Hier wordt een protocol gepresenteerd om de rechter- en linkerventrikelfunctie van donorharten na koude bewaring betrouwbaar te kwantificeren met behulp van een ex vivo perfusiesysteem.
Methodenartikel
Hier wordt een protocol gepresenteerd om de rechter- en linkerventrikelfunctie van donorharten na koude bewaring betrouwbaar te kwantificeren met behulp van een ex vivo perfusiesysteem.
Primaire transplantaatdisfunctie (PGD) blijft de belangrijkste oorzaak van vroegtijdig overlijden na harttransplantatie. Langdurige ischemische tijd tijdens koude bewaring is een belangrijke risicofactor voor PGD, en betrouwbare evaluatie van de hartfunctie is essentieel om de functionele responsen van het donorhart na koude bewaring te bestuderen. De begeleidende video beschrijft een techniek om de rechter- en linkerventrikelfunctie van muizen te beoordelen met behulp van ex vivo perfusie op basis van een Langendorff-model na koude conservering gedurende verschillende duur. Kortom, het hart wordt geïsoleerd en opgeslagen in een koude histidine-tryptofaan-ketoglutaraat (HTK) oplossing. Vervolgens wordt het hart gedurende 60 minuten geperfundeerd met een Kreb-buffer in een Langendorff-model. Een siliconenballon wordt in de linker- en rechterhartkamer ingebracht en cardiale functionele parameters worden geregistreerd (dP/dt, druk-volumerelaties). Dit protocol maakt een betrouwbare evaluatie van de hartfunctie mogelijk na verschillende protocollen voor het behoud van het hart. Belangrijk is dat deze techniek het mogelijk maakt om hartconserveringsreacties te bestuderen, specifiek in inheemse hartcellen. Het gebruik van zeer kleine muizenharten geeft toegang tot een enorm scala aan transgene muizen om de mechanismen van PGD te onderzoeken.
Harttransplantatie verbetert de overleving en de kwaliteit van leven bij patiënten met eindstadium hartfalen1. Helaas beperkt het tekort aan hartdonoren het aantal patiënten dat baat zou kunnen hebben bij deze therapie en beperkt het het vermogen van clinici om donoren optimaal te matchen met ontvangers 2,3,4. Bovendien heeft het nieuwe toewijzingssysteem bijgedragen tot langere ischemische tijden en is het gebruik van marginale donoren sinds 2018 aanzienlijk toegenomen5. Bijgevolg neemt de gemiddelde leeftijd van hartdonoren en de ischemische tijd in de loop van de tijd toe, wat leidt tot een hoger percentage primaire transplantaatdisfunctie (PGD) ondanks aanzienlijke verbeteringen in de strategieën voor hartbehoud 6.
PGD kan de linker-, rechter- of beide ventrikels aantasten en blijft een levensbedreigende complicatie die de belangrijkste oorzaak is van vroege sterfgevallen na harttransplantatie. Het onderzoeken van de mechanismen van PDG en de ontwikkeling van strategieën voor een beter behoud van het hart zijn belangrijke overwegingen, gezien de potentiële levensreddende impact op hartontvangers. Daarom zijn experimentele modellen die een robuuste en betrouwbare beoordeling van de hartfunctie van de donor na een langere bewaartijd mogelijk maken, essentieel om ons begrip van PGD te vergroten en de ontwikkeling van nieuwe therapieën te vergemakkelijken. De mogelijkheid om de hartfunctie in het hart van muizen nauwkeurig te beoordelen, geeft toegang tot een uitgebreid repertoire van transgene muizenmodellen die PGD-mechanismen nauwkeurig kunnen identificeren.
