Nieuwe percutane benadering voor de inzet van 3D-geprinte coronaire stenose implantaten in varkensmodellen van ischemische hart-en vaatziekten

Samenvatting

We beschrijven een nieuwe, kosteneffectieve en efficiënte techniek voor percutane levering van driedimensionale geprinte coronaire implantaten om varkensmodellen met gesloten borst van ischemische hartziekten te creëren. De implantaten werden op hun plaats bevestigd met behulp van een moeder-en-kind extensie katheter met een hoog slagingspercentage.

Samenvatting

Minimaal invasieve methoden voor het creëren van modellen van focale coronaire vernauwing bij grote dieren zijn een uitdaging. Rapid prototyping met behulp van driedimensionaal (3D) geprinte coronaire implantaten kan worden gebruikt om percutaneously creëren een focale coronaire stenose. Een betrouwbare levering van de implantaten kan echter moeilijk zijn zonder het gebruik van hulpapparatuur. We beschrijven het gebruik van een moeder-en-kind coronaire geleidekatheter voor stabilisatie van het implantaat en voor een effectieve levering van het 3D-geprinte implantaat op elke gewenste locatie langs de lengte van het coronaire vat. De focale coronaire vernauwing werd bevestigd onder coronaire cineangiografie en de functionele betekenis van de coronaire stenose werd beoordeeld met behulp van gadolinium-verbeterde eerste-pass hartperfusie MRI. We toonden aan dat betrouwbare levering van 3D-geprinte coronaire implantaten in varkensmodellen (n = 11) van ischemische hartziekten kan worden bereikt door herbestemming van moeder-en-kind coronaire geleidekatheters. Onze techniek vereenvoudigt de percutane levering van coronaire implantaten om gesloten borst varkens modellen van focale kransslagader stenose te creëren en kan snel worden uitgevoerd, met een lage procedurele mislukking tarief.

Inleiding

Ischemische hart-en vaatziekten blijft de nummer een doodsoorzaak in de Verenigde Staten¹. Grote diermodellen zijn experimenteel gebruikt om mechanismen te begrijpen en te karakteriseren die coronaire hartziekten (CAD) en bijbehorende complicaties (waaronder hartinfarct, aritmische gebeurtenissen en hartfalen) veroorzaken en karakteriseren, evenals voor het testen van nieuwe therapieën of diagnostische modaliteiten. De resultaten van deze studies hebben bijgedragen tot het verbreden van het begrip, de diagnose en de monitoring van ischemische hartziekten en het bevorderen van de klinische praktijk². Verschillende diermodellen, waaronder konijnen, honden en varkens, zijn gebruikt. Echter, coronaire stenoses, met name discrete laesies, komen zeer zelden voor bij deze dieren en zijn moeilijk reproducibly induceren³. Voorafgaand werk beschreef de creatie van kunstmatige coronaire stenoses met behulp van ligatie, occluders, of externe klemmen. Onlangs hebben we beschreven hoe 3D-printtechnologie te gebruiken voor de vervaardiging van coronaire implantaten die kunnen worden gebruikt om percutaneously te creëren discrete kunstmatige coronaire vernauwing⁴. Met behulp van computer-aided design software, ontwierpen we coronaire slagader implantaten als holle buizen met verschillende binnen-en buitendiameters evenals implantaat lengte en vervolgens vervaardigd ze met behulp van commercieel beschikbare additieve materialen. De implantaten zijn glad, hol, 3D-geprinte buizen met afgeronde randen. We ontwierpen een bibliotheek van implantaatmaten met een bereik van binnendiameter, buitendiameter en lengte. De buitenste diameter van het implantaat is gebaseerd op de grootte van de coronaire geleidekatheter. De binnenste diameter is gebaseerd op de grootte van een leeggelopen coronaire angioplastieballon. We hebben de lengte van het implantaat gevarieerd om de gewenste ernst van perfusie op maat te maken. Echter, veilige percutane levering van dergelijke apparaten kan een uitdaging zijn als gevolg van het ontbreken van draden en katheters vervaardigd speciaal voor groot diergebruik. In tegenstelling, een uitgebreide collectie van katheters, draden, en ondersteunende apparatuur zijn beschikbaar voor klinisch gebruik in menselijke kransslagaders. In dit werk laten we zien hoe je een klinische kwaliteit moeder-en-kind coronaire gids katheter hergebruiken voor de levering van de 3D-geprinte coronaire implantaten.

