Roman Perkutan Tilnærming for distribusjon av 3D trykt koronar Stenose implantater i Swine Modeller av iskemisk hjertesykdom
Summary
Vi beskriver en ny, kostnadseffektiv og effektiv teknikk for perkutan levering av tredimensjonalt trykte koronarimplantater for å skape lukkede svinemodeller av iskemisk hjertesykdom. Implantatene ble fikset på plass ved hjelp av et mor-og-barn forlengelse kateter med høy suksessrate.
Abstract
Minimalt invasive metoder for å lage modeller av fokal koronar innsnevring i store dyr er utfordrende. Rask prototyping ved hjelp av tredimensjonalt (3D) trykte koronarimplantater kan brukes til å perkutane skape en fokal koronar stenose. Pålitelig levering av implantatene kan imidlertid være vanskelig uten bruk av tilleggsutstyr. Vi beskriver bruken av en mor-og-barn koronar guide kateter for stabilisering av implantatet og for effektiv levering av 3D trykt implantat til ønsket sted langs lengden av koronar fartøyet. Fokal koronar innsnevring ble bekreftet under koronar cineangiografi og den funksjonelle betydningen av koronar stenose ble vurdert ved hjelp av gadolinium-forbedret første-pass hjerte perfusjon MR. Vi viste at pålitelig levering av 3D-trykte koronarimplantater i svinemodeller (n = 11) av iskemisk hjertesykdom kan oppnås gjennom repurposing mor-og-barn koronar guide katetre. Vår teknikk forenkler perkutan levering av koronarimplantater for å lage lukkede svinemodeller av fokal koronarstenose og kan utføres raskt, med lav prosessuell sviktrate.
Introduction
Iskemisk hjertesykdom fortsetter å være den viktigste dødsårsaken i USA1. Store dyremodeller har blitt brukt eksperimentelt for å forstå og karakterisere mekanismer som driver koronarsykdom (CAD) og tilhørende komplikasjoner (inkludert hjerteinfarkt, arytmiske hendelser og hjertesvikt), samt for testing av nye terapeutiske midler eller diagnostiske modaliteter. Resultater fra disse studiene har bidratt til å utvide forståelsen, diagnosen og overvåkingen av iskemisk hjertesykdom og for å fremme klinisk praksis2. Flere dyremodeller, inkludert kaniner, hunder og svin, har blitt brukt. Imidlertid forekommer koronarstenoses, spesielt diskrete lesjoner, svært sjelden hos disse dyrene og er vanskelige å indusere reproduserbart3. Tidligere arbeid beskrev etableringen av kunstige koronar stenoses ved hjelp av ligation, okkluder, eller eksterne klemmer. Nylig beskrev vi hvordan du bruker 3D-utskriftsteknologi til å produsere koronarimplantater som kan brukes til å perkutane skape diskret kunstig koronar innsnevring4. Ved hjelp av dataassistert designprogramvare designet vi koronarimplantater som hule rør med varierende indre og ytre diametre samt implantatlengde og fabrikkerte dem ved hjelp av kommersielt tilgjengelige additivmaterialer. Implantatene er glatte, hule, 3D-trykte rør med avrundede kanter. Vi designet et bibliotek av implantatstørrelser med en rekke indre diameter, ytre diameter og lengde. Implantatets ytre diameter er basert på størrelsen på koronarføringskateteret. Den indre diameteren er basert på størrelsen på en deflatert koronar angioplastikk ballong. Vi varierte lengden på implantatet for å skreddersy ønsket alvorlighetsgrad av perfusjon. Sikker perkutan levering av slike enheter kan imidlertid være utfordrende på grunn av mangel på ledninger og katetre produsert spesielt for stor dyrebruk. I motsetning er en omfattende samling av katetre, ledninger og støttende utstyr tilgjengelig for klinisk bruk i menneskelige koronararterier. I dette arbeidet viser vi hvordan man gjenbruker en klinisk grad mor-og-barn koronar guide kateter for levering av 3D trykt koronar implantater.
GuideLiner-kateteret (figur 1A) ble utviklet for perkutan koronarintervensjon (PCI) for å tillate dype katetersitteplasser og økt støtte for komplekse tilfeller5. I vår undersøkelse ble GuideLiner-kateteret valgt på grunn av kjennskap til bruk og tilgjengelighet, men lignende katetre, der det er tilgjengelig, kan også vurderes. Enheten regnes som et “mor-og-barn”-føringskateter (figur 1B),enheten passer inn i et typisk koronar føringskateter (“mor”) og er et koaksialfleksibelt rør (“barn”). Dette kateteret kan settes inn over en ledetråd og effektivt forlenger rekkevidden til et typisk koronar føringskateter ved å strekke seg utover enden av koronarguiden. GuideLiner eller et lignende mor-og-barn-kateter kan brukes som ekstra støtte for utplassering av 3D-trykte koronarimplantater. Fordi implantatene er montert over angioplastikk ballonger som skal settes inn som en enhet over en koronar ledning inn i fartøyet (Figur 1B,1C),kateteret tilbyr ekstra støtte for å levere implantatet til ønsket sted. Ved å plassere mor-og-barn-kateteret bare proksimal til ballongen, forblir implantatet på ønsket sted under ballongdeflasjon og tilbaketrekking. Til tross for å ha noen fasthet til sin struktur, mor-og-barn kateterunike evne til å bli avansert dypt inn i koronararterier over en guidewire og radiopaque markør på kateterspissen var viktige egenskaper for implantasjon.
Vårt monterte leveringsapparat besto av et typisk koronarføringskateter, mor-og-barn-kateteret og et 3D-trykt implantat festet på en deflatert koronar angioplastikkballong (figur 1B). Som en funksjonell leveringsenhet ga mor-og-barn-kateteret ikke bare stabil ekstra støtte for levering av utstyret, men ble også unikt brukt som en klippeenhet for å holde implantatene på plass under deflasjon og fjerning av ballongen. Radiopaque markøren på kateterspissen fungerte som en posisjoneringsføring for det monterte apparatet og sitter proksimal til angioplastikkballongen. Disse egenskapene tillot presis distribusjon av strømningsbegrensende implantater. Prosessen ble designet for å være reproduserbar, effektiv og human for dyreforsøkene.
I vår søknad ble mor-og-barn perkutan leveringsteknikk brukt til å lage svinemodeller med fokal koronarstenose for evaluering av kontrastforbedret stress hjerteperfusjon magnetisk resonansavbildning (MR). Teknikken kan imidlertid brukes i andre undersøkelser, inkludert vaskulære systemer utenfor koronarkarene.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette arbeidet fokuserte vi på en ny perkutan distribusjonsstrategi for koronarstenose-induserende implantater og viste at et mor-og-barn-kateter kan brukes på nytt for effektiv perkutan levering av 3D-trykte koronarimplantater. Diskretkunstigkoronarstenoser av variabel alvorlighetsgrad kan opprettes raskt i svinemodeller med høy suksessrate og på en minimal invasiv måte ved hjelp av standard menneskelige perkutan koronar intervensjonsteknikker og utstyr. Disse implantatene ble vist å være trygge i den akutte in…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker ansatte ved UCLA Translational Research Imaging Center og Department of Laboratory Animal Medicine ved University of California, Los Angeles, CA, USA for deres hjelp. Dette arbeidet støttes delvis av Institutt for radiologi og medisin ved David Geffen School of Medicine ved UCLA, American Heart Association (18TPA34170049), og av Clinical Science Research, Development Council of the Veterans Health Administration ( VA-MERIT I01CX001901).
Materials
| 3D-Printed coronary implants | Study Site Manufactured | ||
| Amiodarone IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| Amplatz Left-2 (AL-2) guide catheter (8F) | Boston Scientific, Marlborough, Massachusetts, USA | ||
| Balance Middleweight coronary wire (0.014" 300cm) | Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA | ||
| COPILOT Bleedback Control valve | Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA | ||
| Esmolol IV solution (1 mg/kg) | Study Site Pharmacy | ||
| Formlabs Form 2 3D-printer with a minimum XY feature size of 150 µm | Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA | ||
| Formlabs Grey Resin (implant material) | Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA | ||
| Gadobutrol 0.1 mmol/kg | Gadvist, Bayer Pharmaceuticals, Wayne, NJ | ||
| GuideLiner catheter (6F) | Vascular Solutions Inc., Minneapolis, Minnesota, USA | ||
| Heparin IV solution | Surface Solutions Laboratories Inc., Carlisle, Massachusetts, USA | ||
| Ketamine IM solution (10 mg/kg) | Study Site Pharmacy | ||
| Lidocaine IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| Male Yorkshire swine (30-45 kg) | SNS Farms | ||
| Midazolam IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| NC Trek over-the-wire coronary balloon | Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA | ||
| Oxygen-isoflurane 1-2% inhaled mixture | Study Site Pharmacy | ||
| Rocuronium IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| Sodium Pentobarbital IV solution (100mg/kg) | Study Site Pharmacy | ||
| Triphenyltetrazolium chloride stain | Institution Pathology Lab |
References
- The US Burden of Disease Collaborators. The State of US Health, 1990-2016: Burden of Diseases, Injuries, and Risk Factors Among US States. The Journal of the American Medical Association. 319 (14), 1444-1472 (2018).
