Un modelo porcino ex vivo para pruebas hidrodinámicas de procedimientos experimentales de válvulas aórticas y nuevos dispositivos médicos

La valvulopatía aórtica representa una importante carga para la salud pública, en particular la estenosis aórtica, que afecta a 9 millones de personas en todo el mundo¹. Las estrategias para abordar esta enfermedad están evolucionando actualmente e incluyen la reparación de la válvula aórtica y el reemplazo de la válvula aórtica. Especialmente en la población pediátrica, existe un incentivo significativo para reparar en lugar de reemplazar la válvula, ya que las prótesis disponibles actualmente son propensas a la degeneración estructural de la válvula (SVD) y no son tolerantes al crecimiento, lo que requiere una reoperación para su rereemplazo a medida que el paciente crece. Incluso el procedimiento de Ross, que reemplaza la válvula aórtica (AV) enferma por la válvula pulmonar (VP) nativa, requiere una prótesis o injerto en posición pulmonar que también está sujeta a SVD y, a menudo, a tolerancia limitada al crecimiento². Se están desarrollando nuevos enfoques para la enfermedad de la válvula aórtica, y existe la necesidad de realizar pruebas en un contexto biológicamente relevante antes de su aplicación en un modelo animal grande.

Hemos desarrollado un método para probar un AV porcino que puede proporcionar información sobre la función de la válvula antes y después de un procedimiento de investigación o la aplicación de un nuevo dispositivo médico. Al montar el AV porcino en una máquina duplicadora de pulsos disponible en el mercado, podemos comparar las características hidrodinámicas que se utilizan comúnmente en la investigación y, en última instancia, en la aprobación de prótesis valvulares, incluida la fracción de regurgitación (RF), el área efectiva del orificio (EOA) y la diferencia de presión positiva media (PPD)^3,4. La intervención puede ajustarse en un contexto biológicamente relevante antes de su uso en un modelo animal grande, limitando así el número de animales necesarios para producir un procedimiento o prótesis que pueda utilizarse en humanos. Los corazones utilizados para este experimento se pueden obtener del matadero local o de tejidos de desecho de otros experimentos, por lo que no es necesario sacrificar un animal únicamente para los fines de este experimento.

En nuestro trabajo, utilizamos este método para desarrollar un nuevo material de parche para la reparación y el reemplazo de válvulas. Probamos la función hidrodinámica de una variedad de materiales de parche mediante la realización de un procedimiento de neocúspidación de la válvula aórtica (procedimiento de Ozaki ^5,6,7) en VA porcinos y probándolos en el duplicador de pulsos antes y después del procedimiento. Esto nos permitió ajustar el material en función de su rendimiento hidrodinámico. Por lo tanto, este método proporciona una plataforma para las pruebas hidrodinámicas de procedimientos experimentales y nuevos dispositivos médicos para su uso en el AV antes de su aplicación en un modelo animal grande.

Toda la investigación se realizó cumpliendo con los lineamientos institucionales para el cuidado de los animales.

1. Consideraciones y preparativos para el experimento

1. Utilice un duplicador de pulsos (DP) adecuado para la simulación del gasto cardíaco a través del AV. La DP deberá ser capaz de acomodar materiales biológicos y poder limpiarse.
   1. Utilice los ajustes de DP apropiados para evaluar el AV: volumen de desplazamiento de 70 ml y 70 latidos por minuto (gasto cardíaco de 5 l/min), 35% del ciclo cardíaco en sístole, gradiente de presión transvalvular media de 100 mmHg, gradiente de presión máxima de 120 y gradiente de presión mínima de 80.
   2. Utilice solución salina normal a temperatura ambiente (RT) (NaCl al 0,9 %) como medio fluido.
2. Localice o cree (mediante impresión 3D o un método similar) accesorios adecuados para montar el AV porcino para realizar pruebas en el DP.
   1. Utilice accesorios que se modelen en los accesorios provistos con el duplicador de pulsos con las siguientes especificaciones: asegúrese de que el diámetro interior del dispositivo sea similar al diámetro del AV que se está estudiando, que la longitud del accesorio sea de al menos 2 cm y que el ancho del accesorio utilizable sea de al menos 4 cm (Figura 1).
   2. Use juntas tóricas de goma como juntas en los extremos de los accesorios.
3. Obtener una muestra de corazón después de la cardiectomía (Figura 2A).
   1. Utilice muestras cardíacas porcinas del matadero o tejido de desecho de animales que estén sanos y que no hayan formado parte de ningún protocolo experimental que afecte a sus corazones.
   2. Obtener una muestra después de la cardiectomía o realizar una cardiectomía post mortem, incluida la transección de la vena cava superior, la vena cava inferior, la arteria pulmonar principal (AP), todas las venas pulmonares y la aorta en la cara distal del arco aórtico.
      NOTA: Para este experimento se deben utilizar muestras frescas, con menos de 6 h post-mortem o almacenadas en solución salina estéril con una solución antibiótica al 1% (penicilina y estreptomicina) en un refrigerador a 4 ^°C durante un máximo de 7 días. Los tejidos fijados en formol o glutaraldehído producirán resultados hidrodinámicos alterados debido al aumento de la rigidez.