De GuideLiner katheter (figuur 1A) is ontwikkeld voor percutane coronaire interventie (PCI) om diepe katheter zitplaatsen en verhoogde ondersteuning voor complexe gevallen⁵mogelijk te maken. In ons onderzoek is de GuideLiner katheter gekozen vanwege de vertrouwdheid van het gebruik en de beschikbaarheid, maar soortgelijke katheters, indien beschikbaar, kunnen ook worden overwogen. Beschouwd als een "moeder-en-kind" geleidekatheter(figuur 1B),het apparaat past in een typische coronaire geleidekatheter ("moeder") en is een coaxiale flexibele buis ("kind"). Deze katheter kan worden ingebracht over een geleidingsdraad en verlengt effectief het bereik van een typische coronaire geleidekatheter door zich buiten het einde van de coronaire gids uit te breiden. De GuideLiner of een soortgelijke moeder-en-kind katheter kan worden gebruikt als extra ondersteuning voor de inzet van de 3D-geprinte coronaire implantaten. Omdat de implantaten zijn gemonteerd over angioplastieballonnen die als eenheid over een kransslagader in het vat moeten worden ingebracht(figuur 1B,1C),biedt de katheter extra ondersteuning om het implantaat naar de gewenste locatie te brengen. Door de moeder-en-kindkatheter gewoon proximal op de ballon te plaatsen, blijft het implantaat op de gewenste locatie tijdens ballondeflatie en intrekking. Ondanks het feit dat enige stevigheid aan de structuur, de moeder-en-kind katheter unieke vermogen om diep worden gevorderd in kransslagaders over een geleidingsdraad en de radiopaque marker op de katheter tip waren essentiële kenmerken voor implantatie.

Ons geassembleerde toedieningsapparaat bestond uit een typische coronaire geleidekatheter, de moeder-en-kindkatheter en een 3D-geprint implantaat dat op een leeggelopen coronaire angioplastieballon(figuur 1B)was bevestigd. Als functionele toedieningseenheid bood de moeder-en-kindkatheter niet alleen stabiele extra ondersteuning voor de levering van de apparatuur, maar werd hij ook op unieke wijze toegepast als afschuifapparaat om de implantaten op zijn plaats te houden tijdens deflatie en verwijdering van de ballon. De radiopaque marker op de katheter tip diende als een positionering gids voor het geassembleerde apparaat en zit proximale aan de angioplastie ballon. Deze kenmerken maakten een nauwkeurige inzet van de stroombeperkende implantaten mogelijk. Het proces is ontworpen om reproduceerbaar, efficiënt en humaan te zijn voor de proefpersonen.

In onze toepassing werd de moeder-en-kind percutane levering techniek gebruikt om varkens modellen met focale coronaire stenose voor de evaluatie van contrast-verbeterde stress hartperfusie magnetische resonantie beeldvorming (MRI) te creëren. Echter, de techniek kan worden gebruikt in andere onderzoeken, waaronder vasculaire systemen buiten de kransslagaders.

Protocol

We voerden de experimenten uit volgens de richtlijnen van de Animal Welfare Act, de National Institutes of Health en de American Heart Association on Research Animal Use. Ons Comité voor institutionele dierenverzorging en -gebruik heeft het protocol voor dieronderzoek goedgekeurd.

1. Preprocedurele voorbereiding van 3D-geprinte coronaire stenoseimplantaten

1. Met behulp van pincet, dip-coat de gedrukte implantaten in een 25% heparine oplossing om trombus vorming te voorkomen en laat de lucht droog voor 24 uur.

