Inspanningstest voor evaluatie van de functionele werkzaamheid van het cardiovasculaire systeem van het varken

Summary

Het huidige protocol beschrijft een groot dierinspanningstestmodel om de functionele capaciteit van het cardiovasculaire systeem te beoordelen voor het evalueren van de efficiëntie van nieuwe therapieën in de preklinische setting. Het is vergelijkbaar met een klinische inspanningstest.

Abstract

Ondanks de vooruitgang in behandelingen zijn hart- en vaatziekten wereldwijd nog steeds een van de grootste oorzaken van sterfte en morbiditeit. Op gentherapie gebaseerde therapeutische angiogenese is een veelbelovende aanpak voor de behandeling van patiënten met significante symptomen, ondanks optimale farmacologische therapie en invasieve procedures. Veel veelbelovende cardiovasculaire gentherapietechnieken hebben echter niet voldaan aan de verwachtingen in klinische onderzoeken. Een verklaring is een mismatch tussen preklinische en klinische eindpunten die worden gebruikt om de werkzaamheid te meten. In diermodellen lag de nadruk meestal op gemakkelijk kwantificeerbare eindpunten, zoals het aantal en de oppervlakte van de capillaire vaten berekend op basis van histologische secties. Afgezien van mortaliteit en morbiditeit zijn eindpunten in klinische onderzoeken subjectief, zoals inspanningstolerantie en kwaliteit van leven. De preklinische en klinische eindpunten meten echter waarschijnlijk verschillende aspecten van de toegepaste therapie. Niettemin zijn beide soorten eindpunten nodig om succesvolle therapeutische benaderingen te ontwikkelen. In klinieken is het belangrijkste doel altijd om de symptomen van patiënten te verlichten en hun prognose en kwaliteit van leven te verbeteren. Om betere voorspellende gegevens uit preklinische studies te verkrijgen, moeten eindpuntmetingen beter worden afgestemd op die in klinische studies. Hier introduceren we een protocol voor een klinisch relevante loopbandinspanningstest bij varkens. Deze studie heeft tot doel: (1) een betrouwbare inspanningstest bij varkens te bieden die kan worden gebruikt om de veiligheid en functionele werkzaamheid van gentherapie en andere nieuwe therapieën te evalueren, en (2) de eindpunten tussen preklinische en klinische studies beter op elkaar af te stemmen.

Introduction

Chronische hart- en vaatziekten zijn wereldwijd belangrijke oorzaken van sterfte en morbiditeit ^1,2. Hoewel de huidige behandelingen effectief zijn voor de meerderheid van de patiënten, kunnen velen nog steeds niet profiteren van de huidige therapieën vanwege bijvoorbeeld diffuse chronische ziekten of comorbiditeiten. Bovendien worden bij sommige patiënten hartsymptomen niet verlicht door de beschikbare behandelingen en vordert hun hart- en vaatziekte ondanks optimale medische therapie³. Er is dus een duidelijke behoefte aan het ontwikkelen van nieuwe behandelingsopties voor ernstige hart- en vaatziekten.

In de afgelopen jaren zijn nieuwe moleculaire routes en manieren om deze doelen te manipuleren ontdekt, waardoor gentherapie, celtherapie en andere nieuwe therapieën een realistische optie zijn voor de behandeling van ernstige hart- en vaatziekten⁴. Na veelbelovende preklinische resultaten hebben veel cardiovasculaire toepassingen echter niet voldaan aan de verwachtingen in klinische onderzoeken. Ondanks de slechte werkzaamheid in klinische onderzoeken, hebben verschillende onderzoeken goede veiligheidsprofielen van nieuwe therapieën vastgesteld 5,6,7,8,9. Het brengen van nieuwe cardiovasculaire therapieën naar patiënten vereist dus verbeterde benaderingen en betere preklinische modellen, studie-instellingen en eindpunten in preklinische studies die de klinische werkzaamheid kunnen voorspellen.

In diermodellen lag de nadruk meestal op gemakkelijk kwantificeerbare eindpunten, zoals het aantal en de oppervlakte van capillaire vaten berekend op basis van histologische secties of parameters van beeldvorming van de linkerkamer in rust en onder farmacologische stress. In klinische onderzoeken waren veel eindpunten subjectiever, zoals inspanningstolerantie of symptoomverlichting⁴. Het is dus waarschijnlijk dat de eindpunten in preklinische studies en klinische studies verschillende aspecten van de toegepaste therapie meten. Een toename van de hoeveelheid bloedvaten correleert bijvoorbeeld niet altijd met een betere perfusie, hartfunctie of inspanningstolerantie. Niettemin zijn beide soorten eindpunten nodig om succesvolle therapeutische benaderingen te ontwikkelen¹⁰. Toch is het belangrijkste doel altijd om de symptomen te verlichten en de prognose en kwaliteit van leven van de patiënt te verbeteren. Om dit te bereiken, moeten eindpuntmetingen beter worden afgestemd tussen preklinische en klinische studies⁴.

