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).
Die Untersuchung von isolierten Organen erlaubt die Kontrolle von physiologischen Bedingungen über das, was in vivo möglich ist. Ex – vivo – Herzpräparate wurden zuerst von Otto Langendorff beschrieben, 1, der ein isoliertes Modell mit retrograder Perfusion beschrieben. Anschließend anderen beschrieben , das Modell "working heart", in dem das Myokard sowohl Druck- und Volumenarbeit ausführt. 2 Solche Präparate instrumental wurden Mechanismen der myokardialen Wirkung in Aufklären, 3 myokardialen Metabolismus, 4-6 und Wirkungen von kardiotonischen Medikamente. 7- 9
Der Einsatz von Medikamenten, die Kontraktilität verbessern, ist bei kritisch kranken Patienten häufig. Jedoch sind nur wenige Daten verfügbar, um die relativen Wirkungen dieser Medikamente auf die Kontraktilität und den myokardialen Sauerstoffverbrauch, Daten zu vergleichen, die in der Behandlung von Patienten mit klinischen Anzeichen einer Herzinsuffizienz in der postoperativen Einstellung nützlich sein können,10. Da jedoch die meisten kardiotonische Medikamente beeinflussen nicht nur das Myokard, sondern auch arteriolar Widerstand, venöse Kapazität 11 und eine Stoffwechselrate des Patienten 12 ex vivo isolierten Herzmodell bleiben die optimalen Mittel , mit denen die Auswirkungen solcher Arzneimittel auf den zu studieren Myokard richtig.
Wir beschreiben die Verwendung eines ex vivo – Modell für die lastunabhängige Studie inotropen Medikamenten auf die myokardiale Funktion und Sauerstoffverbrauch. Herzen von Sprague Dawley-Ratten wurden unter Verwendung eines linksventrikulären Herzmodell Arbeits kanüliert und perfundiert eine modifizierte Krebs Henseleit Perfusat verwendet. Aortic und links wurden Vorhofdruck gesteuert. Druck-Volumen-Impedanz Katheter wurden für die kontinuierliche Überwachung der systolischen und diastolischen Funktion in den linken Ventrikel über apikalen Einstich platziert. Der Sauerstoffverbrauch wurde als der indexierten Differenz des Sauerstoffgehalts zwischen den linken atrialen perfus kontinuierlich gemessenaß und die Lungenarterie Abwasser. Medikamente werden sollten, wurden in den linken Vorhof Block infundiert getestet, und Veränderungen in der Herzleistung und Sauerstoffmetabolismus wurden mit einer unmittelbar vorhergehenden Basislinie gemessen und verglichen.
Dieses Arbeitsherzmodell erlaubt die Beurteilung der ventrikulären Leistung mit voller Kontrolle über Vorlast und Nachlast, Sauerstoffspannung des Perfusat sowie Herzfrequenz. Unter anderen Faktoren erlaubt es Beurteilung der intrinsischen myokardiale Wirkung von inotrope Medikamente unabhängig von Nachlast und Vorspannung, die Art und Weise , die nicht möglich sind , unter Verwendung eines in – vivo – Modell. Da dieses Modell eine kristalloider Perfusat verwendet, es Beurteilung das Myokard ohne Interferenz von Hämoglobin ermöglicht es , die spektroskopische Analyse der myokardialen Energiezustände zu vereinfachen, zum Beispiel. 14 In diesem Modell wird der rechte Vorhof nicht als Teil unserer Instrumentierung einer Kanüle versehen, obwohl es möglich ist , zu tun. Wir wählten absichtlich nicht so zu tun, um Probenahme von koronaren Sinus Fluss für die Beurteilung der myokardialen Sauerstoffverbrauch zu erleichtern. Wichtig ist aber, führt das rechte Herz immer noch Druck und Volumen der Arbeit in diesem Modell, wie es die Co-Pumpenronary Sinus fließen in die Lungenarterie Kanüle. Eine rechte ventrikuläre Vorspannung Bereitstellung verbessert Positionierung des Ventrikelseptums und verbessert die linksventrikuläre Leistung und ist ein wichtiger Bestandteil dieses Modells. 15
