Een eenvoudige karrenconstructie, gebouwd om onderzoeksechocardiografie uit te voeren in staande wakkere minivarkens, wordt beschreven, samen met bouwoverwegingen, trainingstechnieken en representatieve echografiebeelden.
Methodenartikel
Een eenvoudige karrenconstructie, gebouwd om onderzoeksechocardiografie uit te voeren in staande wakkere minivarkens, wordt beschreven, samen met bouwoverwegingen, trainingstechnieken en representatieve echografiebeelden.
Echocardiografie maakt gebruik van ultrasone golven om de hartstructuur en -functie niet-invasief te beoordelen en is de standaardzorg voor cardiale beoordeling en monitoring. Het miniatuurvarken, of minivarken, wordt steeds vaker gebruikt als model voor hartaandoeningen in medisch onderzoek. Varkens zijn notoir moeilijk in bedwang te houden en veilig te hanteren, en daarom wordt onderzoeksechocardiografie bij deze soort bijna altijd uitgevoerd onder anesthesie of zware sedatie. Anesthetica en sedativa beïnvloeden universeel de cardiovasculaire functie en kunnen de depressie van de cardiale output en bloeddruk, verhogingen of dalingen van de hartslag en systemische vasculaire weerstand, veranderingen in het elektrische ritme en veranderde coronaire bloedstroom veroorzaken. Daarom kan gesedeerde of verdoofde echocardiografie de progressie van hartaandoeningen in grote diermodellen niet nauwkeurig weergeven, waardoor de translationele waarde van deze belangrijke studies wordt beperkt. Dit artikel beschrijft een nieuw apparaat dat het mogelijk maakt om wakker te staan echocardiografie in minivarkens. Bovendien worden trainingstechnieken beschreven die worden gebruikt om varkens te leren deze pijnloze en niet-invasieve procedure te tolereren zonder de noodzaak van hemodynamisch veranderende anesthetica. Staande waak echocardiografie is een veilige en haalbare manier om de meest voorkomende hartbewakingstest uit te voeren bij minivarkens voor cardiovasculair onderzoek.
Hartfalen is een toenemende last voor medische instellingen in de Verenigde Staten en in het buitenland, met een wereldwijde prevalentie van 38 miljoen patiënten1. Ongeveer 19 miljoen sterfgevallen wereldwijd werden toegeschreven aan hart- en vaatziekten in 2020, wat een stijging van 18,7% ten opzichte van 2010 aantoont2. De ontwikkeling van nieuwe therapieën is traag om deze alarmerende trend in te halen. Hartfalen is daarom een cruciaal onderzoeksgebied en het belang van high-fidelity tools voor het vastleggen van de ontwikkeling en progressie van ziekten kan niet worden overschat.
Echocardiografie is momenteel het meest klinisch belangrijke hulpmiddel voor het niet-invasief meten van de progressie van hartaandoeningen, maar in grote dieronderzoeksmodellen kan het een uitdaging zijn om3 te implementeren. Echocardiografie maakt gebruik van ultrasone golven om de hartstructuur en -functie te beoordelen en is de standaardzorg in de klinische setting voor cardiale beoordeling en monitoring4. Preklinische grote diermodellen van hartaandoeningen, zoals varkens, spelen een cruciale rol bij het vertalen van fundamentele wetenschap naar de ontwikkeling van cardiovasculaire therapieën5. Hieruit volgt dat het vertalen van echocardiografie naar grote diermodellen bij het ontwikkelen van deze therapieën een belangrijk onderdeel is van dit kritische streven.
Varkens zijn een van de vele soorten die vaak worden gebruikt als grote diermodellen van ischemische, drukoverbelasting en snelle simulaties van hartfalen 5,6. Varkens zijn vooral belangrijk in preklinische studies, omdat neurohormonale compensatiemechanismen en cardiale remodellering nauw aansluiten bij de menselijke pathofysiologie 6,7. Meer recent hebben miniatuurvarkens, of minivarkens, belofte getoond als een meervoudig comorbiditeitenmodel van hartaandoeningen, met obesitas, hypertensie, hypercholesterolemie en diabetes die betrouwbaar resulteren in hartdisfunctie en remodellering 8,9.
Het veilig uitvoeren van echocardiografie bij de meeste grote dieren vereist zware sedatie of algemene anesthesie. Alle anesthetica en sedativa onderdrukken echter de hartfunctie op een dosisafhankelijke manier10,11. Anesthetica en sedativa kunnen de depressie van de cardiale output en bloeddruk, verhogingen of dalingen van de hartslag en systemische vasculaire weerstand, veranderingen in het elektrische ritme en veranderde coronaire bloedstroom veroorzaken12. In de meeste gevallen verminderen anesthetica de sympathische tonus, verminderen ze de veneuze terugkeer en verlagen ze de bloeddruk13. Belangrijk is dat anesthetica ook echocardiografische parameters beïnvloeden, wat de interpretatie van dit onderzoek bij het monitoren van hartaandoeningen in diermodellen bemoeilijkt14. Wakkere echocardiografie is de dichtstbijzijnde weergave van de oorspronkelijke hartfunctie.
