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).
O estudo dos órgãos isolados permite o controle das condições fisiológicas além do que é possível in vivo. Ex vivo preparações de coração foram descritos pela primeira vez por Otto Langendorff, 1, que descreveu um modelo isolado com perfusão retrógrada. Posteriormente, outros descreveram o modelo "working heart", em que o miocárdio executa tanto o trabalho de pressão e volume. 2 Estas preparações têm sido fundamentais para elucidar os mecanismos de ação do miocárdio, 3 metabolismo miocárdico, 4-6 e efeitos de medicamentos cardiotônicos. 7- 9
O uso de medicamentos que melhoram a contratilidade miocárdica é comum em pacientes criticamente enfermos. No entanto, poucos dados disponíveis comparando os efeitos relativos desses medicamentos na contratilidade e do consumo de oxigênio pelo miocárdio, os dados que podem ser úteis no tratamento de pacientes com sinais clínicos de insuficiência cardíaca de no cenário pós-operatória. 10 No entanto, porque a maioria dos medicamentos cardiotônicos afectam não só o miocárdio, mas também a resistência arteriolar, capacitância venosa 11, e da taxa metabólica de um paciente, 12 ex vivo modelos em corações isolados continuam a ser os meios ideais pelos quais a estudar os efeitos de tais medicamentos no miocárdio adequada.
Descreve-se a utilização de um modelo ex vivo para o estudo independente da carga de fármacos inotrópicos na função do miocárdio e do consumo de oxigénio. Corações de ratos Sprague Dawley foram canulada usando um ventrículo esquerdo trabalhando modelo de coração e perfusão usando um perfusato Krebs Henseleit modificado. pressões da aorta e átrio esquerdo foram controlados. Pressão-volume cateteres de impedância foram colocadas no ventrículo esquerdo através de punção apical para a monitorização contínua da função sistólica e diastólica. O consumo de oxigênio foi continuamente medida como a diferença indexada no teor de oxigénio entre perfus do átrio esquerdocomeram e o efluente da artéria pulmonar. Os medicamentos a serem testados foram infundidas no bloco do átrio esquerdo, e alterações no metabolismo do desempenho cardíaco e oxigénio foram medidos e comparados com uma linha de base imediatamente anterior.
Este modelo de coração de trabalho permite a avaliação do desempenho ventricular com controle total da pré-carga ventricular e pós-carga, tensão de oxigênio do perfusato, bem como a frequência cardíaca. Entre outros fatores, que permite a avaliação dos efeitos do miocárdio intrínsecas de medicamentos inotrópicos independentes da pós-carga e pré-carga, que maneiras que não são possíveis utilizando um modelo in vivo. Porque este modelo utiliza um perfusato cristalóide, que permite a avaliação do miocárdio sem interferência da hemoglobina, o que simplifica a análise espectroscópica de estados de energia do miocárdio, por exemplo. 14 Neste modelo, o átrio direito não é canulada como parte de nossa instrumentação, embora seja possível ao fazê-lo. Nós intencionalmente escolheu não fazê-lo, a fim de facilitar a amostragem de fluxo seio coronário para a avaliação do consumo de oxigênio pelo miocárdio. Importante, porém, o coração direito ainda executa o trabalho pressão e volume neste modelo, uma vez que as bombas de cosinus coronário fluir para dentro da cânula da artéria pulmonar. Fornecendo algum pré-carga do ventrículo direito melhora o posicionamento do septo ventricular e melhora o desempenho do ventrículo esquerdo, e é um componente importante deste modelo. 15
Existem várias armadilhas experimentais de mencionar. A primeira é a canulação retrógrada inicial, a qual deve ser executada de modo expedito (isto é, em menos de 2 min) para minimizar o período de isquemia. A habilidade mais importante mestre é o isolamento eficiente, preparação e manipulação da aorta ascendente. É importante que o coto aórtico não ser cortado excessivamente curto, deixando espaço suficiente para a canulação por cima da válvula da aorta. No entanto, também é importante que o coto aórtico não ser demasiado longo, o que pode causar torqueing da aorta em torno da cânula. Também é importante que a cânula da aorta e da raiz da aorta ser apropriadamente escolhidos de tamanho. Um excessivamente grande aorta em uma pequena cânula também podelevar a torqueing da raiz da aorta na cânula. A artéria subclávia direita normalmente tira da aorta ascendente aproximadamente 7 mm acima da válvula aórtica. Identificar os vasos braquiocefálicos (cerca de 1 mm de diâmetro) durante a dissecção e corte da aorta servem como marcos importantes para a incisão aórtica transversal. Aparar a aorta logo abaixo da decolagem do primeiro artéria inominada é aconselhável. A inclusão deste navio na raiz da aorta aparado geralmente leva a um vazamento de KHB e perda de pressão da raiz da aorta após a transição para o modo de funcionamento do coração.
Outro aspecto tecnicamente desafiador de canulação é a canulação do átrio esquerdo. Embora seja possível para canular o apêndice atrial esquerdo, verificou-se que a cânula frequentemente fica preso dentro do apêndice, e não passar facilmente para dentro do corpo do átrio esquerdo. Assim, prefere-se fazer a incisão no corpo do átrio esquerdo, aproximadamente2 mm superior ao sulco atrioventricular. É importante para posicionar a cânula da auricula esquerda no plano correcto antes da inserção, a fim de evitar que se rasgue o átrio parede fina ao fixar a cânula.
Verificou-se que o tamanho ideal da incisão átrio esquerdo foi de aproximadamente 3 mm. Criando muito pequena de uma incisão também pode fazer a colocação da cânula da auricula esquerda mais difícil, e pode levar à ruptura do átrio esquerdo. Nós usamos um 8 mm, peça reta, chanfrada do tubo de oxigênio-impermeável (diâmetro interno 2,9 mm) no bloco do átrio esquerdo. Verificou-se que utilizando este, em vez de uma cânula com um bordo chanfrado, leva a canulação fibrilação mais consistente e facilita o processo de fixação do bloco átrio esquerdo. Independentemente da tubagem utilizada, é importante para garantir que a extremidade do tubo não é obstruída pelo septo atrial ou a válvula mitral (como acima descrito, verificou-se que o traçado da pressão atrial esquerda foi útil neste Regard), como até mesmo sutil movimento da cânula atrial pode alterar significativamente a pré-carga do ventrículo esquerdo e medidas hemodinâmicas resultantes. Pela mesma razão, é importante para garantir que o átrio esquerdo não vaza seguinte após a abertura do bloco átrio esquerdo. É importante, independentemente do tipo de tubo utilizado para assegurar que o tubo dentro deste sistema é impermeável ao oxigénio para garantir a entrega de oxigénio adequado ao coração.
Outro aspecto um desafio técnico do processo foi a colocação do cateter de pressão-volume (PV). Nós inicialmente favoreceu uma colocação retrógrada do cateter através do bloco da aorta. Embora tecnicamente viável, que encontramos a ser muito mais simples e conveniente para colocar o cateter PV através de punção transapical. Deve ser tomado cuidado para monitorizar a posição do cateter ao longo da duração da experiência, como por vezes o cateter pode mover-se dentro ou para fora do ventrículo esquerdo. Isto pode ser feito através da monitorização do pressuRe e traçados de volume ao longo do tempo.
Finalmente, os cuidados devem ser tomados para garantir que a solução KHB é criado fresco para cada experimento. É possível pesar os constituintes de KHB e armazená-los em tubos cônicos em forma de pó antes do tempo. No dia da experimentação, estes podem ser misturados com água estéril, filtrada, dióxido de carbono / oxigénio, e, em seguida, adição de cálcio à mistura. É também importante para lavar o sistema com um detergente em pó activo da enzima, tais como Tergazyme (ou semelhante) e substituir o filtro perfusato regularmente.
Vários limitações desta preparação experimental, devem ser observadas. Primeiro, semelhante a todas as preparações de Langendorff perfundido-cristalóides, KHB e outras perfusatos asanguinous têm um oxigênio diminuiu significativamente a capacidade de carga em relação ao sangue. Embora esta é parcialmente compensada através da vasodilatação coronária e fluxo coronário suprafisiológica, a preparação não é inteiramente physiologiC por esta razão. Em segundo lugar, devido à conformidade quase infinita da câmara Windkessel utilizado no presente instrumento, as pressões sistólica e diastólica são apenas minimamente separada (ver Figura 2A) e, assim, a pressão de perfusão coronária é não fisiológica. Isto pode ser superado em modelos futuros através da incorporação de um componente Elastância ao bloco de pós-carga. Em terceiro lugar, como com todas as preparações de coração isolado, o coração passa por um período definido (2-3 min) de isquemia quente, que é susceptível de criar lesão miocárdica ou disfunção. Minimizando esta lesão através da prática da técnica é de extrema importância para resultados representativos. Além disso, embora necessário para o bem-estar animal, os anestésicos inalados pode servir como um supressor do miocárdio no início do processo de reperfusão, embora seja esperado que este efeito é rapidamente abolida como o coração é reperfundidos com KHB.
O sistema descrito permite trabalhar o coração para uma ampla variedade de Physiolinvestigações OGIC relevantes para a assistência ao paciente, pesquisa e ensino. Com algumas modificações adicionais, o sistema também pode ser utilizado para simular a fisiologia importante relevante para a doença cardíaca congénita, incluindo a hipertensão pulmonar e fisiologia único ventrículo. As limitações incluem a que é uma preparação ex vivo, que o coração está a ser perfundido por um tampão, em vez de um sangue de conteúdo de oxigénio mais elevado.
The authors have nothing to disclose.
O equipamento e as experiências descritas aqui foram financiados pelo Departamento de Cardiologia do Hospital Infantil de Boston e por doações filantrópicas da família Haseotes. Somos gratos a Drs. Frank McGowan e Huamei Ele por nos fornecer as primeiras experiências com este modelo, e Lindsay Thomson para obter ajuda com trabalhos de arte.
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 |