- Liao, J., Huang, W., Lium, G. Animal models of coronary heart disease. The Journal of Biomedical Research. 31 (1), 3-10 (2017).
- Lee, K. T., et al. Production of advanced coronary atherosclerosis, myocardial infarction and “sudden death” in swine. Experimental and Molecular Pathology. 15 (2), 170-190 (1971).
- Colbert, C. M., et al. A Swine Model of Selective Coronary Stenosis using Transcatheter Delivery of a 3D Printed Implant: A Feasibility MR Imaging Study. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine 27th Scientific Sessions. , (2019).
- Kovacic, J., et al. GuideLiner Mother-and-Child Guide Catheter Extension: A Simple Adjunctive Tool in PCI for Balloon Uncrossable Chronic Total Occlusions. Journal of Interventional Cardiology. 26 (4), 343-350 (2013).
- Fabris, E., et al. Guide Extension, Unmissable Tool in the Armamentarium of Modern Interventional Cardiology. A Comprehensive Review. International Journal of Cardiology. 222, 141-147 (2016).
- Gálvez-Montón, C., et al. Comparison of two preclinical myocardial infarct models: coronary coil deployment versus surgical ligation. Journal of Translational Medicine. 12 (1), 137 (2014).
- Koudstaal, S., et al. Myocardial Infarction and Functional Outcome Assessment in Pigs. Journal of Visualized Experiments. (86), 51269 (2014).
- Rissanen, T. T., et al. The bottleneck stent model for chronic myocardial ischemia and heart failure in pigs. American Journal of Physiology. 305 (9), 1297-1308 (2013).
- Bamberg, F., et al. Accuracy of dynamic computed tomography adenosine stress myocardial perfusion imaging in estimating myocardial blood flow at various degrees of coronary artery stenosis using a porcine animal model. Investigative Radiology. 47 (1), 71-77 (2012).
- Schwitter, J., et al. MR-IMPACT: comparison of perfusion-cardiac magnetic resonance with single-photon emission computed tomography for the detection of coronary artery disease in a multicentre, multivendor, randomized trial. European Heart Journal. 29, 480-489 (2008).
- Mahrholdt, H., Klem, I., Sechtem, U. Cardiovascular MRI for detection of myocardial viability and ischaemia. Heart. 93 (1), 122-129 (2007).
- Herr, M. D., McInerney, J. J., Copenhaver, G. L., Morris, D. L. Coronary artery embolization in closed-chest canines using flexible radiopaque plugs. Journal of Applied Physiology. 64, 2236-2239 (1988).
- Rochitte, C. E., Kim, R. J., Hillenbrand, H. B., Chen, E. L., Lima, J. A. Microvascular integrity and the time course of myocardial sodium accumulation after acute infarction. Circulation Research. 87, 648-655 (2000).
- Krombach, G. A., Kinzel, S., Mahnken, A. H., Günther, R. W., Buecker, A. Minimally invasive close-chest method for creating reperfused or occlusive myocardial infarction in swine. Investigative Radiology. 40 (1), 14-18 (2005).
- Suzuki, Y., Yeung, A. C., Ikeno, F. The representative porcine model for human cardiovascular disease. Journal of Biomedical Biotechnology. 2011, 195483 (2010).
- Eldar, M., et al. A closed chest pig model of sustained ventricular tachycardia. Pacing Clinical Electrophysiology. 17, 1603-1609 (1994).
- Reffelmann, T., et al. A novel minimal-invasive model of chronic myocardial infarction in swine. Coronary Artery Disease. 15 (1), 7-12 (2004).
- Haines, D. E., Verow, A. F., Sinusas, A. J., Whayne, J. G., DiMarco, J. P. Intracoronary ethanol ablation in swine: characterization of myocardial injury in target and remote vascular beds. Journal of Cardiovascular Electrophysiology. 5, 422-431 (1994).
- Kraitchman, D., Bluemke, D., Chin, B., Heldman, A. W., Heldman, A. W. A minimally invasive method for creating coronary stenosis in a swine model for MRI and SPECT imaging. Investigative Radiology. 35 (7), 445-451 (2000).