Een varkensbeveiligingsapparaat, gemakkelijk geaccepteerd door wakkere minivarkens, wordt hier beschreven en dat kan worden gebruikt voor elementaire echocardiografische monitoring zonder dat de toediening van hemodynamisch-veranderende anesthetica nodig is.
De bouw en het gebruik van de echocardiografiekar werden uitgevoerd in overeenstemming met de normen voor het hanteren en trainen van dieren van het Institutional Animal Care and Use Committee van de University of Utah.
1. Overwegingen voor het bouwen van de echocardiografiekar
2. Specificaties voor het bouwen van karren
OPMERKING: De varkens die in onze studie werden gebruikt, waren miniatuurvarkens uit Yucatan en Göttingen van 5-10 maanden oud, en daarom werd onze kar gebouwd met deze grootte in gedachten.
3. De minivarkens trainen om in de kar te staan
4. Beeldacquisitie
De representatieve beelden verkregen in een Yucatan minipig op ongeveer 8 maanden oud worden hier gepresenteerd. Het dier werd nooit verdoofd en genoot tijdens de beeldopname van voer of bevroren behandelbakken.
De echocardiografiekar is voornamelijk nuttig voor het verkrijgen van eenvoudige afbeeldingen voor het berekenen van linkerventrikelkamervolumes en ejectiefractie (EF) van B-modus of M-modus afbeeldingen en video's. Meer gevoelige beeldvorming, zoals vasculaire beeldvorming of weefseldoppler, kan te uitdagend zijn met deze techniek, omdat de wakkere varkens beperkte mobiliteit behouden en het beeldvormingstijdsbestek wordt beperkt door de voedingsduur.
Het laboratorium maakt gebruik van een echografieapparaat aan het bed zonder post-hoc beeldanalysemogelijkheden. Daarom moeten de video's en stilstaande beelden worden verwerkt met behulp van bewerkingssoftware en worden gemeten met behulp van wetenschappelijke beeldanalysesoftware.
Kort-assige transversale weergave M-mode beelden (figuur 7) werden verkregen via de zijkanten van de kar, die werden gebruikt voor de analyse van de linkerventrikel inwendige diameter in systole en diastole (respectievelijk LVIDs en LVIDd) en de daaropvolgende berekening van de ejectiefractie (EF), waarbij EF = (EDV - ESV)/EDV × 100% (EDV: end diastolic volume; ESV: end systolisch volume) gebaseerd op volumes berekend met de Teichholz-formule (volume = 7D3/[2.4 + D]) (D: lineaire LV-diameter)15. Representatieve gegevens die zijn gegenereerd uit vier M-modusscans verkregen van twee minivarkens zijn opgenomen in tabel 1, evenals gegevens die zijn gegenereerd uit M-modusscans die zijn opgenomen van dezelfde dieren tijdens verdoofde echosessies. Zoals verwacht, was de EF gegenereerd door verdoofde echosessies meestal lager dan de EF uit de bewuste echosessie.
Parasternale lange-asweergave B-mode beelden werden ook verkregen van de zijkanten van de kar (figuur 8). De gebiedslengtemethode voor het berekenen van de EF werd gebruikt met deze B-modusafbeeldingen16. Eerst werd de linkerventrikel-EDV berekend uit de eind-diastolische linkerventrikel hoofdaslengte en kamergebied met behulp van de formule EDV = (0,85 × gebied2)/lengte. De linkerventrikel-ESV werd op dezelfde manier berekend met behulp van de systolische metingen. De ejectiefractie werd vervolgens berekend als EF = (EDV - ESV)/EDV × 100%. Representatieve gegevens gegenereerd uit acht B-modus scans verkregen van twee minivarkens zijn opgenomen in tabel 2. Ter vergelijking worden ook gegevens opgenomen die zijn gegenereerd uit B-modusscans die zijn opgenomen van dezelfde dieren tijdens verdoofde echosessies. Met behulp van de B-modusbeelden werden de EF gegenereerd uit verdoofde en bewuste echosessies nauw op elkaar afgestemd (tabel 2).

