Nya perkutanmetod för utplacering av 3D-tryckta kranskärlstenosimplantat i svinmodeller av ischemisk hjärtsjukdom
Summary
Vi beskriver en ny, kostnadseffektiv och effektiv teknik för perkutan leverans av tredimensionellt tryckta kranskärlsimplantat för att skapa slutna bröstsvinmodeller av ischemisk hjärtsjukdom. Implantaten var fast på plats med hjälp av en mor-och-barn förlängning kateter med hög framgång.
Abstract
Minimalt invasiva metoder för att skapa modeller av brännkorre förträngning hos stora djur är utmanande. Rapid prototyping med tredimensionellt (3D) tryckta kranskärl implantat kan användas för att perkutant skapa en brännvidd födans pylorusstenos. Tillförlitlig leverans av implantaten kan dock vara svårt utan användning av tillhörande utrustning. Vi beskriver användningen av en mor-och-barn koronar guide kateter för stabilisering av implantatet och för effektiv leverans av 3D-tryckt implantat till önskad plats längs längden på kranskärlen. Den bränndjur smitta bekräftades under kranskärlsförbränning och den funktionella betydelsen av koronarstenos bedömdes med gadolinium-förbättrad första pass hjärt perfusion MRI. Vi visade att tillförlitlig leverans av 3D-tryckta kranskärl svinmodeller (n = 11) av ischemisk hjärtsjukdom kan uppnås genom att återanvända mor-och-barn kranskärlsguide katetrar. Vår teknik förenklar perkutan leverans av kranskärlsimplantat för att skapa slutna bröst svin modeller av bränndjur kranskärl stenos och kan utföras snabbt, med en låg procedurmässig felfrekvens.
Introduction
Ischemisk hjärtsjukdom fortsätter att vara den främsta dödsorsaken i USA1. Stora djurmodeller har använts experimentellt för att förstå och karakterisera mekanismer som driver kranskärlssjukdom (CAD) och tillhörande komplikationer (inklusive hjärtinfarkt, arytmiska händelser och hjärtsvikt), samt för testning av nya terapeutiska eller diagnostiska metoder. Resultaten från dessa studier har bidragit till att bredda förståelsen, diagnosen och övervakningen av ischemisk hjärtsjukdom och att främja klinisk praxis2. Flera djurmodeller, inklusive kaniner, hundar och svin, har använts. Emellertid, kranskärlstenosar, särskilt diskreta skador, förekommer mycket sällan hos dessa djur och är svåra att inducera reproducerbart3. Tidigare arbete beskrev skapandet av konstgjorda koronarstenoses med ligering, ockluders eller externa klämmor. Nyligen beskrev vi hur man använder 3D-utskriftsteknik för att tillverka kranskärl sett implantat som kan användas för att perkutant skapa diskret konstgjordkorre minska4. Med hjälp av datorstödd design programvara, utformade vi kranskärlimplantat som ihåliga rör med varierande inre och yttre diametrar samt implantatlängd och sedan fabricerade dem med kommersiellt tillgängliga tillsatsmaterial. Implantaten är släta, ihåliga, 3D-tryckta rör med rundade kanter. Vi designade ett bibliotek med implantatstorlekar med en rad innerdiameter, ytterdiameter och längd. Implantatets yttre diameter är baserad på storleken på kranskärlsledarens kateter. Den inre diametern är baserad på storleken på en deflaterad födans angioplastik ballong. Vi varierade längden på implantatet för att skräddarsy önskad svårighetsgrad av perfusion. Säker perkutan leverans av sådana anordningar kan dock vara utmanande på grund av bristen på ledningar och katetrar som tillverkas speciellt för stor djuranvändning. Däremot finns en omfattande samling katetrar, ledningar och stödjande utrustning tillgängliga för klinisk användning i humant kranskärl. I detta arbete visar vi hur man återanvänder en klinisk kvalitet mor-och-barn koronar guide kateter för leverans av 3D-tryckta kranskärl.
Den GuideLiner kateter(figur 1A)utvecklades för perkutan koronar intervention (PCI) för att möjliggöra djupa kateter sittplatser och ökat stöd för komplexa fall5. I vår undersökning valdes GuideLiner kateter på grund av förtrogenhet om användning och tillgänglighet, men liknande katetrar, där sådana finns, kan också övervägas. Anses vara en “mor-och-barn” guide kateter(figur 1B), enheten passar inuti en typisk födans guide kateter (“mor”) och är ett koaxiellt flexibelt rör (“barn”). Denna kateter kan införas över en styrtråd och effektivt förlänger räckvidden för en typisk födans guide kateter genom att sträcka sig bortom slutet av koronarguiden. Den GuideLiner eller en liknande mor-och-barn kateter kan användas som extra stöd för utbyggnad av 3D-tryckta kranskärlimplantat. Eftersom implantaten är monterade över angioplastik ballonger som skall införas som en enhet över en kranskärlstråd i fartyget(figur 1B,1C), katetern erbjuder ytterligare stöd för att leverera implantatet till önskad plats. Genom att placera mor-och-barn kateter bara proximala till ballongen, implantatet kvar på önskad plats under ballong deflation och tillbakadragning. Trots att ha en viss fasthet i sin struktur, mor-och-barn katetern unika förmåga att föras djupt in i kranskärl över en guidewire och röntgentäta markör på kateter spetsen var väsentliga egenskaper för implantation.
Vår monterade leveransapparat bestod av en typisk kranskärlsguidekateter, mor-och-barn kateter, och en 3D-tryckt implantat fast på en deflaterad födans angioplastik ballong(figur 1B). Som en funktionell leveransenhet gav mor- och barnkatetern inte bara stabilt ytterligare stöd för leverans av utrustningen utan tillämpades också unikt som en skjuvanordning för att hålla implantaten på plats under deflation och avlägsnande av ballongen. Den röntgentäta markören vid kateterspetsen fungerade som en positioneringsguide för den monterade apparaten och sitter proximala till angioplastyballongen. Dessa egenskaper är tillåtna för exakt användning av flödesbegränsande implantat. Processen var utformad för att vara reproducerbar, effektiv och human för djurämnena.
I vår ansökan användes mor-och-barn perkutan leveransteknik för att skapa svinmodeller med brännkoronstenos för utvärdering av kontrastförstärkt stresshjärtperfusion magnetisk resonanstomografi (MRI). Tekniken kan dock användas i andra undersökningar, inklusive kärlsystem utanför kranskärlen.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta arbete fokuserade vi på en ny perkutan distributionsstrategi för kranskärlsstenos-inducerande implantat och visade att en mor-och-barn kateter kan återanvändas för effektiv perkutan leverans av 3D-tryckta kranskärl. Diskret konstgjorda koronarstenos av varierande svårighetsgrad kan skapas snabbt i svin modeller med hög framgång och på ett minimalt invasivt sätt med hjälp av vanliga mänskliga perkutan koronar interventionella tekniker och utrustning. Dessa implantat visade sig vara säkra i den akuta…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar anställda vid UCLA Translational Research Imaging Center och Department of Laboratory Animal Medicine vid University of California, Los Angeles, CA, USA för deras hjälp. Detta arbete stöds delvis av institutionen för radiologi och medicin vid David Geffen School of Medicine vid UCLA, American Heart Association (18TPA34170049), och 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).
