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 isolerte organer tillater kontroll av fysiologiske forhold utover det som er mulig in vivo. Ex vivo hjertepreparater ble først beskrevet av Otto Langendorff, en som beskrev en isolert modell med retrograd perfusjon. Deretter andre beskrev "Hjertet" modell, der hjertemuskelen utfører både trykk og volum arbeid. 2 Slike preparater har vært medvirkende i å belyse mekanismene for hjerteinfarkt handling, tre hjerteinfarkt metabolisme, 4-6 og effekter av kardio medisiner. 7- 9
Bruk av medisiner som øker hjertets kontraktilitet er vanlig hos kritisk syke pasienter. Men få data som sammenligner de relative effekten av disse medikamentene på kontraktilitet og hjerteinfarkt oksygenforbruk, data som kan være nyttig i behandling av pasienter med kliniske symptomer på hjertesvikt av i den postoperative omgivelser. 10 Men fordi de fleste kardio medisiner påvirker ikke bare hjertemuskelen, men også arteriolar motstand, venøs kapasitans 11, og pasientens metabolic rate, 12 ex vivo isolerte hjerte modeller forbli den optimale metode til å studere effekter av slike medisiner på myokard riktig.
Vi beskriver bruken av en ex vivo-modell for den last uavhengig studie av inotrope medisiner på myokardial funksjon og oksygenforbruk. Hjerter fra Sprague Dawley rotter ble kanylert ved hjelp av venstre ventrikkel arbeider hjerte modell og dynket bruker en modifisert Krebs Henseleit perfusate. Aorta og venstre atrial press ble kontrollert. Trykk-volum impedans kateter ble plassert i den venstre ventrikkel via apikal punktering for kontinuerlig overvåking av systolisk og diastolisk funksjon. Oksygenforbruk ble kontinuerlig målt som indeksert forskjellen i oksygeninnhold mellom venstre atrium perfusspiste og lungearterien avløpsvannet. Medikamenter som skulle testes, ble infusert inn i venstre atrium blokken, og endringer i hjerteytelse og oksygen metabolisme ble målt og sammenlignet med en umiddelbart foregående basislinje.
Denne arbeids hjerte modellen muliggjør vurdering av ventrikkel ytelse med full kontroll av ventrikulær forspenning og afterload, oksygen spenning av perfusatet, samt hjertefrekvens. Blant andre faktorer, tillater det vurdering av iboende hjerteinfarkt effekter av inotrope medikamenter uavhengig av afterload og forspenning, som måter som ikke er mulig ved hjelp av en in vivo modell. Fordi denne modellen benytter en crystalloid perfusate, tillater det vurdering hjertemuskelen uten innblanding fra hemoglobin, forenkle spektroskopiske analyser av hjerteinfarkt energi stater, for eksempel. 14 I denne modellen er høyre atrium ikke cannulated som en del av vår instrumentering, selv om det er mulig å gjøre slik. Vi valgte bevisst å ikke gjøre det for å lette prøvetaking av koronar sinus flyt for vurderingen av hjerteinfarkt oksygenforbruk. Viktigere, skjønt, rett hjerte fremdeles utfører trykk og volum arbeid i denne modellen som det pumper coronary sinus flyte inn i lungearterien kanyle. Gir noen høyre ventrikkel forspenning forbedrer posisjonering av ventrikkel septum og forbedrer venstre ventrikkel ytelse, og er en viktig del av denne modellen. 15
Det er flere eksperimentelle fallgruver å nevne. Den første er den første retrograd kanylering, som skal utføres hensiktsmessig (det vil si i løpet av mindre enn 2 minutter) for å minimalisere den periode av ischemi. Den viktigste ferdigheten å mestre er effektiv isolasjon, tilberedning og håndtering av den oppstigende aorta. Det er viktig at den aortiske stubben ikke bli kuttet overdrevent kort, og etterlater tilstrekkelig rom for kanylering ovenfor aortaventilen. Imidlertid er det også viktig at den aortiske stubben ikke være for lang, noe som kan føre torqueing av aorta rundt kanylen. Det er også viktig at aorta kanylen og aortarot være hensiktsmessig størrelse-matchet. En alt for stor aorta på en liten kanyle kan ogsåføre til torqueing av aortarot på kanylen. Den høyre arteria subclavia vanligvis tar av fra aorta ascendens ca 7 mm over aortaklaffen. Identifisere brachiocephalic fartøy (ca 1 mm i diameter) under disseksjon og trimming av aorta tjene som viktige landemerker for de tverrgående aorta snittet. Trimming aorta like under takeoff av den første brachiocephalic arterie er tilrådelig. Inkludering av dette fartøyet i det trimmede aortarot fører typisk til en lekkasje av KHB, og tap av aortarot trykk ved overgangen til arbeids hjerte-modus.
