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Valutazione biventricolare della funzione cardiaca e delle anse pressione-volume mediante cateterismo a torace chiuso nei topi

Published: June 15, 2020 doi: 10.3791/61088
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Medicine, Queen's University

Summary

Di seguito è presentato un protocollo per valutare la funzione cardiaca biventricolare nei topi generando loop pressione-volume (PV) dal ventricolo destro e sinistro nello stesso animale utilizzando il cateterismo toracico chiuso. L'attenzione si concentra sull'aspetto tecnico della chirurgia e sull'acquisizione dei dati.

Abstract

La valutazione della funzione cardiaca è essenziale per condurre ricerche precliniche cardiovascolari e polmonari-vascolari. I loop pressione-volume (PV loops) generati dalla registrazione sia della pressione che del volume durante il cateterismo cardiaco sono fondamentali per valutare la funzione cardiaca sistolica e diastolica. La funzione cardiaca sinistra e destra è strettamente correlata, il che si riflette nell'interdipendenza ventricolare. Pertanto, la registrazione della funzione biventricolare nello stesso animale è importante per ottenere una valutazione completa della funzione cardiaca. In questo protocollo, nei topi viene adottato un approccio al cateterismo cardiaco a torace chiuso, coerente con il modo in cui viene eseguito il cateterismo nei pazienti. Sebbene impegnativa, la strategia del torace chiuso è un approccio più fisiologico, perché l'apertura del torace provoca importanti cambiamenti nel precarico e nel postcarico che creano artefatti, in particolare un calo della pressione sanguigna sistemica. Mentre l'ecocardiografia ad alta risoluzione viene utilizzata per valutare i roditori, il cateterismo cardiaco è prezioso, in particolare quando si valutano le pressioni diastoliche in entrambi i ventricoli.

Di seguito è descritta una procedura per eseguire cicli di pressione-volume (PV) ventricolari sinistri e destri invasivi, chiusi e sequenziali nello stesso animale. I circuiti fotovoltaici vengono acquisiti utilizzando la tecnologia di ammettenza con un catetere pressione-volume di topo e l'acquisizione del sistema pressione-volume. Viene descritta la procedura, a partire dalla dissezione del collo, necessaria per accedere alla vena giugulare destra e all'arteria carotide destra, fino all'inserimento e posizionamento del catetere, e infine all'acquisizione dei dati. Successivamente, vengono discussi i criteri necessari per garantire l'acquisizione di circuiti fotovoltaici di alta qualità. Infine, viene brevemente descritta l'analisi delle anse PV ventricolari sinistra e destra e i diversi parametri emodinamici disponibili per quantificare la funzione ventricolare sistolica e diastolica.

Introduction

Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), le malattie cardiache sono la principale causa di morte in tutto il mondo sia per gli uomini che per le donne 1,2,3. Molti studi si concentrano sulla diagnosi e sul miglioramento della funzione cardiaca compromessa4. Per queste applicazioni, è fondamentale una valutazione di alta qualità e riproducibile della funzione cardiaca. Per valutare le risposte eziologiche e terapeutiche sono necessari dati del catetere ad alta fedeltà e riproducibili. Ad esempio, la valutazione della funzione cardiaca è essenziale per valutare l'efficacia di farmaci e altri trattamenti in modelli preclinici di infarto del miocardio5. Mentre molti studi cardiovascolari si concentrano sulla funzione ventricolare sinistra, la funzione ventricolare destra è anche un determinante critico della capacità funzionale e della prognosi nei pazienti con malattia polmonare-vascolare 6,7. Nei pazienti con insufficienza cardiaca avanzata, le pressioni di riempimento persistentemente elevate sul lato destro e sinistro sono predittive del rischio combinato di morte, ospedalizzazione cardiovascolare e trapianto di cuore8. Nella malattia combinata della valvola aortica e mitrale, la funzione miocardica preoperatoria (riflessa in parametri come l'indice cardiaco e la frazione di eiezione ventricolare sinistra) è il principale predittore di sopravvivenza a lungo termine9. La funzione ventricolare destra è il principale predittore di morbilità e mortalità nell'ipertensione arteriosa polmonare10,11. Pertanto, la valutazione della funzione ventricolare destra è una componente necessaria di uno studio preclinico completo che utilizza modelli di ipertensione arteriosa polmonare12,13,14.

La funzione ventricolare sinistra e destra sono spesso studiate in modo indipendente. Tuttavia, poiché le funzioni dei ventricoli sinistro e destro sono intimamente collegate, è ideale ottenere una valutazione biventricolare della funzione sistolica e diastolica da un unico test15. Ad esempio, il ventricolo destro condivide le fibre oblique nel setto interventricolare con il ventricolo sinistro, che costituisce uno dei collegamenti meccanici tra la funzione contrattile del ventricolo sinistro e destro16,17. Questo fenomeno, noto come interazione ventricolare sistolica, consente alla contrazione ventricolare sinistra di aumentare la contrazione ventricolare destra. Anche le interazioni ventricolari durante la diastole sono importanti. Durante la diastole, il volume di un ventricolo influenza il volume del ventricolo opposto e quindi altera la compliance diastolica e il precarico18,19. In condizioni patologiche, la diminuzione della funzione di un ventricolo o la riduzione del carico di volume possono compromettere direttamente o indirettamente la funzione dell'altro ventricolo20. Come conseguenza dell'interazione ventricolare sistolica, una diminuzione globale della funzione ventricolare sinistra può ridurre le prestazioni contrattili del ventricolo destro15. Nei pazienti con insufficienza cardiaca dovuta alla funzione sistolica ventricolare sinistra e all'aumento della pressione diastolica terminale, la pressione dell'arteria polmonare è elevata, aumentando indirettamente il postcarico del ventricolo destro21,22. Al contrario, l'aumento della pressione ventricolare destra e il sovraccarico di volume nell'ipertensione polmonare grave esercitano una compressione meccanica sul cuore sinistro. Questo appiattimento a forma di D del ventricolo sinistro, causato da uno spostamento verso sinistra del setto interventricolare, riduce i volumi ventricolari sinistri e compromette la funzione sistolica e diastolica 23,24,25,26,27. Pertanto, la valutazione dei ventricoli sinistro e destro è essenziale per valutare la funzione cardiaca globale nei modelli preclinici di malattia umana.

La funzione cardiaca può essere valutata anche mediante ecocardiografia non invasiva, risonanza magnetica per immagini (MRI) e cateterismo invasivo28,29,30. L'ecocardiografia è la modalità di imaging più comunemente utilizzata nella ricerca cardiovascolare perché è relativamente economica e accessibile31. Tuttavia, l'ecocardiografia presenta diverse limitazioni tecniche, tra cui la misurazione indiretta della pressione di riempimento e la limitata capacità di quantificare la funzione diastolica. Inoltre, la qualità dei dati ottenuti dall'ecocardiografia è fortemente dipendente dall'operatore. La risonanza magnetica cardiaca è un'aggiunta relativamente nuova all'armamentario dell'imaging preclinico che ha un grande potenziale per la valutazione quantitativa della funzione biventricolare. La quantificazione con la risonanza magnetica cardiaca è accurata, in quanto non fa ipotesi geometriche di forma ventricolare, a differenza dell'ecocardiografia32. Tuttavia, la piattaforma di imaging MRI è costosa ed è raramente disponibile. Inoltre, l'elaborazione dei dati della risonanza magnetica richiede il supporto qualificato di un fisico o di uno scienziato equivalente, che manca in molti laboratori preclinici33. Allo stesso modo, l'uso della tomografia microcomputerizzata (MicroCT) negli studi preclinici fornisce dati anatomici tridimensionali quantitativi ad alta risoluzione (3D) che possono essere ottenuti in modo non invasivo, consentendo studi longitudinali34. Tuttavia, l'imaging MicroCT richiede l'iniezione di mezzi di contrasto, che sono spesso costosi. Anche la piattaforma di imaging MicroCT, come la risonanza magnetica, è costosa e richiede anche un tecnico qualificato.

Al contrario, il cateterismo è una tecnica invasiva che consiste nell'introduzione di un catetere nel ventricolo destro e/o sinistro per misurare la pressione e/o il volume. Gli strumenti necessari per eseguire il cateterismo cardiaco non sono costosi come l'ecocardiografia, la TC o la risonanza magnetica. Tuttavia, è necessaria una notevole competenza tecnica per il cateterismo e l'anestesia di piccoli animali. Il cateterismo consente valutazioni dirette e accurate della funzione cardiaca28. In questo protocollo, un catetere PV di ammissione viene utilizzato per valutare la funzione cardiaca. Questa tecnologia, basata sulle distinte proprietà di conduttanza elettrica del sangue e del muscolo cardiaco, consente la registrazione simultanea della pressione e del volume all'interno della cavità cardiaca e la generazione di loop PV in tempo reale 5,35. In breve, il catetere è composto sia da elettrodi di eccitazione che da elettrodi di registrazione. Gli elettrodi di eccitazione generano un campo elettrico all'interno del ventricolo destro o sinistro. L'elettrodo di registrazione interno misura la variazione di tensione, che è proporzionale a una variazione di resistenza. La derivazione del volume ventricolare si basa sulla legge di Ohm (tensione = corrente x resistenza) da cui si calcola la conduttanza (cioè l'inverso della resistenza). In questa impostazione, il valore di conduttanza misurato è una combinazione di conduttanza sanguigna e conduttanza muscolare. Nel campo elettrico, il sangue è puramente resistivo mentre il muscolo ha proprietà sia capacitive che resistive. La proprietà capacitiva del muscolo provoca un ritardo temporale nel segnale misurato. Il monitoraggio di questo ritardo, noto come angolo di "fase", segnala l'intrusione del tessuto cardiaco nel campo mentre il cuore si contrae. Questa misurazione è maggiore alla sistole e più bassa alla diastole. Questa proprietà permette la separazione della componente muscolare della conduttanza da quella del sangue e permette una stretta approssimazione dei volumi assoluti sistolici e diastolici. I cicli pressione-volume forniscono una serie di parametri emodinamici che non sono facilmente misurabili con altri metodi, come il semplice cateterismo retrogrado che utilizza cateteri riempiti di liquido per misurare la pressione cardiaca. I loop pressione-volume misurano le pressioni ventricolari, ma forniscono anche dati sulla contrattilità, l'elasticità, la potenza, l'energia e l'efficienza. Inoltre, i circuiti fotovoltaici forniscono solide misurazioni quantitative36. Pertanto, la valutazione della funzione cardiaca mediante loop PV generati dal cateterismo è emersa come il gold standard nella ricerca preclinica37. Inoltre, le tecniche precliniche sono rilevanti per le malattie umane in cui il cateterismo cardiaco, anche se con cateteri riempiti di liquido, è comune. Tuttavia, il cateterismo cardiaco nei roditori richiede un'anestesia impeccabile e una tecnica eccellente per prevenire un'eccessiva perdita di sangue, ipoventilazione o variazioni della temperatura corporea.

Nei pazienti umani, il cateterismo cardiaco viene eseguito in configurazione toracica chiusa e l'accesso vascolare si ottiene attraverso la vena giugulare o succlavia per il ventricolo destro e l'arteria radiale o femorale per il ventricolo sinistro. A causa delle piccole dimensioni dei topi, l'approccio a torace chiuso è spesso impegnativo. Pertanto, gli studi condotti sui topi adottano comunemente un approccio a torace aperto. Questa tecnica prevede l'apertura del torace, esponendo così il cuore, e facilitando l'inserimento del catetere tramite puntura dell'apice ventricolare sinistro e/o destro38. Sebbene questo approccio sia tecnicamente meno impegnativo e abbastanza riproducibile, i suoi principali limiti includono l'emorragia e altre complicanze dell'inserimento apicale dei cateteri e un marcato calo della pressione intracardiaca derivante dall'apertura della cavità toracica alla pressione atmosferica. L'apertura del torace in un roditore ventilato induce una diminuzione di 5-10 mm Hg della pressione sistolica ventricolare sinistra e una diminuzione di 2-5 mm Hg della pressione ventricolare destra39. Pertanto, è stato sviluppato un approccio a torace chiuso che è meno traumatico per il cuore e produce misurazioni più rilevanti dal punto di vista fisiologico che sono più facilmente traducibili in valutazione clinica della funzione cardiaca.

Protocol

Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in conformità con le linee guida etiche e di biosicurezza della Queen's University (ROMEO/TRAQ#6016826). Le procedure seguite sono state eseguite in conformità con le linee guida istituzionali. Questa è una procedura terminale. A causa dell'invasività del cateterismo destro e sinistro, gli animali devono essere soppressi immediatamente dopo l'acquisizione dei dati. L'eutanasia deve essere eseguita secondo le linee guida dell'istituto per gli studi sugli animali.

1. Preparazione e messa a punto sperimentale

  1. Mettere il catetere in una siringa da 10 mL con soluzione fisiologica/eparina, a temperatura ambiente 30 minuti prima di iniziare l'esperimento (Figura 1A).
  2. Dopo 30 minuti, calibrare il catetere (ad es. linea di base e sistema di acquisizione) secondo le raccomandazioni del produttore. Il sistema di acquisizione visualizza i valori di calibrazione alti e bassi che vengono utilizzati per calibrare il sistema di acquisizione prima di iniziare un esperimento. Restituisci questi valori e assicurati che corrispondano.
    1. Utilizzare il pulsante "Controllo del bilanciamento della pressione", "Grossolano +/-" o "Fine +/-" per impostare il valore di pressione di base a zero.
    2. Eseguire una calibrazione a due punti per il segnale alto e basso.
      1. Sulla console di controllo, premere "Impostazioni di sistema" nel "Menu catetere".
      2. Premere "Invia segnale di calibrazione" nel "Menu impostazioni di sistema" per inviare il segnale basso. Assicurarsi che la pressione, il volume, la fase e l'ampiezza siano rispettivamente a 0 mm Hg, 0 μL, 0° e 0 μs.
      3. Premere "Enter" per inviare il segnale alto. Assicurarsi che la pressione, il volume, la fase e l'ampiezza siano rispettivamente a 100 mm Hg, 150 μL, 20° e 5.000 μs.
      4. Premere "Invio" per tornare al "Menu Impostazioni di sistema".
      5. Premere "6" per tornare al "Menu catetere". Quindi premere "Acquisisci dati".
  3. Piegare un ago da 30 G a circa 90° (Figura 1B,C). Questo ago piegato verrà utilizzato per perforare i vasi giugulare e carotidei.

2. Anestesia e controllo della temperatura corporea

  1. Posizionare il topo (28 g, C57BL/6 in questo protocollo) in una camera di anestesia contenente gas anestetico (cioè ossigeno 100%, isoflurano 3-4% per induzione).
  2. Quando l'animale è anestetizzato, non rispondendo al pizzicamento della zampa o della coda, posizionare il topo supino sul termoforo impostato a 37 °C.
  3. Collegare il mouse al respiratore attraverso un cono nasale che fornisce una miscela di 100% di ossigeno e 2% di isoflurano. Per calcolare automaticamente le impostazioni di ventilazione consigliate, inserire il peso dell'animale nel software proprietario del ventilatore utilizzando il touch screen. I calcoli utilizzano la seguente formula:
    Volume corrente = 6,2 x massa animale1,01 (kg),
    Frequenza respiratoria = 53,5 x massa animale-0,26 (kg).
  4. Attivare la linea anestetica dalla camera di anestesia al cono nasale.
  5. Inserire la sonda di feedback della temperatura nel retto e la sonda a tampone tra il pad e il retro del mouse, impostando la temperatura corporea desiderata a 37 °C–37.5 °C. Controllare la temperatura dell'animale sullo schermo del monitor (Figura 2A,B).
  6. Fissare le zampe anteriori e una zampa distale del topo alla coperta riscaldante con del nastro chirurgico, lasciando libera una zampa posteriore per monitorare la profondità dell'anestesia.

3. Accesso al sito chirurgico

  1. Eseguire un'incisione cervicale ventrale della linea mediana a forma di H di 2 cm dal manubrio al livello dell'osso ioide.
    1. Riflettere la pelle lontano dai muscoli sottostanti. Se necessario, questi muscoli possono essere asportati per una migliore visualizzazione.
    2. Allontanare delicatamente la ghiandola sottomandibolare.
    3. Sezionare i tessuti molli cervicali ed esporre lo sternocleidomastoideo e il muscolo sternoioideo con una pinza utilizzando il metodo di dissezione smussata.
    4. Dividere la fascia al centro, sovrastante lo sternoioide accoppiato. Lasciare che lo sternoioide appaiato si ritragga lateralmente per esporre la trachea. Fai attenzione a non danneggiare le arterie carotidi e i nervi vaghi, che corrono lungo la trachea.
  2. Passare il forcipe sotto la trachea per sollevarla. Quindi, passare una sutura chirurgica in seta 4.0 sotto la trachea e fare un potenziale nodo al centro della sutura, che verrà successivamente stretto per fissare il tubo endotracheale (Figura 3A).
  3. Usando le forbici, fai un piccolo taglio tra gli anelli di cartilagine della trachea sotto il livello della laringe. Inserire il tubo endotracheale (Figura 3B).
  4. Collegare il tubo tracheostomico al respiratore e iniziare la ventilazione con il 100% di ossigeno e il 2% di isoflurano. Stringere il nodo intorno alla trachea per fissare il tubo endotracheale e fissare il tubo del respiratore al tavolo operatorio. Assicurarsi che la trachea non sia ostruita o collassata (Figura 3C).

4. Giugulare destra e isolamento della carotide destra

  1. Isolamento della carotide destra
    1. Utilizzando la dissezione smussata, spostare lateralmente il muscolo sternoioide per esporre e isolare l'arteria carotide destra.
    2. Isolare l'arteria carotide dal nervo vago mediante dissezione contundente utilizzando una pinza.
    3. Passare tre punti di sutura chirurgici (4.0) sotto l'arteria carotide, escluso il nervo vago.
  2. Isolamento della vena giugulare destra
    1. Spostare lateralmente la ghiandola sottomandibolare e parotide per visualizzare la vena giugulare destra. Sezionare ed esporre senza mezzi termini la vena giugulare destra usando una pinza. Sezionare con cura la vena e rimuovere la fascia circostante.
    2. Passare il forcipe sotto la vena giugulare.
    3. Passare una sutura chirurgica sotto la vena giugulare, quindi legarla sul lato cranico della vena. Applicare una leggera trazione su questa sutura in direzione della testa utilizzando una pinza emostatica.
    4. Passare altri due punti di sutura sotto la vena giugulare. Tirare delicatamente la sutura più distale in direzione caudale utilizzando una pinza emostatica. Fai un nodo allentato e potenziale nella sutura centrale.
    5. Mettere diverse gocce di soluzione fisiologica riscaldata sul vaso nel sito della venotomia anticipata.

5. Procedure chirurgiche per cateterismo ventricolare destro e ventricolare sinistro

  1. Cateterismo ventricolare destro (Figura 4 A-D).
    1. Usando lo stereomicroscopio, identifica la vena giugulare.
    2. Applicare delicatamente una trazione superiore sulla vena. Eseguire una venotomia inserendo un ago curvo da 30 G tra la sutura cranica e la sutura centrale. Inserire l'ago con un angolo di 140° rispetto alla vena per assicurarsi che entri in modo coassiale.
    3. Una volta inserito, dilatare la venotomia muovendo l'ago. Inserire la punta del catetere nella venotomia, sotto l'ago. Quindi legare delicatamente la sutura centrale, fissando il catetere.
      NOTA: Prestare la massima attenzione a non legare troppo saldamente la sutura, poiché una forza eccessiva può danneggiare il catetere.
    4. Rilasciare la sutura caudale e far avanzare il catetere nel ventricolo destro, rilevando la classica forma d'onda della pressione ventricolare destra su un monitor continuo.
    5. Stabilizzare la pressione ventricolare destra. Assicurarsi che il catetere sia posizionato correttamente nel ventricolo destro per generare un circuito fotovoltaico ottimale.
      1. Stabilizzare la magnitudo, che riflette il sangue e il muscolo, per generare loop pressione-magnitudo (ad esempio, pressione dell'asse Y, grandezza dell'asse X). Se necessario, ruotare delicatamente l'asta del catetere per ottenere un posizionamento ottimale del catetere lungo l'asse del ventricolo destro.
        NOTA: Il valore di fase massimale, che riflette il muscolo, deve essere inferiore a 7°.
    6. Quando il segnale dell'anello pressione-magnitudo è ottimale, premere "Enter" sulla console durante l'acquisizione per eseguire una scansione della linea di base. Assicurarsi che la frequenza cardiaca riportata sullo schermo del monitor in battiti al minuto (bpm) sia in un intervallo fisiologico (ad esempio, 400-600 bpm).
    7. Generare i loop FV. Cambia "Magnitudo" in "Volume" come parametro per l'asse X e mantieni la pressione come asse Y. Quando il segnale dei loop fotovoltaici è ottimale, registrare per 30 s.
    8. Interrompi la registrazione. Tirare indietro il catetere e strofinare delicatamente con una garza. Immergere il catetere in una soluzione di eparina/cloruro di sodio e legare la sutura caudale per fermare il sanguinamento dalla vena giugulare.
  2. Cateterismo ventricolare sinistro (Figura 5 A-D).
    1. Sollevare delicatamente la carotide destra, che è stata precedentemente isolata (5A) facendo scorrere una pinza curva sotto l'arteria.
    2. Legare la sutura precedente, occludendo così l'arteria. Quindi, applicare delicatamente la trazione diretta dal cranio utilizzando una pinza emostatica.
    3. Tirare la sutura più distale in direzione caudale utilizzando una pinza emostatica. Fai un nodo potenziale sciolto sulla sutura centrale.
    4. Mettere diverse gocce di soluzione fisiologica riscaldata sul vaso nel sito dell'arteriotomia anticipata. Mettere a fuoco la sezione cranica, tra la sutura caudale e quella media, utilizzando il microscopio stereotassico.
    5. Applicare delicatamente una trazione superiore sull'arteria. Eseguire un'arteriotomia, inserendo un ago curvo da 30 G tra la sutura cranica e la sutura media. Inserire l'ago a 140° rispetto all'arteria per assicurarsi che entri in modo coassiale.
    6. Inserire la punta del catetere nell'arteriotomia, quindi stringere la sutura centrale per fissare il catetere. Contemporaneamente, rilasciare la sutura distale e far avanzare il catetere nell'aorta per avviare la registrazione. Assicurarsi che il canale di pressione mostri una traccia tipica dell'aorta.
    7. Far avanzare il catetere retrogrado attraverso la valvola aortica nel ventricolo sinistro. L'ingresso nel ventricolo sinistro sarà evidente dall'improvviso marcato calo della pressione diastolica dall'aorta.
    8. Stabilizzare la pressione ventricolare sinistra. Assicurarsi del corretto posizionamento del catetere nel ventricolo sinistro per generare un loop FV ottimale.
      1. Stabilizzare la magnitudo, che riflette il sangue e il muscolo, per generare loop pressione-magnitudo (ad esempio, pressione dell'asse Y, grandezza dell'asse X). Se necessario, ruotare delicatamente l'asta del catetere per ottenere un posizionamento ottimale del catetere lungo l'asse del ventricolo sinistro.
        NOTA: Il valore di fase massimale, che riflette il muscolo, deve essere inferiore a 7°.
    9. Interrompi la registrazione. Tirare indietro il catetere e metterlo in una soluzione di eparina/cloruro di sodio. Quindi legare la sutura caudale.
    10. Pulire il catetere con un detergente enzimatico (ad es. endozima).
      NOTA: Dopo l'intervento chirurgico, sopprimere l'animale secondo le linee guida dell'istituto per gli studi sugli animali. 

6. Analisi dei dati

  1. Eseguire l'analisi del circuito fotovoltaico secondo le raccomandazioni stabilite.
    1. Selezionare la traccia pressione-volume ottimale (idealmente una registrazione completa e stabile di 30 s). Sul software, fai clic su "Avanza", fai clic su "Loop", quindi fai clic su "Calcolo offline".
    2. Selezionare il volume come canale del volume e la pressione come canale della pressione.
    3. Per ottenere risultati coerenti, è necessario un minimo di 20 cicli.

Representative Results

Il catetere è stato inserito in una siringa da 10 ml contenente una soluzione di soluzione fisiologica eparinizzata a temperatura ambiente 30 minuti prima del cateterismo (Figura 1A). Un ago da 30 G è stato piegato ~90° (Figura 1B, C) ed è stata preparata una cannula tracheotomica di 1,45 mm di diametro (Figura 1C).

Il mantenimento della temperatura corporea fisiologica è fondamentale. Il topo è stato fissato con nastro adesivo e collegato al respiratore attraverso un cono nasale. La sonda di feedback è stata posizionata tra il pad e il retro del mouse. È stata inserita una sonda rettale per monitorare la temperatura corporea dell'animale (Figura 2A). Sono stati monitorati la temperatura corporea (37,1 °C) e la temperatura del tampone (40,7 °C) (Figura 2B).

Le fotografie delle fasi critiche della procedura di intubazione sono mostrate nella Figura 3A-C. Un'intubazione riuscita e senza ostacoli ha portato a una frequenza respiratoria regolare con una pressione di picco stabile (Figura 2B).

Le immagini delle fasi critiche del cateterismo cardiaco destro, dall'isolamento della vena giugulare (Figura 4A-C) all'inserimento del catetere nella vena giugulare sono mostrate nella Figura 4D. La Figura 5 mostra le fasi critiche del cateterismo cardiaco sinistro, tra cui l'isolamento dell'arteria carotide destra (Figura 5 A,B) e l'inserimento del catetere (Figura 5 C,D)

Il catetere è stato introdotto nella vena giugulare e avanzato nel ventricolo destro. Quindi la pressione ventricolare destra è stata stabilizzata e il corretto posizionamento è stato verificato. Tutti gli elettrodi del catetere (lunghezza asse lungo 6 mm) dovevano trovarsi all'interno delle camere del ventricolo destro e non a contatto con le pareti del ventricolo. Il posizionamento ottimale del catetere, come rappresentato schematicamente nella Figura 6A , ha generato loop FV ottimali (cioè triangolari, regolari). Un posizionamento improprio come schematicamente rappresentato nella Figura 6B (cioè il contatto con la parete ventricolare) si tradurrà in anse FV difettose (cioè anse collassate e irregolari).

Il catetere è stato introdotto nella carotide, avanzato nell'aorta, quindi avanzato retrogrado attraverso la valvola aortica nel ventricolo sinistro. La pressione ventricolare sinistra è stata stabilizzata e il posizionamento destro è stato verificato. Tutti gli elettrodi del catetere (lunghezza asse lungo 6 mm) devono trovarsi all'interno delle camere del ventricolo sinistro e non a contatto con le pareti del ventricolo. Il posizionamento ottimale del catetere, come rappresentato schematicamente nella Figura 6C , ha generato loop FV ottimali (cioè rettangolari, regolari). Un posizionamento improprio come schematicamente rappresentato nella Figura 6D (cioè il contatto con la parete ventricolare) ha provocato loop FV difettosi (cioè loop collassati, non rettangolari e irregolari).

L'emodinamica rappresentativa generata dalle anse PV sinistra e destra ha mostrato una frequenza cardiaca di 410 bpm, una gittata cardiaca di 9.107 μL/min e una gittata sistolica di 24,5 μL. I parametri specifici del ventricolo destro hanno mostrato una pressione sistolica ventricolare destra di 21,9 mm Hg, pressione diastolica terminale ventricolare destra 1,049 mm Hg, frazione di eiezione del 56,1%, dp/dt max di 1.469 mm Hg/s, dp/dt max di -1.504 mm Hg/s, volume diastolico finale di 38,4 μL, stroke work di 0,068 mJ, area pressione-volume di 0,089 mJ, elastanza arteriosa polmonare (Ea) di 0,83 mm Hg/μL e fattore Tau di 12,8 ms. I parametri specifici del ventricolo sinistro hanno mostrato una pressione sistolica ventricolare sinistra di 77,1 mm Hg, una pressione diastolica terminale ventricolare sinistra di 2,33 mm Hg, una frazione di eiezione del 59,1%, dp/dt max di 4.695 mm Hg/s, dp/dt max di -3.553 mm Hg/s, volume diastolico finale di 36,9 μL, corsa di 0,14 mJ, area pressione-volume di 0,22 mJ, elastanza arteriosa (Ea) di 5,37 mm Hg/μL e fattore Tau di 15,1 ms (Tabella 1).

Parametri emodinamici
FC (BPM) 410,6 ± 23,3
CO (μL/min) 9107 ± 1016
SV (μL) 24,5 ± 2,3
Funzione RV
RVSP (mmHg) 21,9 ± 2,15
RVEDP (mmHg) 1,042 ± 0,12
EF (%) 56,1 ± 4,4
dP/dt max (mmHg/s) 1469 ± 170
dP/dt max (- mmHg/s) 1504 ± 215
EDV (μL) 38,4 ± 3,7
SW (mJoule) 0,068 ± 0,008
PVA (mJoule) 0,084 ± 0,009
Ea (mmHg/μL) 0.83 ± 0.09
Fattore Tau (ms) 12,8 ± 0,8
Funzione LV
LVSP (mmHg) 77,1 ± 2,4
LVEDP (mmHg) 2.33 ± 0.17
EF (%) 59,1 ± 3,6
dP/dt max (mmHg/s) 4695 ± 355
dP/dt max (- mmHg/s) 3553 ± 373
EDV (μL) 36,9 ± 4,8
SW (mJoule) 0,14 ± 0,013
PVA (mJoule) 0.22 ± 0.03
Ea (mmHg/μL) 5.37 ± 0.9
Fattore Tau (ms) 15.07 ± 1.7
CO, gittata cardiaca; Ea, elastan arteriosa; EDV, fine volume diastolico; FC, frequenza cardiaca; LVEDP, volume diastolico dell'estremità ventricolare sinistra; LVSP, pressione sistolica ventricolare sinistra; PVA, area del volume di pressione; RVEDP, pressione diastolica dell'estremità ventricolare destra; RVSP, pressione sistolica ventricolare destra; SV, volume sistolico; SW, lavoro di corsa; Fattore Tau, Tau Mirsky. N= 6 topi. I valori sono espressi ± SEM

Tabella 1: Tabella dei parametri emodinamici. Parametro emodinamico ventricolare sinistro e destro misurato in sei topi.