In fysiologische en farmacologische studies wordt het Langendorff retrograde perfusiemodel veel gebruikt om de hartfunctie tebeoordelen7. In het bijzonder worden cardiale prestaties gedetecteerd door een siliconenballon die is aangesloten op een druktransducer in de linkerventrikelholte (LV). Een belangrijk kenmerk van PGD is de onvoldoende samentrekking en ontspanning van de ventriculaire spier. Eerdere Langendorff-studies hebben zich gericht op het gebruik van een LV-ballon om betrouwbare en reproduceerbare resultaten te produceren bij LV-functionele beoordeling 8,9,10. Het gebruik van een intracavitaire ballon om de rechterventrikelfunctie (RV) te beoordelen met behulp van het ballonsysteem wordt echter minder goed herkend.
Gezien een significant PGD-percentage waarbij de RV na transplantatie betrokken is11, zouden experimentele methoden om zowel LV als RV-functie te bestuderen helpen bij het bepalen van de moleculaire en fysiologische mechanismen die bijdragen aan RV PGD. Dit protocol toont aan dat intracavitaire siliconenballonnen betrouwbare beoordelingen kunnen geven van de LV- en RV-functie in hetzelfde muizenhart12. Om het mogelijke gebruik van het Langendorff-systeem in de PGD-studie te evalueren, onderzochten we de hartfuncties met verschillende opslagperioden en vonden we een verminderde hartfunctie bij samentrekking en ontspanning bij de langdurige koude opslag van muizenharten. Interessant is dat de LV een hogere functionele reductie heeft dan de RV. Samenvattend kan het hier beschreven protocol worden gebruikt voor het beoordelen van het effect van een kandidaat-geneesmiddel en moleculaire routes op zowel de LV- als de RV-functie. De mogelijkheid om deze methode op muizenharten te gebruiken, zal de uitvoering van gedetailleerde mechanistische studies vergemakkelijken.
Alle dierproeven in dit protocol zijn goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee van de Universiteit van Michigan, Ann Arbor. Alle muizen werden gehuisvest in een lichtcyclus van 12:12 in pathogeenvrije kamers. Zie de Materiaaltabel voor meer informatie over alle materialen, dieren en apparatuur die in dit protocol worden gebruikt.
1. Constructie van de siliconenballonkatheter
OPMERKING: De siliconenballon is gemaakt zoals eerder beschreven13.
2. Voorbereiding van het hartperfusiesysteem
3. Isolatie, montage en canulatie van het muizenhart
4. Functionele gegevensregistratie
Volwassen C57Bl/6 muizenharten, 3 maanden oud, werden geoogst en op het Langendorff-systeem gemonteerd. Het donorhart werd 0 en 8 uur opgeslagen in HTK en vervolgens geperfundeerd met zuurstofrijke KH-buffer. Een siliconenballon die werd aangesloten op een druktransducer werd gebruikt om de samentrekking en ontspanning van de LV- en RV-functie te meten.
De aortadruk werd gehandhaafd in het bereik van 70-80 mmHg. De hartslag was vergelijkbaar in muizenharten met 0 en 8 uur opslag. De LV- en RV-functie werden onderzocht door de systolische en diastolische druk te meten. dP/dt, een afgeleide om de verhouding van de drukverandering te berekenen, werd berekend om de drukdynamiek te bepalen. Het absolute aantal max dP/dt en min dP/dt zou het niveau van spiercontractie en ontspanning kunnen vertegenwoordigen. Bij 0 uur opslag had de LV een hogere systolische druk in vergelijking met de RV (Figuur 2C en Figuur 3A). De LV vertoonde meer spiercontractie en ontspanning dan de RV na perfusie van 0 uur opslag (Figuur 2C en Figuur 3B,C). Na 8 uur koude opslag vertoonden zowel de LV als de RV echter een significante functionele reductie in vergelijking met een basislijn van 0 uur (Figuur 2A-D en Figuur 3B,C). De afname van de cardiale contractie was ernstiger in de LV. Na 8 uur opslag was de contractie en ontspanning van de LV 25,1% en 30,7% van de 0 uur basislijn, terwijl de RV 32,5% en 29,1% van de functie had in vergelijking met de 0 uur basislijn (Figuur 3B,C). Deze resultaten toonden aan dat de PGD van de LV na langdurige opslag een significantere cardiale contractievermindering had dan de RV.

