Transdermal fentanyl Patch 50 mcg/h | Mylan | 5022153 | Analgesia |
| Ultravist | Bayer | KT0B019 | Angiography |
| Universal Hemostasis Valve Adapter | Merit Medical | UHVA08 | Left Ventricle catheterization |
| Velcro Limb Immobilizer | PMH | SU-211 | Animal stabilization |
| Venofix A, 21 G | B.Braun | 4056337 | Anesthesia Induction |
| Vista 120S Patient Monitor | Draeger | MS32997 | Monitoring |
| Weck titanium clip | Teleflex | 523760 | Aorta banding |
| Weck titanium clip applier | Teleflex | 523166 | Aorta banding |
| Zhiem Vision | Iberdata | N/A | Fluoroscopy |
References
- Savarese, G., et al. Global burden of heart failure: a comprehensive and updated review of epidemiology. Cardiovascular Research. 118 (17), 3272-3287 (2023).
- Hartley, A., et al. Trends in mortality from aortic stenosis in Europe: 2000-2017. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 748137 (2021).
- Silva, K. A. S., Emter, C. A. Large Animal models of heart failure: a translational bridge to clinical success. Journal of the American College of Cardiology: Basic to Translational Science. 5 (8), 840-856 (2020).
- Brink, C. B., Lewis, D. I. The 12 Rs framework as a comprehensive, unifying construct for principles guiding animal research ethics. Animals (Basel). 13 (7), 1128 (2023).
- Choy, J. S., Zhang, Z. D., Pitsillides, K., Sosa, M., Kassab, G. S. Longitudinal hemodynamic measurements in swine heart failure using a fully implantable telemetry system. PLoS One. 9 (8), 103331 (2014).
- Ishikawa, K., et al. Increased stiffness is the major early abnormality in a pig model of severe aortic stenosis and predisposes to congestive heart failure in the absence of systolic dysfunction. Journal of the American Heart Association. 4 (5), 001925 (2015).
- Emter, C. A., Baines, C. P. Low-intensity aerobic interval training attenuates pathological left ventricular remodeling and mitochondrial dysfunction in aortic-banded miniature swine. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 299 (5), H1348-H1356 (2010).
- Brito, J., Raposo, L., Teles, R. C. Invasive assessment of aortic stenosis in contemporary practice. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 9, 1007139 (2022).
- Tan, W., et al. A Porcine model of heart failure with preserved ejection fraction induced by chronic pressure overload characterized by cardiac fibrosis and remodeling. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 677727 (2021).
- Bikou, O., Miyashita, S., Ishikawa, K. Pig model of increased cardiac afterload induced by ascending aortic banding. Methods in Molecular Biology. 1816, 337-342 (2018).
- Lelovas, P. P., Kostomitsopoulos, N. G., Xanthos, T. T. A comparative anatomic and physiologic overview of the porcine heart. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 53 (5), 432-438 (2014).
- Tian, L., et al. Supra-coronary aortic banding improves right ventricular function in experimental pulmonary arterial hypertension in rats by increasing systolic right coronary artery perfusion. Acta Physiologica (Oxf). 229 (4), 13483 (2020).
- Sorensen, M., Hasenkam, J. M., Jensen, H., Sloth, E. Subcoronary versus supracoronary aortic stenosis. An experimental evaluation. Journal of Cardiothoracic Surgery. 6, 100 (2011).
- Lygate, C. A., et al. Serial high resolution 3D-MRI after aortic banding in mice: band internalization is a source of variability in the hypertrophic response. Basic Research in Cardiology. 101 (1), 8-16 (2006).
- Jalal, Z., et al. Unexpected Internalization of a Pulmonary Artery Band in a Porcine Model of Tetralogy of Fallot. World Journal for Pediatric and Congenital Heart Surgery. 8 (1), 48-54 (2017).