Figuur 1: Zijaanzicht van de echocardiografiewagen. De echocardiografiekar is gebouwd met behulp van een vooraf gemaakte heavy-duty utility cart. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Hoofdaanzicht van de echocardiografiekar. De voor- en achterkant van de vooraf gemaakte kar zijn vervangen door scharnierende poorten gemaakt van PVC-buis en kettingschakel (A), die ook plaats biedt aan een hangende voedselbak (B). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Bovenaanzicht van de echocardiografiekar. Op de bovenste verdieping van de kar wordt een opening gemaakt voor het passeren van een hand die een ultrasone sonde vasthoudt. Een kunststof overstuk is gemonteerd voor het veilig monteren en demonteren van de kar. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Aluminium oprit. Een aluminium oprijplaat is bevestigd aan de voor- of achterkant van de kar en verwijderbare rubberen vulling is toegevoegd voor grip met behulp van bouten en grommets. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Zijpoort. Scharnieren zijn gemaakt voor de zijpoorten, met pinnen om een nauwkeurigere dimensionering en terughoudendheid mogelijk te maken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Traktaties voor bewuste echosessies. Combinaties van sap, maaltijdvervanger of yoghurt in combinatie met ontbijtgranen en standaard chow, koekjes en / of fruitrepen worden ingevroren om langdurige bevroren traktatietroggen te creëren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7: Een representatieve M-mode scan verkregen van een bewust dier. Voorbeeldbeeldanalyse voor het berekenen van de linkerventrikel ejectiefractie van M-mode beeldvorming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8: Een representatieve B-mode scan verkregen van een bewust dier. Voorbeeldbeeldanalyse voor het berekenen van de linkerventrikel ejectiefractie van B-mode beeldvorming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Gemiddelde ± SD | LVIDd (cm) | LVID's (cm) | EF (%) |
| Bewuste Echo (N=4/2) | 3,8 ± 0,5 | 2,5 ± 0,5 | 64,3 ± 5,4 |
| Verdoofde echo (N=4/2) | 3,9 ± 0,2 | 3,0 ± 0,0 | 48,5 ± 7,9 |
| EF, ejectiefractie; SD, standaarddeviatie. | |||
| N = 4 echoscans verkregen van twee dieren | |||
Tabel 1: Vergelijking van de parameters die worden gegenereerd uit M-modusbeelden die zijn opgenomen in verdoofde minivarkens versus bewuste minivarkens die in de kar zijn beperkt.
| LV-MALd (cm) | LV-MALs (cm) | LV-CAd (cm2) | LV-CA's (cm2) | EF (%) | |
| Bewuste Echo (N=8/2) | 5,8 ± 0,8 | 4,5 ± 0,6 | 18,6 ± 5,0 | 10,7 ± 2,8 | 57,3 ± 5,2 |
| Verdoofde echo (N=8/2) | 5,9 ± 0,5 | 4,8 ± 0,4 | 21,8 ± 2,7 | 13,1 ± 2,4 | 55,3 ± 9,0 |
| LV-MAL, lengte van de linkerventrikel hoofdas; LV-CA, linkerventrikelkamergebied; | |||||
| EF, ejectiefractie; SD, standaarddeviatie. N=8 echoscans verkregen van 2 dieren | |||||
Tabel 2: Vergelijking van de parameters die worden gegenereerd uit B-modusbeelden die zijn opgenomen in verdoofde minivarkens versus bewuste minivarkens die in de kar zijn beperkt.
Video 1: Een mock awake echocardiogram opnameprocedure uitgevoerd op een minipig pop op ware grootte met behulp van de echocardiografiekar. Klik hier om deze video te downloaden.
De echocardiografiekar vertegenwoordigt een gemakkelijk repliceerbare methode voor het monitoren van de hartstructuur en -functie in een belangrijk hartonderzoeksmodel, het minipig. De nieuwigheid van de kar ligt in het vermogen om echocardiografische beelden vast te leggen zonder het grootste voorbehoud: de noodzaak van het gebruik van anesthetica of sedativa die de hartfunctie van de dieren veranderen en de metingen veranderen die worden gebruikt om de effecten van harttherapieën te beoordelen. Bovendien is de kar veilig, goedkoop en een gemakkelijk trainingsdoel voor varkens.
De auteurs identificeerden eerst de gewenste kenmerken van de kar en werkten vervolgens nauw samen met een timmerman om het product te ontwerpen. Standaard positieve bekrachtigingstrainingstechnieken waren gemakkelijk en snel om de varkens te leren de kar onbevreesd te accepteren en te gebruiken. Met echografiepraktijk waren de auteurs in staat om snel standaard tweedimensionale echocardiografie-beeldvormingsvlakken te vinden en vast te leggen voor latere verwerking. Tijdens deze staande echocardiogrammen werden nooit sedativa of anesthetica toegediend en daarom waren de video's en afbeeldingen representatief voor de wakkere hartfunctie.
Het bouwen van de echocardiografiekar is relatief eenvoudig voor een ervaren timmerman of klusjesman na het identificeren van de belangrijkste kenmerken die belangrijk zijn voor de onderzoeksgroep (bijvoorbeeld aanpassing van de grootte, hoogte of toegangspunten voor ultrasone sondes). Tijdens het bouwproces kunnen de functies van de kar worden aangepast aan de behoeften van individuele laboratoria. De materialen zijn grotendeels goedkoop en het bouwen van de kar kan besparen op de kosten van het uitvoeren van echocardiogrammen met de sedativa en anesthetica die meestal worden gebruikt.