Cardiorespiratoire fitness weerspiegelt het vermogen van de bloedsomloop en ademhalingssystemen om zuurstof te leveren tijdens aanhoudende fysieke activiteit, en kwantificeert dus de functionele capaciteit van een individu. Functionele capaciteit is een belangrijke prognostische marker omdat het een sterke onafhankelijke voorspeller is voor het risico op cardiovasculaire en all-cause mortaliteit¹¹. Verbeteringen in cardiorespiratoire fitheid zijn geassocieerd met een verminderd risico op mortaliteit¹². Inspanningstesten zijn geschikt voor het evalueren van aerobe prestaties en behandelingsreacties bij hart- en vaatziekten. Afhankelijk van de beschikbaarheid worden tests uitgevoerd op een fietsergometer of een loopband. Een geleidelijke toename van de werklast per minuut wordt meestal gebruikt en abrupte verhogingen worden vermeden; Dit leidt tot een lineaire fysiologische respons. De belangrijkste variabelen in de inspanningstests zijn de totale trainingstijd, bereikte metabole equivalenten (METs), hartslag en veranderingen op een elektrocardiogram (ECG) -lijn tussen het QRS-complex (Q-, R- en S-golven) en T-golf (ST-segment). Klinische stresstests hebben lage kosten en zijn gemakkelijk toegankelijk¹³. Om deze redenen zijn stresstests, zoals de 6 min looptest, op grote schaal gebruikt in klinieken en moeten ze ook worden gebruikt bij de preklinische evaluatie van nieuwe therapieën.

Voor zover wij weten, zijn er geen goed beschreven grote diermodellen voor het evalueren van de functionele werkzaamheid van gentherapie of andere nieuwe therapieën. Daarom biedt de klinisch relevante inspanningstest een uitstekend perspectief voor het evalueren van de efficiëntie van deze nieuwe therapieën in de preklinische setting.

Protocol

Alle experimenten zijn goedgekeurd door de Animal Experiment Board van de Universiteit van Oost-Finland. Dit protocol beschrijft een klinisch relevante loopbandinspanningstest voor varkens om de veiligheid en werkzaamheid van nieuwe therapieën voor hartaandoeningen te evalueren. Vrouwelijke gedomesticeerde varkens met een gewicht van 25-80 kg werden gebruikt voor de huidige studie. De dieren werden verkregen uit een commerciële bron (zie tabel met materialen).

1. Het opzetten van de atletiekbaan

1. Stel de atletiekbaan zo in dat dieren maar één kant op kunnen bewegen. Gebruik hekken en luiken om te voorkomen dat de dieren teruggaan. De plattegrond van de atletiekbaan is weergegeven in figuur 1 en een voorbeeld van een atletiekbaan is weergegeven in figuur 2.
2. Zorg ervoor dat de loopband (zie Materiaaltabel) voldoende ruimte heeft om hellingsveranderingen mogelijk te maken.
3. Zorg ervoor dat de loopband een verstelbare breedte heeft om te voorkomen dat het dier tijdens het rennen draait.
4. Gebruik transparant plastic om de voorwand van de loopband te maken. Dit voorkomt dat het dier wegloopt van de loopband, maar laat het dier toch door de muur heen kijken.
   OPMERKING: Het is essentieel dat de dieren door de voorwand kunnen kijken, omdat onze ervaring leert dat varkens meer gemotiveerd zijn om te rennen als ze hun medevarkens aan de andere kant van de muur zien.
5. Plaats een ECG-monitor en defibrillator (zie materiaaltabel) naast de loopband.
   OPMERKING: Fatale aritmieën kunnen optreden tijdens de stresstest, vooral als het varken myocardiale ischemie^{heeft 14,15,16}.
6. Zorg ervoor dat de atletiekbaan een waterpunt bevat waar de dieren kunnen drinken en afkoelen na de run.

2. Aclimatisatieperiode van de varkens vóór de test

1. Plaats de dieren 2 weken voordat u met de experimenten begint.
2. Zorg er tijdens de 1e week van acclimatisatie voor dat de dieren wennen aan hun handlers en nieuwe huisvestingsomgeving, met uitzondering van de atletiekbaan.
3. Zorg er tijdens de 2e week van de acclimatisatieperiode voor dat de dieren wennen aan de atletiekbaan.
4. Begin te wennen zodat de dieren vertrouwd raken met de atletiekbaan. Houd eerst alle poorten open, zodat de dieren vrij over het spoor kunnen lopen en de omgeving kunnen verkennen.
5. Wanneer de dieren meer vertrouwd zijn met het spoor, zet dan de loopband aan en laat het dier korte periodes achter elkaar rennen, zoals 7 minuten. De lengte van de looptijden moet dagelijks worden verlengd.
   OPMERKING: Vergeet niet om de dieren te belonen tijdens de acclimatisatieperiode. Zo werden de varkens in het huidige onderzoek beloond met ongezouten popcorn.