Figure 1
Figura 1: Preparazione e messa a punto dell'esperimento. (A) Catetere in una siringa da 10 mL di soluzione fisiologica/eparina, (B), (C) ago da 30 G piegato a circa 90°, (D) cannula tracheotomica, diametro 1,45 mm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Anestesia, controllo della temperatura corporea . (A) Topo con tre zampe nastrate, collegato al respiratore attraverso un cono nasale, con feedback e sonde rettali inserite. Si noti che il cuscinetto riscaldante si trova sotto la coperta chirurgica. (B) Controllo del monitor della temperatura che mostra la temperatura corporea (rettale) e del pad (feedback) e i parametri di ventilazione: frequenza respiratoria (RR impostata), volume corrente medio (Meas TV), pressione di picco (PeakPress) e ventilazione al minuto (MinVol). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Procedura di intubazione. (A) La pelle è stata strappata via e tagliata. La ghiandola sottomandibolare è stata delicatamente spostata di lato. Lo sternocleidomastoideo e il muscolo sternoioideo sono stati separati e poi il forcipe è stato fatto passare sotto la trachea, usando una dissezione delicata e smussata. (B) La seta chirurgica (4.0) è stata fatta passare sotto la trachea e un piccolo taglio è stato praticato anteriormente tra due anelli di cartilagine della trachea. La tracheostomia è stata inserita e legata. (C) Il tubo tracheostomico è stato collegato al ventilatore e la sutura è stata legata attorno al tubo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Cateterismo ventricolare destro. (A), (B), (C) La vena giugulare destra è stata isolata, quindi una sutura chirurgica è stata passata sotto e legata al lato cranico della vena. Su questa sutura è stata applicata una leggera trazione in direzione della testa utilizzando una pinza emostatica. Due ulteriori punti di sutura sono stati passati distalmente, sotto la vena giugulare. La sutura più distale è stata tirata delicatamente in direzione caudale utilizzando una pinza emostatica. Nella sutura centrale è stato fatto un nodo allentato e potenziale. (D) Il catetere è stato inserito nella vena giugulare, la sutura centrale è stata legata al catetere. Le immagini in (C) e (D) vengono ingrandite attraverso uno stereomicroscopio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Cateterismo ventricolare sinistro. (A), (B) La carotide destra è stata isolata, quindi una sutura chirurgica è stata passata sotto la vena giugulare e legata al lato cranico della vena. Su questa sutura è stata applicata una leggera trazione in direzione della testa utilizzando una pinza emostatica. Due ulteriori punti di sutura sono stati passati sotto l'arteria carotide. La sutura più distale è stata tirata delicatamente in direzione caudale utilizzando una pinza emostatica. È stato fatto un nodo allentato e potenziale nella sutura centrale. (C) La punta del catetere è stata inserita nell'arteria carotide e quindi la sutura centrale è stata legata al catetere per fissarla. (D) Il catetere è stato delicatamente fatto avanzare retrogrado lungo la carotide verso l'aorta. Le immagini in (B), (C), (D) vengono ingrandite attraverso uno stereomicroscopio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Rappresentazione schematica del posizionamento del catetere e dei loop FV risultanti. (A) Posizionamento ottimale del catetere nel ventricolo destro. La punta del catetere si trova al centro del ventricolo, isolata dalle pareti del ventricolo. Anse fotovoltaiche rappresentative risultanti da un posizionamento ottimale del catetere nel ventricolo destro (ad esempio, stabile, triangolare). (B) Posizionamento improprio del catetere nel ventricolo destro. La punta del catetere è a contatto con le pareti ventricolari. Rumore rappresentativo dei circuiti fotovoltaici derivante da un posizionamento non ottimale del catetere nel ventricolo destro (cioè collassato, irregolare). (C) Posizionamento ottimale del catetere nel ventricolo sinistro. La punta del catetere si trova al centro del ventricolo, isolata dalle pareti del ventricolo. Anse fotovoltaiche rappresentative risultanti dal posizionamento ottimale del catetere nel ventricolo sinistro (ad esempio, stabile, rettangolare). (D) Posizionamento improprio del catetere nel ventricolo sinistro. La punta del catetere è a contatto con le pareti ventricolari. Anse PV rappresentative risultanti da un posizionamento non ottimale del catetere nel ventricolo sinistro (cioè collassato, irregolare). È stato applicato un filtro antirumore FIR a 50 Hz per generare i loop fotovoltaici. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

La valutazione della funzione cardiaca è un passo fondamentale per la ricerca preclinica cardiovascolare e polmonare-vascolare. In questo lavoro, abbiamo proposto un protocollo per una valutazione biventricolare a torace chiuso della funzione cardiaca nei topi. Attraverso questo approccio, è possibile generare i loop PV del ventricolo destro e del ventricolo sinistro nello stesso topo. Questo approccio fornisce una valutazione solida e completa della funzione cardiaca, consentendo la misurazione della funzione sistolica e diastolica, nonché della gittata sistolica e della gittata cardiaca. A differenza dell'approccio a torace aperto classicamente utilizzato per il cateterismo dei roditori, questa tecnica a torace chiuso si traduce in una fisiologia più stabile e in dati più rilevanti dal punto di vista fisiologico. Sebbene tecnicamente più impegnativo e dipenda dalle capacità dell'operatore per posizionare con successo il catetere nel ventricolo destro e sinistro, l'approccio a torace chiuso limita il trauma e l'emorragia associati alla chirurgia a torace aperto e riduce i drastici cambiamenti di pressione associati all'esposizione dei polmoni alla pressione atmosferica. L'approccio a torace chiuso emula anche meglio la procedura di cateterismo cardiaco eseguita nei pazienti, il che aumenta la rilevanza dell'utilizzo di questa tecnica nella ricerca preclinica.

La procedura chirurgica è la fase critica del protocollo. Anche quando si utilizza un microscopio operatorio per l'inserimento del catetere nella vena giugulare o nell'arteria carotide, che è raccomandato, questa procedura richiede pratica e abilità tecnica. Un'attenta dissezione dei vasi liberi dalla fascia circostante per mezzo di una dissezione delicata e smussata aumenterà il successo dell'incannulamento riducendo al minimo il rischio di emorragia. Per ridurre al minimo la perdita di sangue, è fondamentale incannulare la carotide in fasi sequenziali: 1) introdurre la punta del catetere nell'arteria carotide; 2) legare delicatamente la sutura attorno alla porzione di arteria che contiene il catetere; 3) rilasciare la sutura sicura, consentendo il movimento del catetere mantenendo una leggera trazione verso l'alto per ridurre al minimo il sanguinamento; e 4) far avanzare il catetere fino all'aorta. Il posizionamento del catetere nel ventricolo, come determinato dal monitoraggio della forma d'onda in tempo reale, è la parte più impegnativa di questo protocollo. Tutti gli elettrodi del catetere devono trovarsi all'interno della cavità ventricolare e nessuno deve toccare la parete. Qualsiasi posizionamento improprio del catetere provocherà cicli fotovoltaici irregolari e influirà negativamente o precluderà l'acquisizione dei dati. Riconoscere la caratteristica forma d'onda pressione-volume che deriva dalla presenza di tutti gli elettrodi all'interno del ventricolo consente di essere sicuri di una posizione appropriata del catetere. È fondamentale ottenere una forma d'onda di pressione ventricolare stabile e anelli di pressione-magnitudo stabili prima di passare alla modalità PV e all'acquisizione del volume. Una corretta conoscenza della fisiologia e dell'anatomia cardiaca è essenziale per il successo di questa procedura. La lettura online delle tracce PV, dall'atrio, dall'area della valvola tricuspide e dal ventricolo destro, mostrerà l'avanzamento del catetere e aiuterà a raggiungere il corretto posizionamento. È fondamentale conoscere la frequenza cardiaca normale (400-600 bpm) e le forme d'onda e le pressioni previste (ad esempio, pressione sistolica ventricolare destra, 18-25 mm Hg, pressione diastolica <5 mm Hg; pressione sistolica ventricolare sinistra 60-120 mm Hg40, pressione diastolica <8 mmHg) nei topi per consentire all'operatore di valutare la veridicità dei dati osservati.