Figura 1: Accesorios impresos en 3D personalizados para montar las válvulas aórticas porcinas en el duplicador de pulsos. Como se indica en el protocolo, la longitud del accesorio debe ser de al menos 2 cm y el ancho del accesorio utilizable debe ser de al menos 4 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Resección de estructuras del lado derecho

1. Diseccionar la PA de la aorta con unas tijeras de Metzenbaum hasta que el tejido ventricular sea visible (Figura 2B).
2. Diseccionar y ligar con lazos de seda ambas arterias coronarias en su origen de los senos aórticos, teniendo cuidado de no estrechar los senos paranasales.
3. Transecto de las arterias coronarias distal a los lazos de seda.
4. Incidir el ventrículo derecho (VD) entre la aorta y la PA en la base de la válvula pulmonar con unas tijeras de Metzenbaum (Figura 2C).
5. Comenzando por la parte anterior, continúe la incisión circunferencialmente a lo largo del tabique interventricular para eliminar la pared libre del VD (Figura 2D, E).
6. Continúe la incisión posteriormente a través del anillo de la válvula tricúspide a lo largo del tabique interauricular para extraer todo el tejido auricular derecho (Figura 2F).

Figura 2: Muestra de cardiectomía y resección de estructuras del lado derecho. (A) Muestra de cardiectomía. (B) Disección de la arteria pulmonar principal de la aorta hasta que el tejido ventricular sea visible. (C) Incisión en el ventrículo derecho (VD) en la base de la válvula pulmonar. (D) Continuar la incisión a lo largo del tabique interventricular anteriormente. (E) Extirpación de la pared libre de RV continuando la incisión circunferencialmente a lo largo del tabique interventricular. (F) Espécimen con estructuras del lado derecho removidas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Preparación del tracto de salida del ventrículo izquierdo (TSVI) para la canulación con el dispositivo de DP

1. Incidir la aurícula izquierda (AI) a través del ostium de la vena pulmonar derecha paralelo a la aorta con unas tijeras de Metzenbaum (Figura 3A).
   NOTA: Aunque existe una variabilidad limitada, la anatomía de la vena pulmonar porcina generalmente termina en dos ostios de la vena pulmonar que ingresan a la AI⁸.
2. Continuar la incisión hacia la comisura anterolateral de la válvula mitral (VM), dejando al menos un manguito de 3 mm de tejido auricular en el lado de la aorta.
3. Recortar el exceso de tejido de AI, manteniendo circunferencialmente el manguito de 3 mm de tejido auricular en la aorta y el anillo del VM (Figura 3B).
4. Extender la incisión sobre el ventrículo izquierdo (VI) a través de la comisura anterolateral de la VM, cuidando de preservar el músculo papilar anterolateral (Figura 3C).
5. Divida las cuerdas tendinosas desde el músculo papilar anterolateral hasta la valva posterior de la VM, conservando las inserciones a la valva anterior de la VM.
6. Continúe la incisión hasta el ápice del corazón.
7. Recortar el exceso de tejido del VI por debajo de los músculos papilares, preservando ambos músculos papilares (Figura 3D).

