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).
Studiet av isolerade organ medger kontroll av fysiologiska betingelser utöver vad som är möjligt in vivo. Ex vivo hjärtpreparat beskrevs först av Otto Langendorff, en som beskrev en isolerad modell med retrograd perfusion. Därefter andra beskrev "arbets hjärta" modell, där hjärtmuskeln utför både tryck och volym arbete. 2 Sådana preparat har varit avgörande för att belysa mekanismerna för hjärtinfarkt åtgärder, 3 myocardial metabolism, 4-6 och effekter av kardiotoniska läkemedel. 7- 9
Användningen av läkemedel som förbättrar hjärtkontraktilitet är vanligt i kritiskt sjuka patienter. Men några data som jämför de relativa effekterna av dessa läkemedel på kontraktilitet och syreförbrukning, uppgifter som kan vara användbara i vården av patienter med kliniska tecken på hjärtsvikt av under den postoperativa miljö. 10 Eftersom de flesta hjärtstimulerande läkemedel påverkar inte bara hjärtmuskeln, men också arteriolar motstånd, venös kapacitans 11 och en patients ämnesomsättning, 12 ex vivo isolerade hjärt modeller förblir optimala medel för att studera effekterna av sådana läkemedel på myokardium korrekt.
Vi beskriver användningen av en ex vivo modell för lastoberoende studie av inotropa läkemedel på hjärtmuskelfunktionen och syreförbrukning. Hjärtan från Sprague Dawley råttor med kanyl med hjälp av en vänsterkammar arbetar hjärta modell och perfusion med hjälp av en modifierad Krebs Henseleit perfusat. Aorta och vänster förmak tryck kontrollerades. Tryck-volym impedans katetrar placerades i den vänstra kammaren via apikala punktering för kontinuerlig övervakning av systoliskt och diastoliskt funktion. Syreförbrukningen mättes kontinuerligt som den indexerade skillnaden i syrehalt mellan vänster atriella perfusåt och lungartären utflödet. Mediciner som skulle testas infunderades in i vänstra förmakets blocket, och förändringar i hjärtverksamhet och syremetabolism mättes och jämfördes med en omedelbart föregående baslinjen.
Detta arbets hjärta modellen kan bedömningen av kammar prestanda med full kontroll över kammar förspänning och efterbelastning, syre spänning perfusatet, samt hjärtfrekvens. Bland andra faktorer, tillåter den bedömning av de inneboende hjärt effekterna av inotropa läkemedel oberoende av afterload och förspänning, vilka sätt som inte är möjligt med hjälp av en in vivo-modell. Eftersom denna modell utnyttjar en kristalloid perfusat, tillåter det bedömningen myokardiet utan inblandning från hemoglobin, vilket förenklar spektroskopisk analys av hjärtenergitillstånd, till exempel. 14 I denna modell, är det högra förmaket inte kanyl som en del av vår instrumentering, även om det är möjligt att göra så. Vi valde avsiktligt att inte göra det för att underlätta provtagning av sinus coronarius flödet för bedömning av myokardial syreförbrukning. Viktigt är dock fortfarande utför höger hjärttrycket och volym arbete i denna modell som det pumpar coronary sinus strömma in i lungartären kanylen. Ge några högerkammar förspänning förbättrar positioneringen av kammarskiljeväggen och förbättrar vänsterkammar prestanda, och är en viktig del av denna modell. 15
Det finns flera experimentella fallgropar att nämna. Den första är den första retrograd kanyle, som ska utföras ändamålsenligt (dvs. på mindre än två minuter) för att minimera tiden för ischemi. Den viktigaste färdighet att bemästra är effektiv isolering, förberedelse och hantering av stigande aorta. Det är viktigt att aortastumpen inte skäras överdrivet kort, vilket lämnar tillräckligt med utrymme för kanylering ovanför aortaklaffen. Det är emellertid också viktigt att aortastumpen inte vara för lång, vilket kan orsaka torqueing av aorta runt kanylen. Det är också viktigt att aortan kanylen och aortaroten ha lämpliga storleken matchade. En alltför stor aorta på en liten kanyl kan ocksåleda till torqueing av aortaroten på kanylen. Den högra subklavikulära artären tar vanligtvis av från aorta ascendens ca 7 mm ovanför aortaklaffen. Identifiera brachiocephalic fartyg (ca 1 mm i diameter) under dissekering och trimning av aorta är viktiga landmärken för den tvärgående aorta snitt. Trimma aorta strax under starten av den första brachiocephalic artären är tillrådligt. Införande av detta kärl i den trimmade aortaroten leder vanligtvis till ett läckage av KHB, och förlust av aortaroten press på övergången till arbets hjärta läge.