Figuur 1: Montage en canulatie van het muizenhart . (A) Algemene opstelling van de perfusie-opstelling. 1. Perfusie reservoir. 2. Zuurstofkamer. 3. De kamer van de luchtvanger. 4. Hartkamer. 5. Waardeschakelaar voor constante stroom en druk. 6 en 7. Zuurstoftoevoer. (B) Gecanuleerde harten met de camper aan de voorkant. (C) Positie van de RV om te snijden voor het openen van de holte. (D) Tik met de canule op de ballonbuis. Afkorting: RV = rechterventrikel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Vergelijking van de functie van de LV versus RV. (A) Tracering van max en min dP/dt in de RV en LV in het donorhart met 0 uur opslag. (B) De registratie van max en min dP/dt in de RV en LV in het donorhart met 8 uur opslag. (C,D) Details van dP/dt, LV-druk, hartslag en perfusiedruk in de LV en RV na 0 uur en 8 uur. Afkortingen: RV = rechterventrikel; LV = linker ventrikel; dP/dt = druk-tijd relatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Vergelijking van de functie van de LV versus RV na opslag en perfusie. (A) Systolische en diastolische druk van de LV en RV na 0 uur en 8 uur opslag. (B) Max dP/dt en (C) Min dP/dt van de LV en RV na perfusie met 0 uur en 8 uur opslag. Deze figuur is afkomstig van Lei et al.12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Dit protocol beschrijft de retrograde perfusie Langendorff-methode via aortacanulatie. Deze techniek kan worden gebruikt om de LV- en RV-functie van muizenharten na koude opslag te evalueren. De resultaten laten zien dat de langdurige koude opslag van donorharten leidt tot een verminderde hartfunctie in zowel de LV als RV met behulp van dit protocol.
De studies van acute en chronische afstoting na harttransplantatie richten zich sterk op immunobiologie14. De effecten van inheemse cellen op PGD tijdens koude opslag zijn minder goed onderzocht. PGD komt voor bij ~10%-20% van de harttransplantaties en is verantwoordelijk voor 66% van de vroege sterfte binnen 30 dagen na transplantatie. Met name de incidentie van PGD die de LV beïnvloedt versus de RV verschilt na transplantatie11. Zonder de bijdrage van cellulaire responsen van de ontvanger, richt deze ex vivo-methode zich op de bijdragen van inheemse hartcellen aan PGD na koude bewaring van donorharten. Verdere studies kunnen de reacties van de ontvanger opnemen in een muizenharttransplantatiemodel.
In dit protocol concentreerde de Langendorff-perfusie van koud geconserveerde donorharten zich op de natuurlijke hartreacties op warme kristalloïde perfusie zonder cellulaire immuniteit te infiltreren. Om reproduceerbare resultaten te bereiken, werden verschillende kritische stappen gestandaardiseerd. De muizenharten werden gearresteerd met behulp van HTK-oplossing en opgeslagen in ijskoude HTK, vergelijkbaar met de klinische praktijk. Het perfusievolume en de infusietijd van de HTK-oplossing voor elk hart werd nauwlettend in de gaten gehouden met een timer. Het donorhart werd bewaard in voorgekoelde buisjes op ijs met HTK in een ruimte van 4 °C. De canulatietijd is gestandaardiseerd op ~3 minuten voorafgaand aan de perfusie. Al deze stappen zorgden ervoor dat de duur van koude bewaring de belangrijkste variabele in het onderzoek was.
Een periode van onregelmatige cardiale contractiliteit gedurende ~20 minuten werd vaak gezien aan het begin van de perfusie. Deze evenwichts- en herstelperiode werd vergemakkelijkt door geleidelijke opwarming en zuurstofvoorziening van hartweefsels. Na de eerste 20 minuten werd een relatief stabiele periode verwacht. De ballon werd ~18 minuten na de eerste evenwichtsperiode in de ventrikelholte ingebracht. We begonnen met het opnemen van hemodynamica nadat het hart ~25 minuten stabiel was, nadat de ballon was ingebracht. Perfusie met KH-buffer handhaafde stabiele cardiale prestaties gedurende ~1,5-2 uur. We hebben er daarom voor gekozen om de hemodynamica gedurende 20 minuten in elk van de linker- en rechterventrikels op te nemen.