Figura 3: Preparación del tracto de salida del ventrículo izquierdo para la canulación con el dispositivo duplicador de pulsos. (A) Incisión de la aurícula izquierda (AI) a través del ostium de la vena pulmonar derecha. (B) Exceso de tejido de LA recortado, manteniendo al menos un manguito de 3 mm de tejido auricular en la aorta y manteniendo el anillo de la válvula mitral circunferencialmente. (C) Extender la incisión hacia el ventrículo izquierdo (VI) a través de la comisura anterolateral de la válvula mitral. (D) Eliminar el exceso de tejido del VI por debajo de los músculos papilares. Las tijeras son visibles en la esquina superior derecha de la imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. Preparación de la aorta para la canulación con el dispositivo de DP

1. Recorte el exceso de tejido linfático, conectivo o de las arterias pulmonares de la aorta (Figura 4A).
2. Incidir la cara superior del arco aórtico desde la aorta descendente hasta la arteria subclavia izquierda con unas tijeras de Metzenbaum (Figura 4B).
3. Continuar la incisión en la cara superior del arco aórtico desde la arteria subclavia izquierda hasta el tronco braquiocefálico (Figura 4C, D).
   NOTA: Las ramas del arco aórtico porcino de distal a proximal incluyen la arteria subclavia izquierda y el tronco braquiocefálico, que da lugar a la arteria subclavia derecha, la arteria carótida derecha y la arteria carótida izquierda⁹.

Figura 4: Preparación de la aorta para la canulación con el dispositivo duplicador de pulsos. (A) Arco aórtico con exceso de tejido extirpado. Obsérvense los dos arcos vasculares del arco aórtico porcino, el tronco braquiocefálico y la arteria subclavia izquierda. (B) Iniciar la incisión a lo largo de la cara superior del arco aórtico desde la aorta descendente hasta la arteria subclavia izquierda. (C) Continuar la incisión a lo largo de la cara superior del arco aórtico desde la arteria subclavia izquierda hasta el tronco braquiocefálico. (D) Incisión completa del arco aórtico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. Canulación del TSVI con el accesorio PD

1. Pruebe la posición de la luminaria en el TSVI y recorte el exceso de tejido del VI.
   1. Inserte el accesorio en el TSVI debajo de la valva anterior del MV.
   2. Envuelva la pared libre de BT alrededor del dispositivo.
   3. Recorte el exceso de tejido del VI para mantener una envoltura apretada alrededor del accesorio.
   4. Eliminar la mitad del espesor de la pared libre del VI comenzando por el tabique interventricular, manteniendo al menos 1 cm de epicardio en el borde libre para mantener la integridad de la línea de sutura (Figura 5A).
   5. Recorte 1 cm de pañuelo de la esquina superior de la envoltura de pared libre del VI (Figura 5A).
2. Coloque el accesorio en el TSVI con el orificio de fijación de la varilla de soporte a 1 cm detrás de la incisión del VI (Figura 5B).
   1. Tenga cuidado de no insertar el dispositivo demasiado lejos en el TSVI de manera que dilate el anillo AV.
3. Sujete la valva anterior de la MV al accesorio con una o dos bridas de 6 pulgadas colocadas entre las cuerdas tendinosas de la valva (Figura 5C).
4. Suturar la pared libre del VI alrededor de la luminaria (Figura 5D).
   1. Comience suturando el manguito de tejido de la AI en la aorta hasta el anillo de la VM utilizando una sutura simple con una aguja de punta cónica.
   2. Continúa el punto corrido sobre el VI, sin rasgar el tejido VI.

Figura 5: Canulación del tracto de salida del ventrículo izquierdo con el dispositivo de duplicación de pulsos. (A) Se eliminó la mitad del espesor de la pared libre del VI con 1 cm de epicardio mantenido en el borde libre. La línea punteada indica el área de 1 cm que debe retirarse de la esquina superior de la envoltura de pared libre de LV. (B) Orificio de fijación de la varilla de soporte colocado 1 cm detrás de la incisión de la pared libre del VI. (C) Brida que sujeta la valva anterior del MV al accesorio proximal. (D) Pared libre de BT suturada alrededor de la luminaria. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