En annan tekniskt utmanande aspekt av kanyle är den vänstra förmakskanyle. Även om det är möjligt att cannulate vänstra förmakets bihang, fann vi att kanylen ofta fastnar i bihang, och passerar inte lätt in i kroppen av vänster förmak. Sålunda föredrar vi att göra snittet i kroppen av det vänstra förmaket, approximativt2 mm som är överlägsna den atrioventrikulära spåret. Det är viktigt att positionera vänstra förmakets kanyl i rätt plan före insättning för att undvika att riva den tunnväggiga atrium vid säkring av kanylen.
Vi fann att den ideala storleken på vänster förmak incision var ungefär 3 mm. Skapa alltför små av ett snitt kan också göra placeringen av vänstra förmakets kanyl svårare, och kan leda till sönderslitning av det vänstra förmaket. Vi använder en rak, 8 mm, avfasade bit av syre ogenomträngligt slang (innerdiameter 2,9 mm) på vänster förmak blocket. Vi har funnit att användningen av denna, i stället för en kanyl med en avfasad kant, leder till mest konsekventa förmakskanyle och underlättar processen för att säkra den vänstra förmaks blocket. Oberoende av slangar som används, är det viktigt att se till att i slutet av slangen inte är tilltäppt av förmaks septum eller mitralisklaffen (såsom beskrivs ovan, fann vi att den vänstra förmak spårning var till hjälp i detta Regard), som även subtila rörelse förmaks kanylen kan avsevärt ändra vänsterkammar förspänning och resulterande hemodynamiska mätningar. Av samma anledning är det viktigt att säkerställa att det vänstra förmaket inte läcker efter efter att ha öppnat den vänstra förmaks blocket. Det är viktigt, oberoende av vilken typ av slangar som används för att säkerställa att slangen inom detta system är syre ogenomträngligt för att säkerställa tillräcklig syretillförsel till hjärtat.
En annan tekniskt utmanande aspekt av förfarandet var placeringen av tryck volym (PV) kateter. Vi ansåg att man inledningsvis en retrograd placering av katetern genom aortablocket. Även tekniskt möjligt, vi funnit det vara mycket enklare och ändamålsenligt att placera PV katetern via transapical punktering. Man måste vara försiktig för att övervaka positionen av katetem under hela experimentets varaktighet, som ibland katetern kan röra sig in i eller ut ur den vänstra ventrikeln. Detta kan göras genom att övervaka pressure och volym kurvor över tid.
Slutligen bör man se till att KHB lösning skapas färsk för varje experiment. Det är möjligt att väga ut beståndsdelarna i KHB och lagra dem i koniska rör i pulverform i förväg. På dagen för experimenterande, kan dessa blandas med sterilt, filtrerat vatten, koldioxid / syre, och sedan kalcium tillsättes till blandningen. Det är också viktigt att tvätta systemet med enzymets aktiva pulveriserade rengöringsmedel såsom Tergazyme (eller liknande) och byt perfusatet filtret regelbundet.
Flera begränsningar av denna experimentella beredning bör noteras. Först, i likhet med alla kristalloida-perfusion Langendorff preparat KHB och andra asanguinous perfusat har en betydligt minskad syrebärande kapacitet i förhållande till blod. Även om detta delvis kompenseras genom kranskärlsutvidgning och supraphysiologic koronarflödet, är framställningen inte helt fysiologic av detta skäl. För det andra, på grund av den nästan oändliga överensstämma Windkessel kammare som används i detta instrument, systoliskt och diastoliskt tryck endast minimalt åtskilda (se figur 2A) och därmed koronarperfusionstrycket är icke-fysiologiska. Detta kan övervinnas i framtida modeller genom att införliva en elasticiteten komponent till afterload blocket. För det tredje, som med alla isolerade hjärtpreparat, genomgår hjärta en definierad period (2-3 minuter) varm ischemi som sannolikt kommer att skapa hjärtmuskelskada eller dysfunktion. Minimera denna skada genom tillämpning av teknik är av yttersta vikt att representativa resultat. Vidare, även om det behövs för djurskydd kan inhalationsanestetika fungera som en myocardial suppressant tidigt i reperfusion processen, men det förväntas att denna effekt snabbt avskaffas hjärtat reperfuseras med KHB.
Arbets hjärta beskrivna systemet gör det möjligt för en mängd olika Physiologic undersökningar som är relevanta för vård, forskning och undervisning. Med några ytterligare ändringar, kan systemet också användas för att simulera viktiga fysiologi relevant för medfödd hjärtsjukdom, inklusive pulmonell hypertension och enda kammare fysiologi. Begränsningar inkluderar att det är en ex vivo-framställning, att hjärtat är under perfusion av en buffert istället för en högre-syrehalt blod.
The authors have nothing to disclose.
Utrustningen och experiment som beskrivs här finansierades av Institutionen för kardiologi, Boston Barnsjukhus och filantropiska donationer från Haseotes familjen. Vi är tacksamma för Dr.. Frank McGowan och Huamei Han för att förse oss med tidiga erfarenheter med denna modell, och Lindsay Thomson för att få hjälp med konstverk.
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 |