2. Preprocedurele voorbereiding van proefpersonen

1. Laat mannelijke Yorkshire varkens (SNS Farms, 30-45 kg) aankomen bij de instelling 1 week voor het experiment datum en hen in staat stellen om te acclimatiseren.
2. Houd de varkens in een vastentoestand na middernacht de dag voorafgaand aan de procedure.

3. Procedurele anesthesie

1. Verdoven de varkens met intramusculaire ketamine (10 mg/kg) en intraveneuze midazolam (1 mg/kg).
2. Ventileer de dieren met een zuurstof-isoflurane (1-2%) Mengsel.
3. Voer endotracheale intubatie uit zodra het dier onderwerp is verdoofd.
4. Infuus intraveneuze (IV) rocuronium (2,5 mg/kg/h) en geef extra bolussen (1–3 mg/kg IV om de 20-30 min) wanneer dat nodig is om diafragmatische immobilisatie te bereiken.
5. Handhaven van een chirurgisch vlak van anesthesie gedurende de hele procedure door te controleren op ontwaken, bewegingen, grote fluctuatie in vitale functies, en andere tekenen van nood of ongemak gedurende de duur van het experiment. We controleerden de varkens voor ongeveer 6 uur onder narcose.

4. Vasculaire toegang

1. Met behulp van de Seldinger techniek, voeg de arteriële en veneuze omhulsels in de bilaterale dijbeenslagaders en aders van de onderwerpen.
2. Spoel alle katheterpoorten continu door met gehepariniseerde normale zoutlijn.

5. Preprocedurele medicatie toediening

1. Toedienen amiodaron intramusair (1,5 mg/kg), lidocaine intraveneus (2 mg/kg), en esmolol intraveneus (1 mg/kg) indien nodig voor profylaxe tegen aritmie. Geef herhaalde doseringen van amiodarone, lidocaine, en esmolol als dat nodig is in de loop van het experiment om ventriculaire ritmes te onderdrukken en de hartslagrespons te controleren.
2. Nadat vasculaire toegang is verkregen, toedienen heparine (5.000-10.000 eenheden) om een geactiveerde stollingstijd (ACT) >300 s te houden. Controleer de ACT elk uur tijdens het experiment en geef extra intraveneuze heparine als dat nodig is om het ACT-doel te behouden.

6. Hemodynamische monitoring

1. Gebruik een enkele laterale elektrocardiografie (ECG) borstlood voor het registreren van veranderingen in ST-segment, T-golven en hartslag gedurende de gehele experimentele periode.
2. Gebruik een druktransducer om continue femorale arteriële druk vast te leggen gedurende de hele procedure.
3. Bevestig een pulsoximeter aan het oor of de lip van het dier voor continue pulsoximetrieopnames.

7. Bereiding van apparatuur voor de levering van implantaten

1. Voorafgaand aan het uitvoeren van coronaire angiografie, steek een leeggelopen NC Trek over-the-wire coronaire ballon door middel van een moeder-en-kind katheter van de gewenste grootte, zodat de ballon tip strekt zich uit buiten het puntje van de katheter.
2. Monteer het 3D-geprinte implantaat op de leeggelopen angioplastieballon zodanig dat het implantaat tussen de markeringen van de ballon en dicht bij de proximale marker(figuur 1B)wordt geplaatst.
3. Blaas de ballon met een insufflator op tot 2-3 atm om het implantaat op de ballon te bevestigen. Controleer of het implantaat dichter bij de proximale helft van de ballon is geplaatst, zodat het het dichtst bij de moeder-en-kindkatheter zal zijn wanneer het klaar is voor verwijdering(figuur 1B).

