Isolated working heart models can be used to measure the effect of loading conditions, heart rate, and medications on myocardial performance and oxygen consumption. We describe methods for preparation of a rodent left heart working model that permits study of systolic and diastolic performance and oxygen consumption under various conditions.
Isolated working heart models have been used to understand the effects of loading conditions, heart rate and medications on myocardial performance in ways that cannot be accomplished in vivo. For example, inotropic medications commonly also affect preload and afterload, precluding load-independent assessments of their myocardial effects in vivo. Additionally, this model allows for sampling of coronary sinus effluent without contamination from systemic venous return, permitting assessment of myocardial oxygen consumption. Further, the advent of miniaturized pressure-volume catheters has allowed for the precise quantification of markers of both systolic and diastolic performance. We describe a model in which the left ventricle can be studied while performing both volume and pressure work under controlled conditions.
In this technique, the heart and lungs of a Sprague-Dawley rat (weight 300-500 g) are removed en bloc under general anesthesia. The aorta is dissected free and cannulated for retrograde perfusion with oxygenated Krebs buffer. The pulmonary arteries and veins are ligated and the lungs removed from the preparation. The left atrium is then incised and cannulated using a separate venous cannula, attached to a preload block. Once this is determined to be leak-free, the left heart is loaded and retrograde perfusion stopped, creating the working heart model. The pulmonary artery is incised and cannulated for collection of coronary effluent and determination of myocardial oxygen consumption. A pressure-volume catheter is placed into the left ventricle either retrograde or through apical puncture. If desired, atrial pacing wires can be placed for more precise control of heart rate. This model allows for precise control of preload (using a left atrial pressure block), afterload (using an afterload block), heart rate (using pacing wires) and oxygen tension (using oxygen mixtures within the perfusate).
המחקר של איברים מבודדים מאפשר שליטת תנאים פיסיולוגיים מעבר למה שאפשרי vivo. הכנות לב-גופיים תוארו לראשונה על ידי אוטו Langendorff, 1 שתאר מודל מבודד עם זלוף המדרדר. בהמשך לכך, אחרים תיארו את מודל "עבודה שבלב", שבו שריר הלב מבצעת גם עבודה לחץ ונפח. 2 ההכנות כזה כבר סייעה הבהרת מנגנוני הפעולה של שריר הלב, 3 מטבוליזם בשריר הלב, 4-6 ואפקטים של תרופות cardiotonic. 7- 9
השימוש בתרופות משפר התכווצות שריר לב שכיח בחולים אנושים. עם זאת, כמה נתונים זמינים השוואת ההשפעה היחסית של תרופות אלה על התכווצות וצריכת החמצן של שריר הלב, נתונים אשר עשויים להיות שימושיים בטיפול בחולים עם סימנים קליניים של אי ספיקת לב של בקביעת לאחר הניתוח. 10 עם זאת, כי רוב תרופות cardiotonic משפיעות לא רק על שריר לב, אלא גם התנגדות arteriolar, קיבול ורידי 11, וכן את קצב חילוף החומרים של מטופל, 12 לשעבר vivo מודלי לב מבודדים להישאר האמצעים האופטימליים שבאמצעותו כדי לחקור את ההשפעות של תרופות כאלה על שריר לב נכון.
אנו מתארים את השימוש של מודל vivo לשעבר לחקר עצמאי מטעני תרופות אינוטרופיות על תפקוד שריר לב וצריכת חמצן. לבבות של חולדות ספראג Dawley היו cannulated באמצעות חדר שמאלי עובד מודל לב perfused באמצעות perfusate קרבס Henseleit שונה. לחצי פרוזדורי אב עורקים ושמאל נשלטו. לחץ-נפח צנתרים עכבה הונחו לתוך החדר השמאלי באמצעות לנקב apical לניטור רציף של תפקוד סיסטולי ודיאסטולי. צריכת החמצן נמדדה ברציפות כהפרש הצמוד תכולת החמצן בין perfus פרוזדורים שמאלאכול קולחי עורק הריאה. תרופות להיבדק היו חדורות לבלוק פרוזדורי השמאל, ושינויים ביצועים לב ואת חילוף חומרים של חמצן נמדדו ולעומת בסיס שקדם מייד.
