Niniejszy rękopis opisuje strukturalny program ćwiczeń opracowany w celu badania wpływu ćwiczeń na patofizjologię nadciśnienia płucnego - niewydolności prawej komory serca w owczym modelu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przerwane ćwiczenie w nadciśnieniu płucnym - niewydolność prawej komory w owczej modelu
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Niewydolność prawej komory serca (NPR) jest istotną przyczyną występowania chorób i zgonów związanych z nadciśnieniem płucnym (NCP). Aby lepiej zrozumieć patofizjologię i konsekwencje stresu wywołanego wysiłkiem, zaimplementowaliśmy program ćwiczeń, aby lepiej scharakteryzować tę chorobę za pomocą naszego wcześniej opracowanego owczego modelu przewlekłego nadciśnienia płucnego z niewydolnością prawej komory serca (NCP-N-PKS). W tym celu, osiem owiec rasy Dorset przeszło model NCP-N-PKS poprzez zwiększenie węzła płucnej tętnicy lewej (WPL) i stopniowe zamknięcie głównej tętnicy płucnej (GTP) za pomocą nadmuchiwanego mankietu. Mankiet i linie ciśnienia prawej komory (PK) zostały podskórnie przeprowadzone do portu dla dostępu. Przez osiem tygodni każda owca przeszła cotygodniowy program ćwiczeń i sprawdzenie mankietu (SC). Program ćwiczeń składał się z prędkości pracy i odzyskiwania po wysiłku po 10 min każda. Podczas wysiłku mieliśmy dostęp do obu portów, aby przetworzyć ciśnienie mankietu, hemodynamiki i pobierać gazy krwi z PK. Po zakończeniu wysiłku mankiet PA został nadęty do 150-200 mmHg, aby zwiększyć pooporowe obciążenie PK. Kilka dni po nadęciu wykonano SC i pobieranie gazów krwi z PK, aby potwierdzić ciśnienie mankietu i upewnić się, że wystąpiła kompensacja. W ciągu ośmiu tygodni, SvO2 pozostawało stosunkowo stabilne przy maksymalnej intensywności w tygodniu 1 w porównaniu z tygodniem 8: 62,7 ± 4,5% vs 69,8 ± 4,0%, mimo wzrostu RVSP od tygodnia 1 do tygodnia 8: 78 ± 8 mmHg vs 96 ± 8 mmHg. Ponadto, przebyta odległość wzrosła od tygodnia 1 do tygodnia 8: 1390 ± 297 m do 1834 ± 189 m, mimo wzrostu ciśnienia mankietu PA w tygodniu 8 do 777 ± 98 mmHg. Sugeruje to, że mimo zwiększonego pooporowego obciążenia PK, wysiłek może pomóc w adaptacyjnej reakcji i kompensacji wysiłku w przypadku NCP-N-PKS. Ten program ćwiczeń dostarcza nowych informacji na temat wpływu wysiłku na NCP-N-PKS i umożliwia złożone badania fizjologii wysiłku na dużym zwierzęcym modelu NCP-N-PKS.
Wprowadzenie
Nadciśnienie płucne (PH) to złożona choroba powodująca szerokie spektrum objawów. Może być łagodna, takich jak duszność i nietolerancja wysiłku, aż po ciężką, taką jak upadek oddechowy i jawna niewydolność prawej komory (RVF)1. Wraz ze wzrostem oporów w prawym sercu, prawa komora (RV) zaczyna się rozszerzać, powodując dysfunkcję skurczową i zmniejszony ułamek wyrzutowy. Ta niezgodność w zapotrzebowaniu i wydajności serca sprawia, że codzienne czynności i wysiłek stają się nie do zniesienia, prowadząc do fizycznego i psychicznego upadku. Wcześniej sądzono, że wysiłek w warunkach nadciśnienia płucnego był szkodliwy2. Ostatnio wiele badań wykazało, że program rehabilitacji płucnej z wysiłkiem mógł zmniejszyć duszność i poprawić ogólną jakość życia zarówno fizycznie, jak i psychicznie2,3,4. Jednak badania wysiłku u pacjentów z PH ograniczono do tych z chorobą stabilną ze względu na potencjalne dekompensację układu krążenia i oddechowego.
Szybka dekompensacja jest obawianą komplikacją PH-RVF. Niektórzy ludzie z PH mogą mieć okres adekwatnej kompensacji i mieć tylko łagodne objawy, a dekompensacja następuje powoli w ciągu miesięcy do lat. Inni niestety mogą mieć cięższy przebieg PH i mogą szybko dekompensować się przy każdym rodzaju wysiłku. Wysiłek może zaostrzyć chorobę i powodować szybki upadek układu krążenia i oddechowego z powodu cyklu zwiększonego zapotrzebowania metabolicznego prawej komory, zmniejszonego ułamka wyrzutowego i trwającej niedokrwienia prawej komory. Jest to bardzo poważna komplikacja, ponieważ pacjenci, którzy rozwijają dekompensowaną niewydolność prawej komory, wymagają hospitalizacji i mają wskaźniki śmiertelności nawet do 40%5. Nadciśnienie płucne może dotknąć osoby w każdym wieku, a większość przypadków rozwija się z choroby lewej komory serca (Grupa 2) i choroby płuc (Grupa 3). W rzadkich przypadkach nadciśnienie płucne może rozwinąć się z przyczyn idiopatycznych i jest częstsze u kobiet w czwartej dekadzie życia (Grupa 1)6. Chociaż progresja choroby może być opóźniona za pomocą zarządzania medycznego, nie ma ostatecznej farmakologicznej kuracji. Gdy pacjenci osiągną końcową fazę niewydolności prawej komory, jedynym ostatecznym leczeniem jest przeszczepienie płuc lub serca z płucami7.
Ze względu na morbidytet i śmiertelność związaną z PH i następczą niewydolnością prawej komory, stworzyliśmy wcześniej klinicznie istotny model PH-RVF u owiec, aby opracować nowe terapie8. W tym modelu związaliśmy lewą tętnicę płucną (LPA) i umieściliśmy nadmuchiwany mankiet, który służył jako zamknięcie naczyniowe wokół głównej tętnicy płucnej (MPA). Przez 8 tygodni zwiększaliśmy ciśnienie wewnątrz tego mankietu, aby zmniejszyć przepływ przez główną tętnicę płucną, zwiększyć pozakręcenie prawej komory i wywołać remodelację prawej komory. Ten model został później dalej rozwinięty poprzez włączenie programu ćwiczeń, aby lepiej zbadać interakcję między PH a wysiłkiem. Ten protokół jest unikalny, ponieważ rejestruje zmiany w parametrach hemodynamicznych, takich jak ciśnienie skurczowe prawej komory (RVSP) i częstość akcji serca (HR) w czasie rzeczywistym. Krew z prawej komory była używana jako substytut mieszanej krwi żylnej, aby analizować zmiany w SvO2, aby porównać ekstrakcję tlenu przy różnych prędkościach wysiłku. Program ćwiczeń i metody pozyskiwania danych są opisane poniżej jako zasób dla badaczy, aby lepiej zrozumieć złożoną patofizjologię PH-RVF.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Komitet Opieki nad Zwierzętami Instytucjonalnej na Vanderbilt University Medical Center zatwierdził poniższy protokół. Opisane procedury przeprowadzono zgodnie z amerykańskimi wytycznymi National Research Council’s Guide for the Care and Use of Laboratory Animals9. Wszystkie owce były krzyżówką gatunkową Dorset, płci żeńskiej, ważyły 55–65 kg i miały między 1 a 2 lata. Zobacz Rysunek 1 aby zobaczyć pełny harmonogram reżimu i protokół sesji ćwiczeniowych.
1. Przyzwyczajenie do bieżni
- Po odpowiedniej kwarantannie i przed operacją zacznij przyzwyczajać owce do bieżni.
- Przenieś owce do sali ćwiczeń za pomocą klatki transportowej.
- Załóż owcy oszczędź i delikatnie poprowadź owce na bieżnię.
- Gdy owca się przyzwyczaja, poproś owce, aby umieściło przednie łapy na klatce bieżni i przywiąż oszczędź do przodu bieżni.
- Włącz bieżnię, ustawiaj tarczę prędkości na najniższej pozycji 10 i zachęcaj owce jedzeniem zatwierdzonym dla zwierząt.
- Podczas pracy bieżni tylko tylne łapy owcy powinny się poruszać, ponieważ przednie łapy spoczywają na klatce bieżni (Dodatkowy Film 1).
- Po minucie chodzenia wyłącz bieżnię. Powtórz włączanie bieżni i przejście owcy przez minutę, zwiększając prędkość do 30.
- Powtórz kroki 1.2–1.7 dwa do trzech razy w różnych dniach w tygodniu przed operacją.
UWAGA: Wyklucz zwierzęta, które wykazują oznaki poważnego niepokoju lub pobudzenia podczas okresu przyzwyczajania.
2. Model chirurgiczny w celu rozpoczęcia modelu PH-RVF
- Zobacz naszą poprzednią publikację, która zawiera szczegóły dotyczące tej operacji, a także regularnej konserwacji i tytulacji mankietu PA8. Niemniej jednak, niniejszy protokół zawiera kluczowe kroki pierwszej operacji, aby czytelnik mógł lepiej je kontekstualizować podczas ćwiczeń.
UWAGA: Znieczulenie i przeciwból są zapewniane zgodnie z poprzednią publikacją opisującą szczegóły chirurgiczne i zgodnie z wytycznymi instytucjonalnymi. - Ekspozycja chirurgiczna
- Przeprowadź mini przetokę przednią po lewej stronie klatki piersiowej.
- Odstąp płuco po lewej stronie i naciąć osierdzie wzdłużnie, aby odsłonić kluczowe struktury: prawy komór i tętnicę płucną.
- Ligacja LPA i umieszczenie okludera MPA
- Wyizoluj główną tętnicę płucną i odizoluj ją.
- Śledź główną tętnicę płucną aż do rozwidlenia, aby odsłonić LPA. Następnie odizoluj i zwiąż LPA wstążką pępowinową.
- Umieść ciężki silikonowy okluder naczyniowy i sondy pomiarowe przepływu naczyniowego wokół MPA. Ten okluder jest również nazywany mankietem PA.
- Linia ciśnienia RV
- Śledź tętnicę MPA w dół do wolnej ściany przepływu RV, aby zlokalizować RV.
- Wybierz miejsce, w którym linia ciśnienia może być zabezpieczona na środku RV. Ta linia zostanie użyta do przetwarzania ciśnienia RV i pobierania próbek gazów krwi.
UWAGA: Gaz krwi pobrany z RV służy jako mieszanka gazów żylnych. Podczas gdy krew z PA jest prawdziwą mieszanką żylną, krew z RV jest również mieszaniną krwi z krążenia ogólnoustrojowego i zatoki wieńcowej. W przypadku braku przeciekania wewnątrzosierdziowego, różnica w SvO2 z źródła PA lub RV jest nieznaczna10,11.
- Tunielowanie portu
- Przeprowadź linię ciśnienia RV i okludera PA przez jeden przestrzeń międzyżebrową poniżej nacięcia i przeprowadź tunel w warstwie podskórnej do lewego grzbietu owcy.
- Podłącz obie linie do dwóch oddzielnych portów i zabezpiecz porty pod warstwą tkanki podskórnej. Port PA będzie bliżej głowy, a port RV bliżej ogona.
3. Powikłania pooperacyjne
- Pozwól owcy na powrót do zdrowia przez 1 tydzień pooperacyjnie z odpowiednią terapią przeciwbólową i antybiotykami zgodnie z protokołem.
- Gdy owca odpowiednio się powraca, przejdź do pierwszej sesji ćwiczeniowej.
4. Przygotowanie do sesji ćwiczeniowej i sprawdzenie mankietu
UWAGA: Przygotuj wszystkie materiały aseptycznie.
- Przygotuj płukanki z heparyną, które będą potrzebne do płukania linii RV.
- Zdobądź 3 płukanki z fizjologicznym roztworem soli.
- Usuń 1 mL fizjologicznego roztworu soli z płukanek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Wszystkie dane są przedstawione jako średnia ± SEM. Przez osiem tygodni, SvO2 utrzymał się na stosunkowo stabilnym poziomie przy maksymalnej prędkości na bieżni w 1. tygodniu w porównaniu z 8. tygodniem: 62,7 ± 4,5% vs 69,8 ± 4,0% (Rysunek 5A), pomimo wzrostu RVSP od 1. do 8. tygodnia: 78 ± 8 mmHg vs 96 ± 8 mmHg (Rysunek 5B). Odległość przebyta podczas ćwiczeń wzrosła od 1. do 8. tygodnia: 1390 ± 297 m vs 1834 ± 189 m (...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Prezentowany model owcy PH-RVF został zaktualizowany z poprzedniej wersji poprzez połączenie go z platformą do ćwiczeń na bieżni, aby badać interakcję między ćwiczeniem a rozwojem choroby8. Ponieważ każde zwierzę może reagować inaczej na napełnianie mankietu, dla spójnego warunkowania ćwiczeniowego na wszystkich zwierzętach, prędkości na bieżni podczas sesji ćwiczeniowych zostały dostosowane, aby obejmować prędkości robocze i prędkości regeneracyjne. Stopniowe zwiększanie prędkości bieżni z trzema...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają żadnych konfliktów interesów do ujawnienia.
Podziękowania
Praca ta została sfinansowana przez następujące instytucje i nagrody: National Institutes of Health R01HL171577, National Institute of General Medical Sciences grantu NIH T32 GM007347, National Institutes of Health grant T32 HL160508, Vanderbilt Faculty Research Scholar Award, American Heart Association Second Century Early Faculty Independence Award 24SCEFIA1255079, Vanderbilt University Medical Center Cardiothoracic Research Fund, Vanderbilt University Medical Center Mrs. Shelley F. Kleiner and Dr. Fredric Kleiner Fund, Vanderbilt University Medical Center Ms. Dorothy Thomas Research Fund oraz Vanderbilt University Medical Center David M. Livingston Lung Transplant Memorial Fund. Dodatkowo, praca ta nie byłaby możliwa bez Vanderbilt University Animal Care and Use Program i personelu laboratorium S.R. Light: Jamie Adcock, Susan Fultz, Azia Tanks i Eiman Barsoum za ich wsparcie techniczne.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 0.9% Normal Saline, 1000 mL | Baxter Healthcare Corp | 0338-0049-04 | Lek, Przewlekłe PH |
| 16 mm Heavy Duty Occluder with actuating tubing | Access Technologies | OC-16HD | Wymienne, Przewlekłe PH |
| 70% isopropyl alcohol prep pads | Medline | MDS090670 | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Aluminum Lamb and Goat Treadmill | Livestock Performance Products | DC314 | Wyposażenie |
| Bags, Infusion: Nonsterile Novaplus Infusion Bag, 500 mL | Medline | TCV4005H | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Blue Clave | Medline | BOPC1000 | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Cathflo Activase (alteplase) 2 mg | Cathflo | NDC 50242004164 | Lek, Przewlekłe PH |
| Computer | Dell | Lattitude 7400 | Wyposażenie |
| Data acquisition hardware | ADInstruments | PowerLab 16/30 | Wyposażenie |
| EPOC Point-of-care blood gas analyzer | Siemens Healthineers | Siemens-Epoc-R | Wyposażenie |
| Flow Meter | Transonic | https://www.transonic.com/tubing-flow-meters-manufacturers | |
| Gauze Sponges: Sterile X-ray Compatible Gauze Sponges, 16-Ply, 4” × 4” | Medline | PRM21430LFH | Wymienne, Przewlekłe PH |
| GEM 7000 with iQM3 | Werfen | 6000228442 | Wyposażenie |
| Heparin | Fresenius Kabi | 63323-540-31 | Lek, Przewlekłe PH |
| Hospira Primary IV Sets, 80” | Patterson Veterinary | 07-835-0123 | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Hypertonic saline 3% | Baxter Healthcare Corp. | 0338-0054-03 | Lek, Przewlekłe PH |
| Hypodermic Needle with Bevel and Regular Wall, 20 G × 1” | Medline | B-D305175Z | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Interface Cable, Edwards LifeScience Transducer to ADInstruments Bridge Amplifier | Fogg System | 0395-2434 | Wyposażenie |
| Labchart software | ADInstruments | Labchart 8 | Wyposażenie |
| Needles: Hypodermic Needle with Regular Bevel, Sterile, 18 G × 1.5” | Medline | B-D305185Z | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Octal Bridge Amplifier | ADInstruments | FE228 | Wyposażenie |
| Port-A-Cath Huber Needle, Straight, 22 G × 1-1/2” | Medline | AAKM21200724 | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Sheep Halter | Weaver Livestock | 35-7840-S20 | Wyposażenie |
| Sterile Leur-Lock Syringe, 1 mL | Fisher Scientific | BD309628 | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Sterile Luer-Lock Syringe, 10 mL | Medline | SYR110010Z | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Sterile Luer-Lock Syringe, 3 mL | Medline | SYR103010Z | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Sterile Luer-Lock Syringe, 5 mL | Medline | SYR105010Z | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Sterile Water | Fresenius Kabi | 918550 | Lek |
| Stopcock: 3-Way Stopcock with Handle in OFF Position, Rotating Adaptor Male Collar Fitting, 45 PSI | Medline | DYNJSC301 | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Transducer clip | Edwards LifeScience | TCLIP05 | Wyposażenie |
| Transonic Perivascular Flow Probe (PAU Series) | ADInstruments | https://www.adinstruments.com/products/perivascular-flowprobes | |
| Transport Cage/ Large Animal Caging | Ancare | ANAT305660SS | Wyposażenie |
| Trigger Aneroid Gauge (Sphygmomanometer) | Patterson Veterinary | 07-815-0464 | Wyposażenie |
| TruWave Disposable Pressure Transducer Kits by Edwards Lifesciences | Medline | VSYPX260 | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Tubing: Pressure Monitoring Tubing with Fixed Male Luer Lock and Female Fitting, Low Pressure, 72” L | Medline | DYNJPMTBG72MF | Wymienne, Przewlekłe PH |
| Umbilical Tape, Cotton, 3-Strand, 1/8 x 36" | Medline | DYNJPMTBG72MF | Wymienne, Przewlekłe PH |
Bibliografia
- Mocumbi, A., et al. Pulmonary hypertension. Nat Rev Dis Primers. 10 (1), 1(2024).
- Sahni, S., et al. Pulmonary rehabilitation and exercise in pulmonary arterial hypertension: an underutilized intervention. J Exerc Rehabil. 11 (2), 74-79 (2015).
- Fox, B. D., et al. Ambulatory rehabilitation improves exercise capacity in patients with pulmonary hypertension. J Card Fail. 17 (3), 196-200 (2011).
- Zeng, X., et al. Effectiveness and safety of exercise training and rehabilitation in pulmonary hypertension: a systematic review and meta-analysis. J Thorac Dis. 12 (5), 2691-2705 (2020).
- Cassady, S., Ramani, G. Right heart failure in pulmonary hypertension. Cardiol Clin. 38 (2), 243-255 (2020).
- Pahal, P., Sharma, S. Idiopathic Pulmonary Artery Hypertension. , StatPearls Publishing. Treasure Island, FL. (2023).
- Hussain, K., Mandras, S., Desai, S. Right Heart Failure. , StatPearls Publishing. Treasure Island, FL. (2024).
- Ukita, R., et al. A large animal model for pulmonary hypertension and right ventricular failure: left pulmonary artery ligation and progressive main pulmonary artery banding in sheep. J Vis Exp. (173), e62694(2021).
- Institute for Laboratory Animal Research. Guide for the Care and Use of Laboratory Animals. , National Academies Press. Washington, DC. (2011).
- Musch, T. I., Larach, D. R. O2 content of blood sampled from different venous compartments of the rat. J Appl Physiol. 65 (2), 988-991 (1998).
- Ohlsson, A., et al. Monitoring of mixed venous oxygen saturation and pressure from biosensors in the right ventricle: a 24 hour study in patients with heart failure. Eur Heart J. 16 (9), 1215-1222 (1995).
- Johnson, C. A., et al. A Dynamic Sheep Model to Induce Pulmonary Hypertension and Right Ventricular Failure. Experimental Models of Cardiovascular Diseases: Methods and Protocols. , Springer. New York. (2024).
- Shanmukhappa, S. C., Lokeshwaran, S. Venous Oxygen Saturation. , StatPearls Publishing. Treasure Island, FL. (2024).
- Boucherat, O., et al. The latest in animal models of pulmonary hypertension and right ventricular failure. Circ Res. 130 (9), 1466-1486 (2022).
- Long, G., et al. Skeletal muscle blood flow during exercise is reduced in a rat model of pulmonary hypertension. Am J Physiol. 323 (4), R561-R570 (2022).
- Rothman, A., et al. Challenges in the development of chronic pulmonary hypertension models in large animals. Pulm Circ. 7 (1), 156-166 (2017).
- Stam, K., Clauss, S., Taverne, Y., Merkus, D. Chronic thromboembolic pulmonary hypertension: what have we learned from large animal models. Front Cardiovasc Med. 8, 574360(2021).
- Stam, K., et al. Exercise facilitates early recognition of cardiac and vascular remodeling in chronic thromboembolic pulmonary hypertension in swine. Am J Physiol. 314 (3), H627-H642 (2017).
- Stam, K., et al. Exercise response in a new porcine model of chronic embolic pulmonary hypertension. FASEB J. 29 (S1), LB597(2015).
- Morris, N., et al. Exercise-based rehabilitation programmes for pulmonary hypertension. Cochrane Database Syst Rev. 3 (3), CD011285(2023).
- Rusakova, Y., Zhuravleva, I. Functional anatomy of the sheep heart as a model for testing cardiovascular devices. Sovrem Tekhnol Med. 17 (2), 13-22 (2025).
- Divincenti, L., Westcott, R., Lee, C. Sheep (Ovis aries) as a model for cardiovascular surgery and management before, during and after cardiopulmonary bypass. J Am Assoc Lab Anim Sci. 53 (5), 439-448 (2014).
- Ukita, R., et al. Ambulatory seven-day mechanical circulatory support in sheep model of pulmonary hypertension and right heart failure. J Heart Lung Transplant. 43 (2), 293-302 (2025).
- Heerdt, P., et al. Right ventricular pressure waveform analysis: clinical relevance and future directions. J Cardiothorac Vasc Anesth. 38 (10), 2433-2445 (2024).
- Heerdt, P., et al. Integrating right ventricular pressure waveform analysis with two-point volume measurement for quantification of systolic and diastolic function: experimental validation and clinical application. J Cardiothorac Vasc Anesth. 37 (10), 1929-1937 (2023).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