Es gibt mehrere experimentelle Fallen zu nennen. Die erste ist die anfängliche retrograden Kanülierung, die zweckmäßigerweise durchgeführt werden sollte (dh in weniger als 2 min) , um den Zeitraum der Ischämie zu minimieren. Die wichtigste Fähigkeit zu meistern ist die effiziente Isolierung, Herstellung und Handhabung der aufsteigende Aorta. Es ist wichtig, dass die Aortenstumpf nicht übermäßig kurz geschnitten werden, nicht ausreichend Platz für Kanülierung oberhalb der Aortenklappe zu verlassen. Es ist jedoch auch wichtig, dass der Aortenstumpf nicht zu lang sein, die Anziehhülse der Aorta um die Kanüle führen kann. Es ist auch wichtig, dass die Aorta Kanüle und Aortenwurzel geeigneter Größe abgestimmt sein. Eine zu große Aorta auf einer kleinen Kanüle kann auchführen zu Torquen der Aortenwurzel an der Kanüle. Die rechte Subclavia dauert in der Regel von der aufsteigende Aorta ca. 7 mm über der Aortenklappe ab. Die Ermittlung der brachiocephalic Gefäße (ca. 1 mm Durchmesser) bei der Präparation und Beschneiden der Aorta dienen als wichtige Ziele für die Quer Aorten-Schnitt. knapp unter dem Start der ersten brachiocephalic Arterie der Aorta Trimmen ist ratsam. Die Aufnahme dieses Schiffes in der getrimmten Aortenwurzel führt typischerweise zu einer Leckage von KHB und Verlust der Aortenwurzel Druck auf den Übergang in die Arbeits Herz-Modus.
Eine weitere technische Herausforderung Aspekt der Kanülierung ist die linke Vorhof Kanülierung. Obwohl es möglich ist, das linke Herzohr zu kanülieren fanden wir, dass die Kanüle häufig im Anhängsel stecken bleibt, und geht nicht leicht in den Körper des linken Atriums. So bevorzugen wir, den Einschnitt in den Körper des linken Vorhofs zu bilden, ungefähr2 mm überlegen atrioventriculare Nut. Es ist wichtig, die linke Vorhof Kanüle in der richtigen Ebene vor dem Einsetzen, um den dünnwandigen Atrium zu vermeiden, zu positionieren, Reißen, wenn die Kanüle zu sichern.
Wir fanden, daß die optimale Größe des linken Vorhofs Inzision von etwa 3 mm betrug. zu klein eines Einschnitts Erstellen kann auch die Platzierung der linken Herzkanüle erschwert und kann zum Reißen des linken Vorhofs führen. Wir verwenden eine gerade, 8 mm, abgeschrägte Stück sauerstoffundurchlässigen Schlauch (Innendurchmesser 2,9 mm) auf der linken Vorhofblock. Wir haben festgestellt, dass diese, anstatt eine Kanüle mit einer abgeschrägten Kante, führt zu beständigsten atrial Kanülierung und erleichtert den Prozess des linksatrialen Block sichern. Unabhängig von der Rohrleitung verwendet wird, ist es wichtig zu gewährleisten, dass das Ende des Rohres nicht durch die atriale Septum oder die Mitralklappe verschlossen ist (wie oben dargestellt, fanden wir, dass die linke atriale Druck Verfolgung in diesem rega hilfreich warrd), als auch subtile Bewegung der Vorhof Kanüle deutlich linksventrikulären Vorbelastung und die daraus resultierenden hämodynamischen Messungen verändern. Aus dem gleichen Grund ist es wichtig, um sicherzustellen, dass der linke Vorhof mit der linken nach dem Öffnen Vorhofblock nicht folgende entweicht. Es ist wichtig, unabhängig von der Art des Schlauches verwendet, um sicherzustellen, dass der Schlauch in diesem System ist Sauerstoff undurchlässig für ausreichende Sauerstoffversorgung des Herzens gewährleisten.