מודל הלב עובד זה מאפשר הערכה של ביצועי חדרית עם שליטה מלאה של חדרית preload ו afterload, מתח החמצן של perfusate, כמו גם קצב הלב. בין יתר, הוא מתיר הערכה של השפעות שריר לב הפנימיות של תרופות אינוטרופיות עצמאיות של afterload ו preload, אשר בדרכים שאינן אפשריים באמצעות מודל vivo. בגלל המודל הזה מנצל perfusate גְבִישָׁן, הוא מתיר הערכה שריר הלב בלי התערבות המוגלובין, לפשט ניתוח ספקטרוסקופיות של מדינות אנרגיה שריר הלב, למשל. 14 במודל זה, אטריום ימין אינה cannulated כחלק המכשור שלנו, למרות שזה אפשרי כדי לעשות זאת. אנחנו בכוונה בוחרים שלא לעשות זאת על מנת להקל על הדגימה של זרימת סינוס כלילית להערכת צריכת חמצן של שריר לב. חשוב לציין, כי, בלב התקין עדיין מבצע עבודות לחצו ונפח במודל זה כפי שהוא שואב את השיתוףסינוס ronary לזרום לתוך צינורית עורק הריאה. מתן כמה preload החדר הימני משפר מיצוב של מחיצת האף חדרית ומשפר את ביצועי החדר השמאלי, והוא מהווה מרכיב חשוב של מודל זה. 15
ישנן מספר מלכודות ניסיון לדבר. הראשון הוא cannulation המדרדר הראשוני, שאמורה להתבצע דחופה (כלומר, תוך פחות מ -2 דקות) כדי למזער את תקופת איסכמיה. המיומנות החשובה ביותר כדי להתמחות הוא בידוד יעיל, הכנה וטיפול של האאורטה עולה. חשוב כי הגדם אבי העורקים לא יקוצצו קצר מדי, משאיר מקום מספיק עבור cannulation מעל שסתום אבי העורקים. עם זאת, חשוב גם כי גדם אב העורקים לא יהיה ארוך מדי, דבר שיכול לגרום torqueing של אב העורקים סביב הצינורית. כמו כן, חשוב כי צינורית האאורטה שורש האאורטה להיות כראוי גודל בהתאמה. אבי העורקים גדול יתר על המידה על צינורית קטנה יכולה גםלהוביל torqueing של שורש האאורטה על הצינורית. העורק הימני subclavian בדרך כלל לוקח מן האאורטה עולה כ 7 מ"מ מעל שסתום אבי העורקים. זיהוי כלי brachiocephalic (כ 1 מ"מ קוטר) במהלך דיסקציה הזמירה של האאורטה לשרת ציוני דרך חשובה ובאשר חתך-רוחב אב העורקים. זמירת האאורטה ממש מתחת ההמראה של העורק brachiocephalic הראשון רצויה. הכללה של כלי זה שורש האאורטה גזוז בדרך כלל מוביל לדליפת KHB, ואובדן לחץ שורש האאורטה במעברם למצב הלב עובד.
היבט נוסף מאתגר מבחינה הטכנית של cannulation הוא cannulation פרוזדורי השמאל. למרות שזה אינו ריאלי cannulate תוספת פרוזדורי השמאל, מצאנו כי הצינורית לעתים קרובות נתקעה בתוך התוספת, לא עוברת בקלות לתוך הגוף של הפרוזדור השמאלי. לפיכך, אנו מעדיפים לבצע את החתך בגוף של הפרוזדור השמאלי, כ2 מ"מ ינעל חריץ החדרים והעליות. חשוב למקם את צינורית פרוזדורי השמאל במישור של ממש לפני כניסה כדי למנוע קריעה של אטריום דקות קיר כאשר הבטיח הצינורית.
מצאנו כי הגודל האידיאלי של חתך אטריום שמאל היה כ -3 מ"מ. יצירה קטנה מדי של חתך עלולה גם להפוך את המיקום של צינורית פרוזדורים שמאל יותר קשה, ועלולה להוביל קריעה של הפרוזדור השמאלי. אנו משתמשים מ"מ ישר, 8, חתיכת משופעים של צינורות חמצן-חדיר (מ"מ פנימי בקוטר 2.9) על בלוק פרוזדורי השמאל. מצאנו כי באמצעות זה, ולא צינורית עם קצה משופע, מוביל cannulation פרוזדורים העקבי ביותר ומקל את התהליך הבטיח לחסום פרוזדורי השמאל. לא משנה של הצינור בשימוש, חשוב להבטיח כי בסופו של הצינור אינו האפיל על ידי מחצה הפרוזדורים או שסתום צניפי (כפי שהוא מתואר לעיל, מצאנו כי עקיבת לחץ פרוזדורי השמאל הייתה מועילה REGA זהrd), כמו גם בתנועה עדינה של צינורית פרוזדורים יכול לשנות preload החדר השמאלי משמעותית ומדידות המודינמי שהתקבל. מאותה הסיבה, חשוב להבטיח כי הפרוזדור השמאלי לא להדליף בא לאחר פתיחת בלוק פרוזדורי השמאל. חשוב ללא תלות בסוג של צינורות בשימוש על מנת להבטיח כי הצינורות בתוך מערכת זו הוא חמצן בלתי חדיר על מנת להבטיח אספקת חמצן נאותה ללב.