Et annet teknisk utfordrende aspekt ved kanylering er venstre atrial kanylering. Selv om det er mulig å cannulate venstre atrial vedheng, fant vi at kanylen ofte blir sittende fast i vedheng, og ikke passere inn i kroppen av venstre atrium. Derfor foretrekker vi å lage innsnitt i kroppen av venstre atrium, ca.2 mm overlegen til atrioventrikulær groove. Det er viktig å plassere den venstre atrial kanylen i riktig plan før innsetting, for å unngå å rive den tynne vegger atrium ved fastspenning av kanylen.
Vi har funnet at den ideelle størrelsen av venstre forkammer snittet var omtrent 3 mm. Opprette altfor lite av et snitt kan også gjøre plassering av venstre atrial kanylen vanskeligere, og kan føre til riving av venstre atrium. Vi bruker en rett, 8 mm, med det avskårne stykke av oksygen-ugjennomtrengelige røret (indre diameter 2,9 mm) på venstre atrial blokken. Vi har funnet at ved hjelp av denne, i stedet for en kanyle med en avfaset kant, som fører til mest konsekvente atrial kanylering og forenkler prosessen med å sikre venstre atrial blokken. Uavhengig av produksjonsrøret benyttes, er det viktig å sikre at slangeenden ikke blir tilstoppet av atrial septum eller mitral ventil (som vist ovenfor, har vi funnet at den venstre atrialt trykk tracing var nyttig i denne regard), som selv subtil bevegelse av atrial kanylen kan vesentlig endre venstre ventrikkel forspenning og følge hemodynamiske målinger. Av samme grunn er det viktig å sikre at det venstre atrium ikke lekker følger etter åpning av den venstre atrial blokken. Det er viktig uavhengig av hvilken type av røret brukes til å sikre at slangen i dette systemet er oksygen ugjennomtrengelig for å sikre tilstrekkelig oksygentilførsel til hjertet.
Et annet teknisk utfordrende aspekt av fremgangsmåten var den plassering av den trykk volum (PV) kateteret. Vi først favorisert en retrograd plassering av kateteret gjennom aorta blokken. Selv om det er teknisk mulig, fant vi det å være mye enklere og hensiktsmessig å plassere PV kateter via transapikale punktering. Hensyn må tas for å overvåke posisjonen av kateteret gjennom hele forsøket, som til tider kateteret kan bevege seg inn eller ut av den venstre ventrikkel. Dette kan gjøres ved å overvåke Manometerre og volum tracings over tid.
Til slutt, omsorg bør tas for å sikre at KHB løsning er opprettet frisk for hvert forsøk. Det er mulig å veie ut bestanddeler av KHB og lagre dem i koniske rør i pulverisert form på forhånd. På dagen for eksperimentering, kan disse blandes med sterilt, filtrert vann, karbondioksid / oksygen, og deretter kalsium tilsatt til blandingen. Det er også viktig å vaske systemet med enzymet aktivt pulverisert vaskemiddel som Tergazyme (eller lignende) og erstatte perfusatet filteret regelmessig.
Flere begrensninger i denne eksperimentelle preparat bør bemerkes. Først, i likhet med alle Krystalloide-dynket Langendorff preparater, KHB og andre asanguinous perfusates har en betydelig redusert oksygen bæreevne i forhold til blod. Selv om dette er delvis kompensert gjennom koronar vasodilatasjon og supraphysiologic koronar flow, er preparatet ikke helt fysiologiskc på grunn av dette. For det andre, på grunn av den nesten uendelig overholdelse av Windkessel kammeret som brukes i dette instrumentet, systolisk og diastolisk trykk er bare minimalt separert (se figur 2A) og dermed koronar perfusjonstrykk er ikke-fysiologiske. Dette kan overvinnes i framtidige modeller ved å inkorporere en elastance komponent til afterload blokken. Tredje, som med alle isolerte hjerte forberedelser, gjennomgår hjerte en definert periode (2-3 min) av varm iskemi som er egnet til å skape myocardial skade eller dysfunksjon. Minimere denne skaden gjennom praksis av teknikken er av største betydning for representative resultater. Videre, selv om det er nødvendig for dyrevelferd, kan inhalerte anestetika tjene som et myokardialt undertrykkende tidlig reperfusjon i prosessen, selv om det forventes at denne effekten er raskt oppheves som hjertet er reperfusert med KHB.
Arbeids hjerte system som er beskrevet gjør det mulig for et bredt spekter av Physiologic undersøkelser som er relevante for pasientbehandling, forskning og undervisning. Med noen få ytterligere modifikasjoner, kan systemet også brukes til å simulere viktig fysiologi relevante for medfødt hjertesykdom, inkludert pulmonal hypertensjon og enkelt ventrikkel fysiologi. Begrensninger inkluderer at det er en ex vivo-preparat, at hjertet blir perfusert med en buffer i stedet for en høyere oksygeninnhold blod.
The authors have nothing to disclose.
Utstyr og eksperimenter som er beskrevet her ble finansiert av Department of Cardiology, Boston Children Hospital og ved filantropiske donasjoner fra Haseotes familien. Vi er takknemlige for legene. Frank McGowan og Huamei han for å gi oss med tidlige erfaringer med denne modellen, og til Lindsay Thomson for å få hjelp med kunstverk.
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 |