Eine weitere technische Herausforderung Aspekt des Verfahrens war die Platzierung des Druck-Volumen (PV) Katheter. Wir begünstigt zunächst ein retrograder Plazierung des Katheters durch den Aorta Block. Obwohl technisch machbar, wir fanden es viel einfacher und sinnvoll sein, um die PV-Katheter über Transapikal- Einstich zu platzieren. Sorgfalt muss die Position des Katheters während der gesamten Dauer des Experiments zu überwachen genommen werden, da manchmal kann der Katheter in das oder aus dem linken Ventrikel zu bewegen. Dies kann durch Überwachung der pressu geschehenre und Volumen Kurven über die Zeit.
Schließlich sollte darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass KHB Lösung für jedes Experiment frisch erstellt wird. Es ist möglich, die Bestandteile von KHB abzuwiegen und speichern sie in konische Röhrchen in Pulverform vor der Zeit. Am Tag des Experiments, mit sterilem, gefiltertes Wasser, Kohlendioxid / Sauerstoff, und dann können diese Calcium zu der Mischung zugegeben gemischt werden. Es ist auch wichtig, das System mit Enzym aktiv Waschpulver wie Tergazyme (oder ähnlich) und ersetzen Sie das Perfusat Filter regelmäßig zu waschen.
Mehrere Grenzen dieser Versuchsvorbereitung zu beachten. Erstens, ähnlich wie bei allen kristalloider perfundierter Langendorff-Präparate, KHB und andere asanguinous perfusates haben eine deutlich verminderte Sauerstofftransportfähigkeit in Bezug auf Blut. Obwohl dies teilweise durch koronare Vasodilatation und supraphysiologischen Koronarfluss kompensiert wird, ist die Herstellung nicht vollständig physiologic aus diesem Grund. Zweitens, wegen der nahezu unendlichen Nachgiebigkeit der Windkesselraum in diesem Instrument verwendet wird , werden nur die systolischen und diastolischen Druck minimal voneinander getrennt und damit die koronare Perfusionsdruck ist nicht physiologischen (siehe 2A). Dies kann in zukünftigen Modellen durch Einbau einer elastance Komponente zur Nachbelastung Block überwunden werden. Drittens, wie bei allen isolierten Herzpräparationen erfährt das Herz einen definierten Zeitraum (2 bis 3 min) von warmer Ischämie die wahrscheinlich myokardialer Verletzung oder Dysfunktion zu schaffen. diese Verletzung durch die Praxis der Technik zu minimieren ist von größter Bedeutung für repräsentative Ergebnisse. Obwohl ferner notwendig für den Tierschutz, kann inhalativen Anästhetika als myokardiale Unterdrückungs in den frühen Reperfusion Prozess dienen, obwohl erwartet wird, dass dieser Effekt schnell wie das Herz mit KHB Reperfusion wird abgeschafft wird.
Die Arbeitsherz beschriebene System ermöglicht eine große Vielfalt von physiologic Untersuchungen relevant für die Patientenversorgung, Forschung und Lehre. Mit einigen zusätzlichen Modifikationen kann das System auch wichtig Physiologie zu simulieren relevant kongenitaler Herzkrankheit, einschließlich der pulmonalen Hypertonie und Einzel Ventrikel Physiologie verwendet werden. Einschränkungen umfassen , dass es eine ex – vivo – Herstellung ist, dass das Herz durch einen Puffer anstelle eines höheren Sauerstoffgehalt Blut perfundiert wird.
The authors have nothing to disclose.
Die Ausrüstung und die hier beschriebenen Experimente wurden von der Abteilung für Kardiologie, Boston Kinderkrankenhaus und von philanthropischen Spenden aus der Haseotes Familie finanziert. Wir danken Drs. Frank McGowan und Huamei er für uns mit frühen Erfahrungen mit diesem Modell bieten, und Lindsay Thomson für die Unterstützung mit Grafik.
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 |