היבט נוסף מאתגר מבחינה טכנית של ההליך היה המיקום של קטטר בנפח הלחץ (PV). אנחנו בתחילה מועדף הנפקה מדרדרת של הקטטר דרך בלוק אב העורקים. למרות שהדבר אפשרי מבחינה טכנית, מצאנו אותו להיות הרבה יותר פשוט ומועיל למקם את הקטטר PV באמצעות לנקב transapical. יש להקפיד לפקח על המיקום של קטטר לאורך כל תקופת הניסוי, כמו בזמנים הקטטר עשוי לנוע פנימה או החוצה של החדר השמאלי. ניתן לעשות זאת על ידי ניטור pressuמחדש, שרטוטים נפחו לאורך זמן.
לבסוף, יש להקפיד על מנת להבטיח כי פתרון KHB נוצר טרי עבור כל ניסוי. אפשר לשקול את המרכיבים של KHB ולאחסן אותם צינורות חרוטים בצורת אבקה מראש. ביום של ניסויים, עשויים להיות מעורבים אלה עם מים סטריליים, מסוננים, דו תחמוצת הפחמן / חמצן, ולאחר מכן סידן הוסיף לתערובת. כמו כן, חשוב לשטוף את המערכת עם חומר ניקוי אבקה פעיל אנזים כגון Tergazyme (או דומה) ולהחליף את מסנן perfusate בקביעות.
מספר מגבלות של הכנה ניסיוני זה יצוין. ראשית, בדומה לכל הכנות Langendorff-perfused גְבִישָׁן, KHB ו perfusates asanguinous האחר יש חמצן נושאת ביחס קיבולת פחתה משמעותית לדם. אמנם זה הוא מתוגמל באופן חלקי באמצעות התרחבות כלילית ותזרים כלילית supraphysiologic, ההכנה היא לא לגמרי physiologiג מסיבה זו. שנית, בגלל התאימות כמעט האינסופית של חדר Windkessel בשימוש בכלי זה, לחצי סיסטולי ודיאסטולי הם רק מופרדים מינימאליים (ראה איור 2 א) וכך לחץ זלוף כלילית הוא הלא פיסיולוגי. זה תהא ניתנת לסתירה דגמים עתידיים על ידי שילוב מרכיב elastance לבלוק afterload. שלישית, כמו עם כל הכנות הלב המבודדות, בלב עובר תקופה מוגדרת (2 – 3 דקות) של איסכמיה חמה אשר עשוי ליצור פציעה או חוסר תפקוד שריר לב. מזעור פגיעה זו באמצעות תרגול של הטכניקה הוא בעל חשיבות עליונה לתוצאות נציג. יתר על כן, למרות צורך על צער בעלי חיים, הרדמה נשאפת עשויה לשמש מדכא שריר לב בשלב מוקדם של תהליך רה-פרפוזיה, למרות שזה צפוי כי האפקט הזה הוא בוטל מהר ככל הלב reperfused עם KHB.
מערכת הלב עובד תיאר מאפשרת מגוון רחב של Physiolחקירות ogic רלוונטיות טיפול, מחקר והוראה חולים. עם כמה שינויים נוספים, המערכת יכולה לשמש גם כדי לדמות פיזיולוגיה חשובה רלוונטית מחלת לב מולדת, כוללים יתר לחץ דם ריאתי ופיזיולוגית חדר יחיד. ההגבלות כוללות שזה הכנה vivo לשעבר, כי הלב מתבצעת perfused ידי חיץ במקום דם תוכן גבוה-חמצן.
The authors have nothing to disclose.
ציוד הניסויים שתוארו כאן מומנו על ידי המחלקה לקרדיולוגיה בבית החולים לילדים בבוסטון ובבית ידי תרומות פילנתרופיות ממשפחת Haseotes. אנו מודים בני הזוג. פרנק מק'גוון Huamei הוא לספק לנו חוויות מוקדמות עם המודל הזה, וכדי לינדזי תומסון לסיוע עם יצירות אמנות.
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | 8.401 g/4 L |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich | E6758 | 0.744 g/4 L |
Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P9333 | 1.580 g/4 L |
Magnesium sulfate | Sigma-Aldrich | M7506 | 0.578 g/4 L |
Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | P2256 | 0.220 g/ 4 L |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | 27.584 g/4 L |
Dextrose | Sigma-Aldrich | D9434 | 7.208 g/4 L |
Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | C7902 | 1.470 g/4 L |
Biventricular working heart model | Harvard Apparatus | IH-51 | |
Pressure volume catheter | Millar, Inc | SPR-944-1 | 6 mm spacing catheter used |
LabChart Pro 8 | AD Instruments | Version 8.1 |