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 af isolerede organer tillader styring af fysiologiske betingelser, end hvad der er muligt in vivo. Ex vivo hjerte præparater blev først beskrevet af Otto Langendorff, en der beskrev en isoleret model med retrograd perfusion. Efterfølgende andre beskrev "working hjerte" model, hvor myokardiet udfører både tryk og volumen arbejde. 2 Sådanne præparater har været medvirkende til at belyse mekanismer myokardie handling, 3 myokardie stofskifte, 4-6 og effekter af cardiotoniske medicin. 7- 9
Anvendelsen af medikamenter, der kan forbedre myocardial kontraktilitet er almindelig hos kritisk syge patienter. Imidlertid er tilgængelige sammenligne de relative virkninger af disse medikamenter på kontraktilitet og myokardiets iltforbrug, data, som kan være nyttige i behandling af patienter med kliniske tegn på hjertesvigt af i den postoperative indstilling få data. 10. Men fordi de fleste cardiotoniske medicin påvirker ikke kun myokardiet, men også arteriolær modstand, venøs kapacitans 11, og en patients stofskifte, 12 ex vivo isolerede hjerte modeller forbliver de optimale midler til at undersøge effekten af sådanne medikamenter på myocardium korrekt.
Vi beskriver anvendelsen af en ex vivo model for fragten-uafhængig undersøgelse af inotrope lægemidler på myocardial funktion og iltforbrug. Hjerter fra Sprague Dawley rotter blev kanyleret under anvendelse af en venstre ventrikel arbejder hjerte model og perfunderet anvendelse af en modificeret Krebs Henseleit perfusat. Aorta og venstre atrielle tryk blev kontrolleret. Pres volumen impedans katetre blev placeret i den venstre ventrikel via apikal punktering til kontinuerlig overvågning af systolisk og diastolisk funktion. Oxygen forbrug blev kontinuerligt målt som den indekserede forskel i iltindhold mellem venstre forkammer perfusspiste og lungepulsåren spildevand. Medicin, der skal testes, blev infunderet i venstre atrial blok, og ændringer i hjertefunktionen og ilt metabolisme blev målt og sammenlignet med en umiddelbart foregående baseline.
Dette arbejde hjerte model muliggør vurdering af ventrikulær ydeevne med fuld kontrol af ventrikulær preload og afterload, oxygenspænding af perfusatet, samt hjertefrekvens. Blandt andre faktorer den tillader vurdering af de iboende myokardiale virkninger af inotrope medikamenter er uafhængige af afterload og forbelastning, som måder, der ikke er mulig ved hjælp af en in vivo-model. Fordi denne model benytter en krystalloid perfusat, tillader vurdering myokardiet uden indblanding fra hæmoglobin, forenkling spektroskopisk analyse af myokardial energitilstande, f.eks. 14 I denne model er det højre atrium ikke kanyleres som del af vores instrumentering, selvom det er muligt for at gøre det. Vi valgte bevidst ikke at gøre dette for at lette prøvetagning af koronar sinus flow for vurdering af myokardiets iltforbrug. Vigtigst er dog, at højre hjerte stadig udfører tryk og volumen arbejde i denne model som det pumper coronary sinus strømme ind i det pulmonale arterie kanyle. Forudsat nogle højre ventrikel forspænding forbedrer positionering af den ventrikulære septum og forbedrer venstre ventrikel ydeevne, og er en vigtig del af denne model. 15
Der er flere eksperimentelle faldgruber at nævne. Den første er den oprindelige retrograd kanylering, der skal udføres hensigtsmæssigt (dvs. på mindre end 2 minutter) for at minimere den periode iskæmi. Den vigtigste færdighed at mestre er den effektiv isolation, forberedelse og håndtering af den opstigende aorta. Det er vigtigt, at den aortiske stump ikke skæres urimelig kort, efterlader ikke plads til kanylering over aortaklappen. Det er imidlertid også vigtigt, at den aortiske stump ikke være for lang, hvilket kan forårsage nde af aorta omkring kanylen. Det er også vigtigt, at aorta kanyle og aortaroden være passende størrelse-matchet. En overdrevent stor aorta på en lille kanyle kan ogsåføre til nde af aortaroden på kanylen. Den højre subclavia arterie typisk letter fra opstigende aorta ca. 7 mm over aortaklappen. Identifikation af brachiocephale fartøjer (ca. 1 mm i diameter) under dissektion og trimning af aorta er en vigtig pejlemærker for den tværgående aorta indsnit. Trimning aorta lige under start af den første brachiocephale arterie er tilrådeligt. Inddragelse af dette fartøj i den trimmede aorta roden fører typisk til en lækage af KHB, og tab af aorta roden pres på overgangen i arbejdslivet hjerte tilstand.