6. Canulación de la aorta con fijación de DP y preparación final para la prueba de DP

1. Mida el diámetro del AV utilizando dilatadores Hegar para ayudar con la interpretación de los resultados de las pruebas de DP.
2. Identifique la posición neutra de la aorta levantando la muestra de la mesa agarrando la aorta (Figura 6A).
3. Inserte el accesorio de DP en la aorta, teniendo cuidado de alinear los orificios de fijación de la varilla en la posición neutral de la aorta.
4. Compruebe la longitud de la muestra insertando las varillas de soporte.
5. Asegure el accesorio de DP a la aorta con una o dos bridas de 6 pulgadas (Figura 6B).
6. Asegure el TSVI alrededor del dispositivo PD con una o dos bridas de 8 pulgadas.
7. Asegure las varillas de soporte en su lugar con los tornillos provistos con el juego de DP.
8. Coloque la muestra en DP e inicie la prueba (Figura 6C, Video 1 y Video 2).
9. Sutura cualquier fuga según sea necesario.

Figura 6: Canulación de la aorta y prueba en el duplicador de pulso. (A) Levantar la muestra de la mesa por la aorta para identificar la posición neutra de la aorta. (B) Fijación distal asegurada en la aorta con bridas. (C) Muestra montada en el duplicador de pulsos para pruebas hidrodinámicas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

7. Realizar el procedimiento experimental

NOTA: Realice procedimientos experimentales como el procedimiento de Ozaki como se describió anteriormente ^5,6,7 y repita las pruebas de DP.

1. Si el tejido se ha desecado durante el procedimiento, apriete las bridas y refuerce la línea de sutura según sea necesario.

8. Almacenamiento a largo plazo de la muestra (si se desea)

1. Colocar la muestra en formol al 10% durante 168 h (1 semana)^10,11.
2. Después de la fijación del tejido, lave la muestra con agua desionizada y colóquela en etanol al 70% para su almacenamiento a largo plazo.

Los datos representativos recopilados del duplicador de pulsos incluyen la fracción de regurgitación (RF), el área efectiva del orificio (EOA) y la diferencia de presión positiva media (PPD). La RF y la EOA, en particular, se utilizan en las normas ISO para válvulas protésicas (ISO 5840) y será importante recopilarlas si se están investigando productos de válvulas protésicas. El PPD ofrece información sobre cuánta presión se requiere para abrir la válvula y se hace referencia comúnmente cuando se habla del reemplazo de la válvula protésica 3,4. El duplicador de pulsos HDTi-6000 (BDC Laboratories, Wheat Ridge, CO) utilizado en este experimento puede recopilar otros valores si se desea, incluido el volumen de cierre, el volumen de fuga, el volumen total de regurgitante, el volumen total de flujo hacia adelante, la duración sistólica, la diferencia máxima de presión positiva y el flujo hacia adelante medio.

En la Tabla 1 se muestran los valores para las pruebas hidrodinámicas (RF, EOA y PPD) de la válvula aórtica nativa (n = 20) en un experimento realizado correctamente. Los valores obtenidos se encuentran dentro del rango normal para las mediciones de la válvula aórtica, incluyendo una FR media de 5,74%12 y un índice valvular aórtico medio previsto de 1,08 cm2/m2 (calculado mediante la predicción de la superficie corporal en función del diámetro aórtico medio y dividiendo la media de EOA por ese valor)13,14.

Cuando la muestra se fija en formol al 10% o glutaraldehído al 0,6%, los tejidos que rodean la válvula se vuelven rígidos y es difícil enderezar adecuadamente la muestra para la prueba. Cualquier curva o curva se acentúa, y el anillo de la válvula puede distorsionarse de modo que la RF se eleva falsamente debido a la malcoaptación de las valvas. Por ejemplo, los valores de RF para dos muestras fijas que tenían curvas irreducibles que distorsionaban el anillo fueron del 27,73% y del 67,30%. Incluso cuando la muestra es lo suficientemente recta como para analizarla, la rigidez del tejido que rodea la válvula produce una PPD falsamente elevada, una disminución de la FR y una disminución de la EOA. No hay diferencias significativas entre la fijación en formol o glutaraldehído. Estas cuestiones deben tenerse en cuenta si se utiliza tejido fijo con este modelo experimental, y sugieren que las muestras frescas son más representativas de la función valvular in vivo . En la Tabla 2 se presentan los valores representativos antes y después de la fijación de tejidos en muestras fijas que podrían montarse sin doblar.