De beperkingen van de techniek omvatten de beweging en het beperkte tijdsbestek om de beelden te verkrijgen. Hoewel de kar kon worden aangepast aan verschillende maten om de varkens in bedwang te houden, en terwijl de dieren zich niet konden omdraaien en slechts een paar centimeter in elke richting konden bewegen, waren de dieren nog steeds in staat om binnen de grenzen van de kar te bewegen. Een headgate, knijpgoot of stanchion, zoals die worden gebruikt bij landbouwhuisdieren, kan mogelijk een betere terughoudendheid bieden met extra training. Evenzo was succesvolle beeldvorming afhankelijk van de dieren die werden afgeleid door hun voer of bevroren traktaties tijdens de echocardiogrammen. Meestal stond dit ongeveer 15 minuten beeldvorming toe, wat niet altijd voldoende was om alle gewenste beelden te verkrijgen. Het vermogen om gemakkelijk de voedseltrog te vervangen of voer toe te voegen terwijl het dier in bedwang bleef, kan een langere beeldvormingsduur hebben. Ten slotte bleken door beide bovenstaande beperkingen gevoeligere beeldvormingstechnieken, zoals weefseldoppler, moeilijk uit te voeren in de staande echocardiografiewagen.
Andere experimentele modellen voor varkens maken vaak gebruik van niet-anesthetische behandelingstechnieken, zoals de in de handel verkrijgbare Panepinto-draagdoek17. De auteurs vonden de sling-techniek echter omslachtiger voor het trainen van varkens en de sling gaf de echoscopist geen toegang tot de beeldvormingsvlakken die nodig zijn voor echocardiografie. Andere mogelijke toepassingen voor de echocardiografiekar kunnen andere niet-pijnlijke procedures omvatten, zoals abdominale echografie, observatie van huidlaesies of het verkrijgen van bloedmonsters uit een vasculaire toegangspoort. De auteurs gebruiken de kar vaak om varkens gemakkelijk in bedwang te houden om bijvoorbeeld elektrocardiogrammen uit te voeren en pacemakers te programmeren.
Kortom, de beschreven wakkere echocardiografietechniek is gemakkelijk uit te voeren en waardevol voor het verkrijgen van basisechografie van het hart zonder de cardiovasculaire depressie die kenmerkend is voor anesthetisch of kalmerend gebruik. Deze techniek kan worden gebruikt om verdoofde beelden te vergelijken met wakkere beelden bij grote dieren of voor de dagelijkse monitoring van de progressie van hartaandoeningen in het waardevolle preklinische translatiemodel van hartaandoeningen en -falen van varkens.
De auteurs hebben geen financiële belangenconflicten bekend te maken.
Financiering voor dit onderzoek omvat NIH-T32 (T.H.), R01HL133286 (TT.H.), R01HL094414 (R.M.S.), R01HL138577 (R.M.S.), R01HL159983 en R21AG074593 (R.M.S. en TT.H.). We betuigen onze dankbaarheid aan alle leden van de onderzoeksgroep, adjunct-onderzoekers en medewerkers van het Nora Eccles Harrison Cardiovascular Research and Training Institute and Comparative Medicine aan de Universiteit van Utah. We willen ook onze waardering uitspreken voor Dr. Joseph Palatinus MD PhD voor zijn waardevolle echocardiografie training en assistentie.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Access Ramp | N/A - winkel gebouwd | 58" L x 18" B. Stijging van 19" niet meer dan 22,5 graden hoek. | Elke verwijderbare aluminium ramp met capaciteit om het gewicht van varkens te dragen |
| Fence Feeder met Clips | DuraFlex | E011772 | Voerbakken met clips om op een ketenmail te hangen, gebruikt voor bevroren lekkernijen of voer om varkens af te leiden tijdens echografie |
| Zwaar gebruikte hulpwagen | Baxter Medical Equipment & Supplies | Wagen # onbekend / 45x25x33"; Pijpen, sch 40 PVC | Gemaakt van zwaar plastic, met drie planken |
| Beeldanalysesoftware | Image J FIJI | https://imagej.net/software/fiji/ | Gratis wetenschappelijke beeldanalysesoftware |
| Lumify-echografie met S4-1 fased array-transducer | Philips | FUS6884 | Handbediende bedzijde echografie met cardiale sonde, gebruikt met een tabletapparaat en eigen software |
| Videobewerkingssoftware | Adobe Premiere Pro 2022 | https://www.adobe.com/products/premiere.html | Gemeenschappelijke software onderdeel van Adobe Creative Cloud. |