8. Coronaire angiografie en inzet van coronaire implantaten

1. Plaats de fluoroscopische C-arm in de anteroposterior (AP) projectie.
2. Bevestig een regelklep (zie Materiaaltabel)aan een linker- of rechterkatheter (zie Materiaaltabel).
3. Introduceer de geleidekatheter over een J-getipte draad door de rechter dijbeenslagaderschedehuls en breng onder fluoroscopische begeleiding de katheter naar de aortawortel.
4. Schakel selectief (of niet selectief) de katheter in de linker hoofdkransslagader (LMCA) en injecteer 5 mL geiodineerd contrast onder fluoroscopie om het linker coronaire systeem te visualiseren.
5. Plaats de geleidekatheter naar de LMCA voor het tweede angiogram (figuur 2). Als coronaire slagader betrokkenheid blijkt moeilijk, deels te wijten aan de korte aortaboog van de varkens, overwegen het uitvoeren van niet-selectieve angiogrammen, zolang ze voldoende visualisatie van de schepen.
6. Eenmaal ingeschakeld in, of geplaatst in de buurt van de LMCA, onder fluoroscopie, vooraf een 0,014", 300 cm kransslagader (zie Tabel van materialen) in de LMCA en verder vooraf de draad naar de distale voorste dalende slagader (LAD) of links circumflex kransslagader (LCX) indien gewenst ( Figuur3).
7. Onder fluoroscopische begeleiding, voeg de eerder geassembleerde moeder-en-kind katheter met de opgeblazen coronaire angioplastie ballon en implantaat over de coronaire draad en ga naar de gewenste locatie langs het kransenvat. Injecteer 5 mL geiodineerd contrast om een discrete vernauwing te visualiseren op de gewenste locatie waar het coronaire implantaat moet worden ingezet(figuur 4).
8. Zodra het implantaat in positie is, zet u de moeder-en-kindkatheter vooraf naar de proximale marker van de opgeblazen ballon.
9. Leegde de ballon en trek deze in via de moeder-en-kind katheter. Dit proces stelt de moeder-en-kind katheter in staat om het implantaat van de ballon af te scheren terwijl het wordt ingetrokken en bevestigt de positie van het implantaat in het aangewezen segment van het vat.
10. Verwijder de ballon, moeder-en-kind katheter, en coronaire draad.
11. Voer definitieve angiogrammen uit om de locatie van de nieuwe kunstmatige stenose in het vat vast te leggen. Indien mogelijk moeten angiogrammen worden uitgevoerd in twee orthogonale weergaven om een visuele schatting van de ernst van de stenose te verkrijgen. Een laatste angiografie (figuur 5) kan ook worden uitgevoerd met subselectieve positionering van de moeder-en-kind katheter in het proximale vat, die een uitstekende opacificatie met minimaal contrast biedt.
12. Breng het dier onmiddellijk over naar de MR-suite om een mri van hartstress perfusie te ondergaan met behulp van gadobutrol (0,1 mM/kg) geïnjecteerd met een snelheid van 2 mL/sec.
    OPMERKING: Het gebruikte stressmiddel was een 4 min infusie van adenosine bij 300 μg/kg/min. Het beeldvormingsprotocol omvatte 1) cine imaging (gezichtsveld [FOV] = 292 x 360 mm, matrixgrootte = 102 x 126, herhalingstijd [TR] = 5,22 ms, echotijd [TE] = 2,48 ms, snijdikte = 6 mm, pixelbandbreedte = 450 Hz, omslaghoek = 12°); 2) first-pass perfusie in rust en op piek adenosine vaatverwijdende spanning met behulp van een verwende gradiënt echosequentie (FOV = 320 x 320 mm, matrixgrootte = 130 x 130, TR = 2,5 ms, TE = 1,1 ms, snijdikte = 10 mm, pixelbandbreedte = 650 Hz, flip hoek = 12°; en 3) late gadolinium enhancement imaging met behulp van een ECG-gated, gesegmenteerde, verwende gradiënt-echo fase-gevoelige-inversie-herstel sequentie (FOV = 225 x 340 mm, matrixgrootte = 131 x 175 mm, TR = 5,2 ms, TE = 1,96 ms, dikte = 8 mm, inversietijd (TI) = geoptimaliseerd voor null the myocard, p ixel bandbreedte = 465 Hz, flip hoek = 20°). Een illustratieve first-pass perfusieafbeelding wordt weergegeven in figuur 6.
13. Na voltooiing van het MRI-protocol, euthanaseren de varkens door een infusie van natrium pentobarbital (100 mg/kg).
14. Voer een laterale thoracotomie uit, accijns het hart, en ontleed de ex vivo hart om de kransslagaders bloot te leggen. Let op de locatie van het implantaat in relatie tot de diagonale takken (LAD grondgebied) of stompe marginale takken (LCX grondgebied), en halen de implantaten.
15. Met behulp van een stompe en gebogen Metzenbaum-schaar opent u het kransslagadersvat en inspecteert u het vat op grove verwondingen (zie figuur 7). Fotografeer het hartweefsel voor grove pathologie en vlek met triphenyltetrazoliumchloride om hartinfarct uit te sluiten (zie figuur 8).