La RF puede elevarse falsamente por fugas de la muestra, especialmente fugas proximales a la válvula. Es de esperar que se produzcan algunas fugas y, como regla general, cualquier fuga que se presente con una corriente continua (en lugar de goteo) es hidrodinámicamente significativa. Las fugas de la línea de sutura se pueden tratar con una sutura de refuerzo (otra sutura continua o una sutura en forma de ocho). En general, cuando se utiliza este modelo, no se deben utilizar agujas de corte, ya que habrá fugas por los orificios de sutura. Las fugas de los sitios de inserción de accesorios se pueden abordar apretando las bridas existentes o agregando más. En un caso representativo, apretar una brida para abordar las fugas resultó en una disminución de la RF del 13,7% al 9,5%. Se debe tener cuidado de no apretar demasiado las bridas en el lado de entrada, ya que esto puede conducir a una disminución falsa de EOA y una PPD falsamente elevada. En un caso representativo, el aflojamiento de una brida demasiado apretada dio lugar a un aumento de la EOA de 0,98cm2 a 1,08cm2 y una disminución de la PPD de 20,2 mmHg a 18,0 mmHg. Las bridas deben estar lo suficientemente sueltas como para que el tejido ventricular proximal a la válvula permanezca flexible, y las fugas no necesariamente deben eliminarse por completo, solo ralentizarse a un estado de goteo en el que no afecten las mediciones hidrodinámicas.

Una vez que se ha probado la válvula nativa, se puede realizar el procedimiento en investigación para determinar el cambio en la función hidrodinámica. En nuestro trabajo, investigamos el efecto del uso de diferentes materiales de parche en posición valvular mediante la sustitución de las valvas mediante el procedimiento de Ozaki 5,6,7. Al reemplazar los prospectos con diferentes materiales de investigación, pudimos evaluar la función de varios materiales para su uso en la reparación y reemplazo de la válvula aórtica. Los valores obtenidos después del procedimiento de Ozaki utilizando el material de parche de control (pericardio autólogo fijado en glutaraldehído 0,6%) produjeron un cambio con respecto a la válvula basal que es consistente con el reemplazo valvular con una prótesis valvular de tamaño adecuado (FR < 10%, PPD < 20 mmHg, cambio de EOA < disminución de 0,3cm2 desde el inicio)4. En la Tabla 3 se presentan los valores representativos obtenidos después de realizar el procedimiento de Ozaki con el material del parche de control.

Vídeo 1: Funcionamiento de la válvula aórtica grabado con la cámara interna del duplicador de pulsos. Haga clic aquí para descargar este video.

Video 2: Vista lateral de la válvula aórtica que se está probando en el duplicador de pulsos. Haga clic aquí para descargar este video.

Tabla 1: Valores representativos obtenidos por ensayos hidrodinámicos en un experimento correctamente realizado. Las muestras P9 y P20 no se incluyeron porque las válvulas nativas eran anormales. Valores obtenidos a partir del software de duplicación de pulsos. RF: fracción de regurgitación; EOA: área de orificio efectivo; PPD: diferencia de presión positiva.

Tabla 2: Valores representativos obtenidos por pruebas hidrodinámicas antes y después de la fijación tisular con formalina al 10% o glutaraldehído al 0,6%. Los datos se presentan como media ± desviación estándar. Los valores de p se calcularon mediante la prueba t pareada (nativa vs. fija) o la prueba t no apareada (glutaraldehído vs. formalina). Valores obtenidos a partir del software de duplicación de pulsos. RF: fracción de regurgitación; EOA: área de orificio efectivo; PPD: diferencia de presión positiva.

Tabla 3: Valores representativos obtenidos por pruebas hidrodinámicas antes y después de realizar el procedimiento de Ozaki con pericardio autólogo fijo en glutaraldehído. Los datos se presentan como media ± desviación estándar. Los valores de p se calcularon mediante la prueba t pareada. Valores obtenidos a partir del software de duplicación de pulsos. RF: fracción de regurgitación; EOA: área de orificio efectivo; PPD: diferencia de presión positiva.

Los autores no tienen conflictos de intereses financieros relevantes que revelar.