3. De inspanningstest

OPMERKING: Varkens moeten ten minste 2 uur vóór de inspanningstest worden gevast of slechts een kleine portie voedsel krijgen voor de run.

1. Zet de loopband aan en stel de helling in op 5%-10%.
2. Zodra het dier op de loopband staat, start je de loopband met een startsnelheid van 2 km/u.
3. Verhoog de snelheid met 0,5 km/u om de 60 s tot 5 km/u is bereikt. De totale looptijd is 15 min.
4. Als het dier niet de hele tijd met de maximale snelheid kan rennen, voert u de onderstaande stappen uit.
   1. Als het varken niet zo snel loopt als een geselecteerde snelheid, duw het dan voorzichtig van achteren, omdat dit het dier het gevoel kan geven dat het sneller moet rennen zonder te vertragen.
   2. Probeer het dier maximaal drie keer zachtjes te duwen; Vertraag daarna de snelheid met 0,5 km/u per keer totdat het varken de snelheid aankan. Vertraag niet tot onder de 2 km/u.
   3. Als het dier weigert om zelfs met een lage snelheid te rennen, schakel dan de loopband uit en stop de test.

4. ECG-monitoring tijdens de inspanningstest

1. Plaats ECG-elektroden (zie materiaaltabel) op anatomische locaties met minimale beweging tijdens het hardlopen, zoals schouderbladen of de borstkas.
   OPMERKING: Gebruik ECG-elektroden die zijn ontworpen voor inspanningstests om een betere hechting op de huid te bereiken. Vergeet niet om het haar te scheren van het gebied waar de ECG-elektroden worden geplaatst.
2. Noteer de hartslagveranderingen tijdens het hardlopen.
   OPMERKING: Onze ervaring suggereert dat ST-segmentanalyses vaak ingewikkeld zijn vanwege beweging en andere artefacten. Ritmemonitoring kan ook worden uitgevoerd met behulp van een implanteerbare lusrecorder of pacemaker.

5. Gegevensverzameling

1. Noteer de hardloopafstand, totale tijd en snelheid telkens wanneer de snelheid wordt gewijzigd.
   OPMERKING: Moderne loopbanden kunnen veel andere gegevens verzamelen, dus het is essentieel om vertrouwd te raken met de handleiding van de loopband om het volledige potentieel van de apparatuur te benutten.
2. Let op mogelijke veranderingen in het gedrag van dieren, zoals mank lopen.
   OPMERKING: Neem indien nodig contact op met een dierenarts en zorg ervoor dat het dier de nodige analgesie krijgt. Verwijder het dier van toekomstige oefeningen totdat het volledig is hersteld.

6. Post-procedurele zorg

1. Zorg ervoor dat het dier toegang heeft tot het waterpunt.
2. Beloon het dier bijvoorbeeld met traktaties of speelgoed.
3. Controleer het dier gedurende 30 minuten na de run op mogelijke bijwerkingen.

Results

Men moet ervaring hebben met het werken met grote dieren om te slagen met dit protocol. Onderzoekers moeten kunnen evalueren of een dier stopt met rennen vanwege vermoeidheid of gebrek aan motivatie. Het registreren van de snelheid en afstand kan helpen om dit te evalueren, omdat dieren zonder motivatie meestal helemaal stoppen met rennen, terwijl vermoeide dieren blijven rennen nadat ze de snelheid hebben vertraagd (figuur 3). Indien nodig kan het protocol de volgende dag worden herhaald al...

Discussion

Deze grote diertest bootst de test na die in klinieken wordt gebruikt, waardoor de kloof in eindpunten tussen de preklinische studies en klinische onderzoeken wordt verkleind. Het kan worden toegepast om de werkzaamheid van nieuwe behandelingen voor ernstige hart- en vaatziekten, zoals arteriosclerose obliterans, hartfalen en ischemische hartziekten te evalueren. De tijdstippen die in dit protocol worden toegepast, kunnen variëren afhankelijk van de geteste behandeling. Dit protocol is gestandaardiseerd op basis van een ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Defibrillator	Zoll M series	TO9K116790	Alle draagbare defibrillatoren zullen werken
Defibrillator pads	Philips	M3713A	Alle pads werken, zolang de pads compatibel zijn met de defibrillator
ECG elektroden	Verschillende leveranciers		Geef de voorkeur aan ECG elektroden ontworpen voor inspanningstests
Loop recorder	Abbott Oy	DM3500	Optioneel voor ritmebewaking
Patient monitor	Schiller Argus LCM Plus	7,80,05,935	Alle draagbare ECG-monitoren zullen werken
Varkens	Emolandia Oy
Loopband	NordicTrack		Alle loopbanden met instelbare helling en snelheid zijn geschikt voor de inspanningstest.  De loopband moet zo lang en breed mogelijk zijn.
Ultrasound systeem	Philips EPIQ 7 ultrasound
Diverse bouwmaterialen	Verschillende leveranciers		Voor het bouwen van hekken, hellingen en poorten volgens Figuur 1 en Figuur 2
Verschillende beloningen voor de dieren