Resultaten

Na de eerste optimalisatie van de procedure werd de interventiecomponent binnen 30 min voltooid. De implantaten werden met succes geleverd bij alle 11 proefpersonen (100%). Het implantaat werd bij de autopsie bij alle 11 proefpersonen (100%) teruggevonden. Met behulp van de diagonale takken (langs de LAD) of stompe marginale takken (langs de LCX) als positionele markers, vonden we de positie van het implantaat bij fluoroscopic-geleide inzet en bij autopsie consistent te zijn in 10 van de 11 (91%) proefpersonen waar het i...

Discussie

In dit werk richtten we ons op een nieuwe percutane implementatiestrategie voor coronaire stenose-inducerende implantaten en toonden we aan dat een moeder-en-kindkatheter opnieuw kan worden gebruikt voor effectieve percutane levering van 3D-geprinte coronaire implantaten. Discrete kunstmatige coronaire stenoses van variabele ernst kunnen snel worden gemaakt in varkens modellen met een hoog slagingspercentage en op een minimaal invasieve manier met behulp van standaard menselijke percutane coronaire interventionele techni...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
3D-Geprinte coronaire implantaten	In onderzoekslocatie gefabriceerd
Amiodarone IV-oplossing	Onderzoekslocatie Apotheek
Amplatz Left-2 (AL-2) geleidekatheter (8F)	Boston Scientific, Marlborough, Massachusetts, USA
Balance Middleweight coronaire draad (0.014” 300cm)	Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA
COPILOT Bleedback Control klep	Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA
Esmolol IV-oplossing (1 mg/kg)	Onderzoekslocatie Apotheek
Formlabs Form 2 3D-printer met een minimale XY-functiegrootte van 150 µm	Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA
Formlabs Grijze Hars (implantaatmateriaal)	Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA
Gadobutrol 0,1 mmol/kg	Gadvist, Bayer Pharmaceuticals, Wayne, NJ
GuideLiner katheter (6F)	Vascular Solutions Inc., Minneapolis, Minnesota, USA
Heparine IV-oplossing	Surface Solutions Laboratories Inc., Carlisle, Massachusetts, USA
Ketamine IM-oplossing (10 mg/kg)	Onderzoekslocatie Apotheek
Lidocaine IV-oplossing	Onderzoekslocatie Apotheek
Mannelijke Yorkshire-varkens (30-45 kg)	SNS Farms
Midazolam IV-oplossing	Onderzoekslocatie Apotheek
NC Trek over-the-wire coronaire ballon	Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA
Zuurstof-isofluraan 1-2% geïnhaleerde mengsel	Onderzoekslocatie Apotheek
Rocuronium IV-oplossing	Onderzoekslocatie Apotheek
Natrium Pentobarbital IV-oplossing (100mg/kg)	Onderzoekslocatie Apotheek
Trifenyltetrazoliumbonecloridestaal	Instituut Pathologie Lab