Et andet teknisk udfordrende aspekt af kanylering er den venstre atrial kanyle. Selv om det er muligt at kanyle venstre atrielle vedhæng, fandt vi, at kanylen ofte sætter sig fast inden vedhænget, og passerer ikke let ind i kroppen af det venstre atrium. Således foretrækker vi at gøre snittet i kroppen af det venstre atrium, ca.2 mm overlegen til atrioventrikulær rille. Det er vigtigt at placere venstre atriumkanyle i den rette plan før indsætning for at undgå at rive det tyndvæggede atrium ved fastgørelse af kanylen.
Vi fandt, at den ideelle størrelse af den venstre atrium indsnit var ca. 3 mm. Skabe for lille af et indsnit kan også gøre placeringen af venstre atriumkanyle vanskeligere, og kan føre til afrivning af venstre atrium. Vi bruger en lige, 8 mm, skrå stykke oxygenuigennemtrængelig rør (indre diameter 2,9 mm) på venstre atrial blok. Vi har fundet, at anvendelse af dette, snarere end en kanyle med en skrå kant, fører til mest konsekvente atrial kanylering og letter processen med at sikre den venstre atrial blok. Uanset den slange, der anvendes, er det vigtigt at sikre, at enden af slangen ikke er okkluderet af den atriale skillevæg eller mitralklappen (som afbildet ovenfor, fandt vi, at den venstre atriale tryk sporing var nyttige i denne Regard), som selv subtil bevægelse af atrial kanyle kan i væsentlig grad ændre venstre ventrikel preload og deraf hæmodynamiske målinger. Af samme grund er det vigtigt at sikre, at det venstre atrium ikke lækker følgende efter åbning af venstre atrial blok. Det er vigtigt, uanset hvilken type slange, der anvendes til at sikre, at slangen af dette system er oxygen uigennemtrængelig for at sikre tilstrækkelig levering oxygen til hjertet.
Et andet teknisk udfordrende aspekt af proceduren var placeringen af trykket-volumen (PV) kateter. Vi oprindeligt gik ind for en retrograd placering af kateteret gennem aorta blok. Selvom det er teknisk muligt, fandt vi det at være meget enklere og hensigtsmæssigt at placere PV kateter via transapical punktering. Der skal udvises omhu for at overvåge positionen af kateteret under hele forsøget, som til tider kan kateteret bevæge sig i eller ud af den venstre ventrikel. Dette kan gøres ved at overvåge tryk lore og volumen tracings over tid.
Endelig bør der drages omsorg for at sikre, at KHB løsning er skabt frisk for hvert forsøg. Det er muligt at afveje bestanddelene af KHB og gemme dem i koniske rør i pulverform i forvejen. På dagen for eksperimenteren, kan disse blandes med sterilt, filtreret vand, carbondioxid / oxygen, og derefter calcium tilsættes til blandingen. Det er også vigtigt at vaske systemet med enzym aktive pulverformige detergent, såsom Tergazyme (eller lignende) og udskift perfusatet filter regelmæssigt.
Flere begrænsninger af denne eksperimentelle præparat bør bemærkes. Først ligner alle krystalloide-perfunderet Langendorff præparater, KHB og andre asanguinous perfusater har en signifikant formindsket ilt bæreevne i forhold til blod. Selv om dette er delvist kompenseres gennem koronar vasodilatation og suprafysiologiske koronar flow, præparatet er ikke helt physiologic af denne grund. For det andet, på grund af den næsten uendelige overensstemmelse windkessel kammer anvendt i dette instrument, det systoliske og diastoliske tryk er kun minimalt adskilt (se figur 2A), og dermed den koronare perfusionstryk er ikke-fysiologisk. Dette kan overvindes i fremtidige modeller ved at inkorporere en elastans komponent til afterload blok. For det tredje, som med alle isolerede hjerte præparater, hjertet gennemgår en defineret periode (2 – 3 min) af varm iskæmi, som sandsynligvis vil skabe myokardieskade eller dysfunktion. Minimering denne skade gennem praksis af teknikken er af allerstørste betydning for repræsentative resultater. Yderligere, selv om nødvendigt for dyrevelfærd, kan inhalerede anæstetika tjene som en myokardie middel tidligt i reperfusion proces, selv om det forventes, at denne effekt hurtigt afskaffes som hjertet er reperfusionerede med KHB.
Arbejdsmiljøet hjerte beskrevne giver mulighed for en bred vifte af Physiologic undersøgelser er relevante for patientpleje, forskning og undervisning. Med et par ekstra modifikationer, kan systemet også bruges til at simulere vigtige fysiologi relevant for medfødt hjertesygdom, herunder pulmonal hypertension og enkelt ventrikel fysiologi. Begrænsninger omfatter, at det er en ex vivo-præparat, at hjertet bliver perfunderet ved en puffer i stedet for et højere iltindhold blod.
The authors have nothing to disclose.
Det udstyr og eksperimenter, der er beskrevet her blev finansieret af Kardiologisk afdeling, Boston Børnehospital og filantropiske donationer fra Haseotes familien. Vi er taknemmelige for Drs. Frank McGowan og Huamei han for at give os tidlige erfaringer med denne model, og Lindsay Thomson for hjælp med illustrationer.
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 |