Er zijn verschillende beperkingen van retrograde perfusie voor het bestuderen van de PGD van harten na koude opslag. Ten eerste, vanwege de grootte van de ballon en een gebrek aan ruimte in elke ventriculaire holte (in het bijzonder de RV), is het gelijktijdig inbrengen van twee ballonnen in zowel de LV als de RV een grote uitdaging. Zo meten we de functie van RV en LV opeenvolgend. Het is belangrijk op te merken dat het interventriculaire septum aanzienlijk bijdraagt aan zowel de linker- als de rechterventrikelfunctie. Het septum draagt bij aan ~50% van de rechterventrikelfunctie, dus er is sprake van interventriculaire afhankelijkheid15. Het is ook belangrijk op te merken dat, terwijl de procedures voor reperfusie van het muizenhart in het Langendorff-apparaat ~3 minuten duren, chirurgische implantatie van het menselijk hart in het relatief warme operatieveld ~45 minuten duurt. Ter vergelijking: het muizenhart in dit Langendorff-systeem heeft minder ischemische tijd. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het overwegen van klinische vertaling.
Omdat we KH-buffer gebruikten om het hart zonder bloed te doordringen, kan dit ook minder efficiënt zijn in de zuurstofafgifte. De hartfunctie is echter relatief stabiel gedurende de eerste 1,5-2 uur van de perfusie, waardoor betrouwbare hemodynamische metingen mogelijk zijn. Helaas zijn er momenteel geen levensvatbare werkende hartperfusiemodellen voor deze kleinere muizenharten, en het effect van ventriculaire belasting kan in dit systeem niet worden geëvalueerd. Desondanks is het perfusiesysteem zeer reproduceerbaar en minder arbeidsintensief en tijdrovend dan transplantatiemodellen. Het is ook minder duur dan transplantatiestudies, waardoor het geschikter kan zijn voor het screenen van verschillende therapeutische opties en verschillende moleculaire routes. Met aanpassingen aan conserveringsoplossingen door het toevoegen van kandidaat-geneesmiddelen, kan dit platform worden gebruikt om de effecten van farmacologische middelen op het verminderen van PGD in zowel de LV als RV te evalueren.
De auteurs hebben geen belangenconflicten om bekend te maken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 4-0 zijdedraad | Braintree Scientific | SUTS108 | |
| 6-0 Zijde draad | Braintree Scientific | SUTS104 | |
| Meel voor alle doeleinden | Kroger | ||
| BD Algemeen gebruik en PrecisionGlide Hypodermische naalden 22 G | Fisher scientific | 14-826-5A | |
| BD Spuit met Luer-Lok Tips (Zonder naald) | Fisher scientific | 14-823-16E | |
| Maïsstroop | Kroger | ||
| Custodiol HTK Oplossing | Essential Pharmaceuticals LLC | ||
| Dissectie schaar | World Precision Instruments | 14393/14394 | |
| Falcon 50 mL kegelbuisjes | Fisher scientific | 14-959-49A | |
| Heparine natriumzout uit varkensdarm mucosa | Sigma | H4784 | |
| Krebs Henseleit buffer | Sigma | K3753 | |
| Nusil siliconendispersies | Avantor | ||
| Perfusiesysteem | Radnoti | 130101BEZ | |
| PowerLab | ADInstruments | PL3508 | |
| Natriumazied | Sigma | S2002 | |
| Natriumbicarbonaat | Sigma | S5761 | |
| Sucrose | Sigma | S0389 | |
| Sucrose | Sigma | S0389 | |
| Xylazine | Sigma | X1126 |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen