Abstract
後半19 世紀に導入以来、ランゲンドルフ孤立心臓灌流装置、作業心臓モデルのその後の発展は、心血管機能と疾患1から15を研究するための貴重なツールとなっている。ランゲンドルフ心臓標本は、任意の哺乳動物の心臓に使用することができますが、この装置に関連するほとんどの研究は、大型哺乳類1,3,11のためのシステムが複雑に小さな動物モデル（ 例えば 、マウス、ラット、ウサギ）を使用します。このデバイス1,11を利用し、任意の実験の重要な要素-一つの大きな困難は、異なる心臓の大きさの範囲にわたって一定の冠動脈灌流圧を確保している。遠心ポンプで古典的な静水圧後負荷カラムを置き換えることにより、以下に記載ランゲンドルフ心臓作業装置が同じ設定は、種々の種のために使用することができる。つまり、簡単に調整し、灌流圧の厳密な調節を可能にするSや心臓の大きさ。さらに、この構成によっても、シームレスにユーザの好みに応じて、再灌流の間一定の圧力または一定の流れを切り替えることができる。このセットアップのオープンな性質は、他の設計よりも温度制御をより困難にもかかわらず、排出物および心室圧力容量のデータを簡単に収集することができます。
Introduction
基本的な心臓生物学と生理学の我々の理解の多くは孤立し、逆行性灌流ランゲンドルフ心臓や孤立した作業心臓システムを利用した実験から来ている。これらの実験系ではまだ広く4、損傷した心筋5,7のための細胞ベースの治療法、薬6,9の心臓への影響、および心臓同種移植保存をプリコンディショニング、虚血再灌流障害2を含む重要なトピックの私達の心血管系の知識を拡張するために、今日使用されている技術8,15-18。
単離された心臓の両方のシステムは、任意の哺乳動物種を用いることができるが、それらは主に、モルモット、ラット、またはウサギなどの小型哺乳類3,12,13、上で使用される。例えば、ブタおよびヒトのような大きな動物モデルは、より臨床的に関連するデータを提供するが、より少ない頻度で、より高いコスト、より大きな生物学的変動、血液灌流液のより大きなボリューム、ビッグに使用されている機器1,12-15の破片ER。さらに、データ収集は、特に単離された作動心臓1,3,12-15ために、より困難である。これらの複雑さの結果として、臨床的に意義のある孤立した心臓モデルはめったに深刻な心血管のトランスレーショナルリサーチの進展を妨げ、使用されていません。
これらの複雑さを解決しようとする試みでは、単離された作業心臓標本を簡単に一定の圧力または一定流量ランゲンドルフ条件のどちらかの下で、ヒトを含む様々な種、人の心に適合させることができるシステムを作成するように変更されました。後負荷コンプライアンス室は、作動モードにおいてランゲンドルフ·モードおよび後負荷における潅流圧を調整する処理を簡略化するために遠心ポンプと交換した。代わりに、心を格納するための囲まれた、ジャケット貯水池のために、このシステムは、コンダクタンスカテーテル法のための尖アプローチの使用を可能にすることにより、データ収集を容易にするために開放室を使用しています。 MoreovER、このオープンな設計は、さらに、これらの実験中に測定可能な生理学的パラメータを広げ、心臓の心エコー評価のためのアクセスを許可します。これらの改善は、うまくいけば、大きな動物のトランスレーショナルリサーチのためにこのシステムを使用するために他の人を奨励する。
Protocol
1。ランゲンドルフ装置の構築（ 図1を参照してください）
- 3/8 "チューブを用いて、血液貯留、心臓リザーバを接続する。
- このチューブは、ローラーポンプを通過することを確認してください。注：これはローラーポンプを通過する1/4 "チューブの部分を作成するために2 3/8チューブコネクタ「1/4」を使用して必要な場合があります。
- 3/8 "のチューブとヒーター/人工肺に貯血槽を接続します。
- Yコネクタにヒーター/人工肺を接続するために3/8 "のチューブを使用してください。
- 第2のYコネクタ（すべて3月8日に "チューブ）に遠心ポンプを接続して、遠心ポンプにYコネクタの一方のアームを接続します。
- 気泡トラップと圧力変換器を挿入する手段の両方として機能する上向きアームに止血弁を固定する配管ピース3/8 "を取り付ける。
- 下向きのアームに3/8 "チューブの一部を添付してください。この部分は、AORに付着する （後負荷ラインIE）TICカニューレ。
- 3/8 "のチューブを使用して、プリロード室の流入にYコネクタの他のアームを接続します。このチューブは第二のローラーポンプを通過することを確認してください。
- このチャンバーの流出に対する過剰3/8 "のチューブを接続します。この部分は（プリロード·ラインIE）左心房に付着する。
- ヒーター/人工肺に酸素タンクと加熱装置を接続します。
- 心臓が作業モードになるまで、この行は使用されませんように、予圧室にYコネクタから行くラインをクランプする。
2。圧力 - 体積カテーテルの準備
- 37℃の水浴中で、生理食塩水の瓶を温める。
- 少なくとも30分間、温生理食塩水にPVコンダクタンスカテーテルおよび圧力変換器を浸す。
- どちらも、少なくとも30分間ウォームアップすることができ、データ·アクイジション·システムの電源をオンにします。
- 酸素タンク、加熱装置、2つのリザーバを接続するローラポンプ、遠心ポンプの電源をオンにします。加熱装置は、動物の体温（〜36°C）に設定されるべきである。
- メーカーの指示に従って血を洗う。低速の洗浄速度は血液から老廃物をより完全に除去（ 例えば 、過剰の電解質、溶解された細胞物質）をお勧めします。
- 血液を洗浄した後、前に血液希釈のヘマトクリットレベルをチェック。
- 希望のヘマトクリット濃度（推奨:20-25％）のための生理食塩水で洗浄した赤血球を再構成し、ランゲンドルフ装置に追加する。
- （プリロード室を除く）システムを介して血流を開始するために二つのポンプの速度を調整します。
- 血液混合物のpHと電解質を確認し、使用される種のための生理学的になるまで調整します。注：有害でのを防ぐために再灌流時にカルシウムのフラックスは、ランゲンドルフ装置上のカルシウムレベルは、最初は（0.3〜0.5ミリモル/ L）を低く保つべきである。
- カリウムが同時増加に伴ってヘマトクリットの減少がある場合には、溶血を除外するために乳酸脱水素酵素および血漿遊離ヘモグロビンをご確認ください。
- ケース溶血内のすべての接続が締まっていると明らかにホテルSheeringのない領域が存在しないことを確認、発生しません。
- パワーラブシステムの二次圧スロットにミラーカテーテルを取り付けます。
- 製造業者の指示に従って圧力変換器を較正する。
4。ランゲンドルフ装置に取り付けるための心の準備
注記：正しく逮捕心臓は、孤立した心臓系を含む任意の大規模な動物実験のために使用されるべきである。心臓麻痺逮捕の欠如は、それが測定可能な作品を制作しないような心を損傷する可能性があります。セルシオ、または低カリウムユニバーウィスコンシン州のsityは（UW）ソリューションのように、推奨されているだけでなく、これらのソリューションは、臨床的に使用されるものと同様であるが、溶液の低カリウム、回路上ながら高カリウム血症を防ぐのに役立ちます。心筋保護液の量は、ブタの心臓に十分な1リットルで、心臓の大きさに依存します。
- すぐに、脳室内の任意のストレージソリューションを注ぎ、乾燥ブロットおよび重さ、貯蔵容器から心臓を取り出します。
- 、心臓はランゲンドルフ準備が整うまで冷たい心筋の温度を維持するのに役立つ保存容器にハートを返し、その大動脈が上を向いているので、それを配向させる。
- 大動脈に3/8 "カニューレを挿入し、ジップタイで固定します。
5。ランゲンドルフ心臓の取り付け
- 遅い細流に遠心ポンプを減少させる。
- それは血液で充填され、完全に脱気されるまでの大動脈に血液をトリクル。
- 慎重に大動脈Cを添付ランゲンドルフ上の大動脈チューブにannula。添付ファイルの時間をメモしておきます。
- ネイティブ大動脈に止血弁[DS1]から校正された圧力変換器を挿入します。
- 圧力測定を開始し、所望の灌流圧が達成されるまで、遠心ポンプ速度を調整する。注：圧力は、冠状動脈抵抗の変化を変更することがあります。そのため、特に初期の再灌流の間に、密接に大動脈圧を監視します。
- 加温部の温度を増加させる心筋内の温度は37℃で測定した注：加温装置および心筋内温度の変化のための調整の間に遅延があるでしょう。そのため、温度変化が徐々になされるべきである。
- pHは、電解質、および他の生化学的測定値を測定するために、静脈貯血槽からベースライン（T = 0）のサンプルを入手します。
- セプタムに温度プローブを挿入し、心筋の温度を監視します。加温装置の温度を低下させる心筋の温度が39℃以上に上昇した場合
- 実験のために所望に応じて生理学的パラメータを調節すること、血液サンプルを15分ごとにとる。
- 作業モードの開始前に>イオン性カルシウムであることを確認して、血液溶液に0.8ミリモル/リットルを5分毎に約1モルのカルシウムを追加します。
6。作業モードに心を置く
- 左心房/肺静脈に適切なサイズのカニューレを挿入します。これは、必要に応じて、巾着縫合またはzipネクタイのどちらかで行うことができます。
- 必要に応じて、このような縫合糸またはステープルで他の肺静脈起源として、漏れる可能性が左心房内の任意の穴を閉じます。
- 列の高さが必要な予圧を与えるようにプリロード室の高さを調整します。注：血液/クリスタ混合物の密度を想定すると、水の密度は、1 mmHgの=のトップに大動脈弁からの距離の1.36センチメートルに等しいプリロード·リザーバー（ 例えば 、15 mmHgの= 20.4センチメートル）での血中濃度。
- プリロード室に行くチューブをアンクランプし、徐々にプリロード室とプリロードチューブは血液で完全に埋めることができ、プリロードローラーポンプを起動します。
- プリロードチューブが完全に脱気された後、ゆっくりと血液と左心房とカニューレを埋める。
- 任意の空気がシステムに入ることを可能にすることなく、左心房カニューレにプリロードチューブを接続します。
7。心室圧力 - 体積（PV）レコーディングの取得
- データ収集システムのための圧力とのRhoキュベットキャリブレーションのためのメーカーの指示に従ってください。
- 左心室（LV）頂点に3-0ポリプロピレン縫合糸を使用した巾着縫合を置く。
- 16 Gの針を使用して、巾着の中に穿刺切開を行います。
- 頂端切開へのPVコンダクタンスカテーテルを挿入します。注：理想カテーテル留置は、DEPますすべての感知LV内の電極およびLV外側の2つの励起電極を有するに終わる。 （説明を参照）適切なサイズの動物や、カテーテルが選択されていることを確認してください。
- を押して記録データを開始し、セグメントがアクティブになっているどのように多くの量を決定するには、右上にある「スタート」ボタンを押します。
- すべてのセグメントがアクティブでない場合はすべてのセグメントがアクティブになるまで、カテーテルの位置を調整します。 NOTE：カテーテルのわずかなねじれがループ形態を最適化することが必要であり得る
- 励振電極及び製造業者の指示に従って検出電極の位置を調整し、全てのセグメント内の信号を得ることができない場合。
- 必要な構成が得られると、ボリュームとアルファキャリブレーションのため、製造元の指示に従ってください。
- 適切に較正されたカテーテルを用いて、ベースライン圧力 - 容積データの少なくとも30秒を得る。注：これらの圧力-容積ループは依ボリュームを提供します心機能の凹みの測定（ 例えば 、心拍出量、一回拍出量）。
- 十分なループが得られると閉塞圧容量のデータを得るように、データの記録を停止することなく次のステップに進みます。
- 管クランプを使用して、ゆっくりとプリロードチューブを閉塞。注：圧力 - 容積ループが小さくなり、左にシフトダウンを開始する必要があります。これは、「歩く」と呼ばれています。
- 歩いて10〜15秒を取得し、左心房の再入力をプリロードを可能にするためのチューブクランプを解除する。 注：これらの圧力-容積ループ（ 例えば 、動員一回仕事、収縮末期圧容積関係をプリロード）心機能のボリュームの独立した測定値を提供します。
- 画面の右上にある「停止」ボタンを押すことで、データの記録を停止する。
- 繰り返す前に、少なくとも5分待ってください閉塞。
- 繰り返して反復測定を得るために、7.7と7.8を繰り返します。
Representative Results
図1は、示唆カテーテル配置を含む回路の概略図である。後負荷を制御するために、遠心ポンプを使用し、この装置の重要な要素には次のものがあります灌流圧を監視するための大動脈根内の圧力カテーテル（濃い青色の線）の配置;圧力ボリューム（PV）カテーテル尖（水色の線）を配置。図中の接続はストレート接続のように見えるが、「Y」コネクタは、特にプリロードラインのため、推奨されている。
図2に、20分かけて40〜42 mmHgのための間で一貫している回路、オン再灌流中にブタの心臓の大動脈起始部に配置された圧力変換器から得られたデータを示しています。冠状動脈抵抗の変化は、灌流圧（ 図3）の変動を引き起こす可能性があります。これらの変化は、それらを修正、マイナーと徐々にすることができます時間（ 図3a）の上の自分。しかしながら、いくつかの場合、これらの変化は急激であることができ、所望の灌流圧（ 図3b）を維持するために遠心ポンプを通る流れの調整を必要とする。変更が発生する可能性があるため、再灌流の間大動脈根圧力の監視が必要になります。
尖穿刺切開を利用することによって、圧 - 容積データを容易に単離された心臓システム上で得ることができる。この実験では、2時間冷（4℃）保存溶液中で保存されたブタの心臓を使用した。 PVカテーテルの初期導入時に、ループのクロスオーバーなし識別可能な心臓サイクル·コンポーネントの複数の領域と、質の悪い（ 図4a）であった。しかしながら、心室内カテーテルの最小限の操作により、ループ形態は測定値が得られることを可能にする（ 図4b）劇的に改善した。
ve_content ">カテーテル位置の最適化にもかかわらず、ex vivoでの回路上で取得したループ（ 図5、一番上の行）は、生体内のループ（ 図5、下の列）とは異なる形態を有することがあります。ループ形態へのこれらの変更は、可能性が高いためである仰向けの動物だけでなく、（例えば心膜など）、生きている動物内にある解剖学的添付ファイルの欠如に比べて、回路上の心臓の異なる方向に、また、心拍数を調整するのに役立つペーシングワイヤの使用（推奨される結合部位：心室中隔）ex vivoでのループの右下部分に見られるスパイクにつながる、外部に電流を導入したが、限りこれらのループは、まだ心周期成分が特徴として、彼らはまだ解釈データを得ることができる。 表1に、PVのカテーテルを使用して、これらの圧力-容積ループから得た複数の機能パラメータ。冷たい静的記憶はおそらく生体内の測定値に比べて、回路上で得られる値の変化のいくつかを説明するのに役立ちます心にいくつかの本質的な被害をもたらした。負荷従属変数内の変動の一部は、回路や生きた動物との間に予圧可能性の違いによるものです。
図1。装置の図。
図2代表的な大動脈根圧力測定再灌流の間。
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図3：再灌流の間に発生することがあり大動脈根圧力の変化の例。これらの変化は漸進的自己修正（A）、又は急激で、遠心ポンプ（B）上の設定の変更を要求することができる。
尖カテーテルの最初の挿入（A）の上に、マイナーカテーテル操作（B）の後に得られた。図4。圧力-容積ループは 、 ループ形態、それによってループのクロスオーバーがなくなり、心周期の要素の改善に注意して認識可能である。ループの両方のセットの右下部分のスパイクは、外因性の電気信号を導入するペースメーカーの使用によるものである。
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図5の代表的な圧-容積測定は比較のためのインビボ測定（下列）で、 エクスビボ回路（最上行）に沿う。再び、ペースメーカーのスパイクは、ex vivoでのループの両方のセットの右下に見ることができる。
表1低温貯蔵（右列）の2時間後に、生体内でのブタの心臓（左列）のために、作業心臓装置で得られる機能パラメータCO：心拍出量; EのA：動脈エラスタンス; EDPVR：拡張期圧 - 容積関係を終わらせる。 EDV：拡張末期容積; ESPVR：収縮期圧 - 容積関係を終わらせる。 PRSW：プリロード·動員一回仕事; PVA：圧力ボリューム領域; SV：拍出量; SW：回仕事。
Discussion
ランゲンドルフ孤立心臓灌流装置と作業心臓モデルは、心臓生理学、病理学、および薬理学における最も基本的な発見のいくつかにつながっている。このモデルの汎用性は、正常および病的状態1から18までの様々な環境下で、様々な種での使用が可能になります。しかし、単離された心臓モデルは、一般に起因装置設計およびデータ収集の両方の複雑さの増加に一部の大型哺乳動物、特にヒトの心臓のために使用されない。従って、ここに提示されたプロトコルは、孤立したブタの心を研究する、比較的再現性のある手段となるこれらの複雑さを改善する試みを示しています。
私たちのセットアップの重要な構成要素は、遠心ポンプと動脈コンプライアンス/後負荷チャンバーの交換です。この交換はrespecti、ランゲンドルフ、作業心モードで冠灌流圧と後負荷の強化制御を可能にするvely、このセットアップは簡単に様々なサイズと種々の心に適合させることができます。人間の心は、60〜65 mmHgので灌流しながら、たとえば、この設計では、ブタ心臓を、40から45 mmHgので再灌流されています。この圧力変化は、遠心ポンプの設定を調整することによって簡単に達成され;システムのない構成要素は、物理的に調整する必要はありません。さらに、ルートの圧力を監視するために大動脈根内の圧力変換器を配置するランゲンドルフモード中に一定流量と一定の圧力との間の容易な移行を可能にします。この変更は、古典的なコンプライアンス室を除去するが、遠心ポンプは、双方向の流れを可能にすることによって、圧力勾配に基づいて発生し、コンプライアンスチャンバとして機能することができる。収縮期と排出され、ストローク量と、ポンプ全体の逆流は、大動脈の弾力性を複製する、後負荷圧を減少させるのに役立つ。
この装置のオープンな設計も重要である。オープンAにぶら下がっ心を持つREA、代わりに半密閉チャンバまたは漏斗のため、圧力 - 体積測定のための容易に計測機器を可能にします。オープンな設計は経弁アプローチの回避のLVカテーテル留置のための尖切開の使用を可能にします。経弁アプローチは、より技術的に困難であり、通常、適切な配置のために蛍光透視法を必要とする。さらに、このアプローチはまた、弁閉鎖不全を誘導することができる。 X線透視の余分なコストや不便さを解消しながら、尖アプローチを使用することにより、我々は安全かつ容易に左心室の中にカテーテルを配置します。オープンな設計は、さらにこのシステムにしながら評価することができる機能的および生化学的パラメータを拡張し、心エコー検査や排水収集のための容易なアクセスを与える。
オープン設計では、データ収集を容易にしながら、心筋の温度調整をより困難にしない。生理的温度を維持することは、ランゲンドルフの既知の問題の一つであるまたは作業心臓システム1,3,11,13。ランゲンドルフ·システムは、典型的には適切な温度を維持するのを助ける熱チャンバを含むが、このチャンバはまた、心室の圧力 - 容積カテーテルの挿入をより困難にする。オープンな設計の劣った温度調節を解決するには、人工肺/熱交換器は、貯蔵後に配置した。熱交換器と大動脈カニューレとの間の最小の空間は熱損失を減少させ、心筋の温度プローブは、正常体温を確実にする。ジャケット付きチューブ又は外部加熱源の使用はまた、温度制御を支援するために使用することができる。
このプロトコルのもう一つのユニークな要素が検討中の豚の自己血を洗浄し、生理食塩水でそれを再構成されている。晶質バッファで増強全血灌流液や赤血球のいずれかの使用が珍しくありません、が、それは問題で存在しない。前者は通常、SUBSTが追加ドナー動物を必要とし、実験にantialコスト、それは通常、牛の血液1,11-13から派生しているため、後者は、免疫原性の問題を有することができるが。オリジナルの豚自身の血液を洗浄することにより、プロトコルは単一の動物を必要とし、免疫原性の問題が切除されています。また、洗浄工程では、彼らが簡単に実験パラメータごとに操作することができます。つまり、電解質の大部分を削除します。最終的には、血液の保全ユニットを使用すると、この方法の利点と欠点の両方である、血液中のタンパク質のほとんどが削除されます。利点は、任意の凝固および免疫/感染性タンパク質は血餅又は汚染の可能性を減少させる、除去されることである。欠点は、この混合物に時間をかけて心筋の浮腫や心機能の可能性の損失につながることができる低膠質浸透圧を持っているということです。この問題は、アルブミンまたは他のコロイドの添加によって、しかしながら、対処することができる。
適切なサイズのことを確保する位側およびカテーテルは、適切な作業心臓装置を用いて、同様に重要である、選択されています。理想的には、カテーテルを脳室空間外2励振電極（ すなわち最も近位の電極）と、心室空間内のすべての検知電極を配置されます。動物の脳室キャビティが小さすぎる、または電極間の間隔が大きすぎる場合、すべてのセグメントがLV空間内に収まらない。励振電極の位置を調整することができるが、小LV腔はまた、カテーテルが曲がる又は曲線データの収集を困難にさせることができる。そのため、大型動物の心機能解析のために、少なくとも60キロの動物のサイズが推奨されます。このサイズの動物と、7ミリメートルの電極間隔は、通常、カテーテルの完全な挿入を可能にする。
結論として、本原稿は、灌流圧の調整作業を簡素化し、単離された心臓システム、データ欄を記載lection、および全体的な設計、わずかにより困難な温度制御を行いながら。孤立した作業心臓へのこれらの変更は、うまくいけば心臓病の我々の理解を促進し、発見されて、より臨床的に意義のある治療オプションを有効にする、ヒトを含む大型哺乳類の心、との増加の使用のためにできるようになります。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PowerLab 16/35 with LabChart Pro | ADInstruments | PL3516/P | |
| MPVS Ultra Pressure-Volume Unit | ADInstruments | 880-0168 | |
| Ventri-Cath Catheter (5F, 12E, 7 mm, DField, Straight, 122 cm) | Millar | VENTRI-CATH-507s | |
| Pressure Catheter (3.5F, Single, Straight, 100 cm, Ny, Non Repairable) | Millar | SPR-524 | |
| PV Extension Cable (10 ft) | ADInstruments | CEC-10PV | |
| Catheter Interface Cable (10 ft) | ADInstruments | PEC-10D | |
| Rho Calibration Cuvette | ADInstruments | 910-1060 | |
| MPVS Ultra BNC Cable Pack | ADInstruments | 880-0172 | |
| Autotransfusion system | Sorin | 7320000 | |
| Bowl Set with Low Volume (135 ml) Centrifuge Bowl | Sorin | 7135100 | |
| Oxygenator/Heat Exchanger | Terumo | 3CXSX18RX | |
| Perivascular flow probe | Transonic Systems | PAU Series | Size of flow probe will depend on animal size; for 60 kg pig, recommend 20 or 24 mm probe |
| Perivascular flowmeter module | Transonic Systems | TS420 | |
| Myocardial temerpature sensor | Smiths Medical | MTS-40015 | |
| 16 G 1" Regular needle | BD Inc. | 305197 | |
| 4-0 polypropylene suture (double-arm) | Ethicon | 8526H | For purse-string stitches |
| 2-0 polypropylene suture (single-arm) | Ethicon | 8833H | |
| Cable ties | ULINE | S-1021 | |
| Cable tie gun | ULINE | H-241 | |
| Clear, Flexible PVC Tubing | VWR International | 89068 | Inner diameter depends on cannulas, pumps and other equipment used; most commonly use 1/4", 3/8" tubing |
| Straight Tubing Connectors | VWR International | 46600 | |
| Y-Shaped Tubing Connectors | Thermo Scientific | 6152 | |
| Jacketed Bubble Trap | Radnoti | 14040 | For preload chamber |
| Centrifugal pump | Maquet | 70105 | The centrifugal pump and roller pumps were obtained used from perfusion department after clinical use. |
| Roller pumps | Maquet | HL-20 | |
| Hemostasis Valve | Merit Medical | MAP150 | |
| Blood gas analyzer | Instrumentation Laboratory | 570001000 |
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