La qualità e la riproducibilità dei dati dipenderanno dalla velocità della procedura e dalla perdita di sangue o dall'emorragia. La procedura, dall'anestesia al completamento dell'acquisizione dei dati, richiede in media ~30-40 min/topo. Il cateterismo cardiaco destro dall'inserimento del catetere all'acquisizione dei dati richiede 5-10 minuti, il cateterismo cardiaco sinistro dall'inserimento del catetere all'acquisizione dei dati richiede altri 10-15 minuti. I dati di qualità della pubblicazione sono ottenuti in ~75% dei casi. La sequenza dei passaggi del cateterismo cardiaco deve essere mantenuta costante tra gli animali. In questa procedura, i topi vengono prima intubati, seguiti dal cateterismo ventricolare destro e infine dal cateterismo ventricolare sinistro. La decisione di procedere in quest'ordine si basa sulla maggiore difficoltà e sul rischio di sanguinamento del cateterismo cardiaco sinistro rispetto a quello destro. È possibile osservare un artefatto non specifico di registrazione del rumore a 50 Hz. Questo rumore può essere diminuito utilizzando un filtro FIR con un taglio alto a 50 Hz e un taglio basso di 0 sul software. Per il canale del volume, creare un nuovo canale/filtro/filtro FIR. Durante l'acquisizione dei dati potrebbe essere applicato anche un filtro notch di 50 Hz per eliminare il rumore di rete e rimuovere eventuali interferenze di radiofrequenza.

Più veloce viene eseguito il cateterismo, migliore è la qualità dei dati. Sulla base dell'esperienza precedente, si consiglia di acquisire i dati entro 15 minuti. L'aumento del tempo di cateterizzazione aumenta lo stress fisiologico sull'animale e aumenta il rischio di aritmia dovuta alla presenza del catetere nella cavità. Queste forze possono ridurre il volume di eiezione e compromettere la riproducibilità e l'interpretabilità delle forme d'onda. Inoltre, la punta del catetere è affilata e può danneggiare o perforare il ventricolo. Ciò è particolarmente importante per il ventricolo destro, che è ~ 1/3 dello spessore del ventricolo sinistro.

La tracheostomia invasiva e la ventilazione meccanica a pressione positiva determinano una respirazione stabile e controllata dei topi e riducono la variabilità dell'acquisizione dei loop fotovoltaici. Tuttavia, la pressione positiva di fine espirazione (PEEP) è in netto contrasto con la normale ventilazione, che è un fenomeno di pressione negativa. Insieme, la ventilazione a pressione positiva e la PEEP riducono la gittata cardiaca e la pressione cardiaca destra. Pertanto, sebbene sia necessaria per l'acquisizione di dati stabili, la ventilazione meccanica e gli effetti cardiodepressivi dell'anestesia influenzeranno i circuiti fotovoltaici e dovrebbero essere considerati come una limitazione. L'arresto transitorio della ventilazione meccanica durante la breve registrazione dei circuiti fotovoltaici viene utilizzato per eliminare questa potenziale fonte di artefatti. Si noti che l'efficienza della ventilazione può essere confermata dal monitoraggio capnografico dell'anidride carbonica.

Le abilità tecniche richieste per l'approccio a petto chiuso possono essere un limite di questa tecnica. Allo stesso modo, è difficile ottenere un posizionamento corretto e stabile del catetere nel ventricolo. Le probabilità di successo aumentano con l'esperienza dell'operatore e con le dimensioni e il peso dei mouse. Il cateterismo di topi di peso inferiore a 20 g è estremamente impegnativo. La geometria unica della camera del ventricolo destro potrebbe influenzare la misurazione del volume e dovrebbe essere presa in considerazione. L'anestetico utilizzato, la frequenza cardiaca, la temperatura e lo sforzo dell'animale potrebbero influenzare i parametri emodinamici e devono essere attentamente segnalati e monitorati.

In conclusione, in questo protocollo viene eseguito sia il cateterismo ventricolare destro che quello sinistro nello stesso topo. A seconda degli obiettivi specifici di uno scienziato, il cateterismo ventricolare sinistro o destro può essere eseguito in modo indipendente, utilizzando la parte pertinente della procedura biventricolare. Tuttavia, l'approccio presentato è ottimale per una valutazione completa della funzione cardiaca.

Disclosures

Nessuno

Acknowledgments

Gli autori ringraziano la Queen's University per l'aiuto e la collaborazione della Queen's University animal facility personal. Gli autori ringraziano Austin Read, candidato al TMED MSc.

Questo studio è stato sostenuto in parte dalle sovvenzioni NIH 1R01HL113003-01A1 (SLA), NIH 2R01HL071115-06A1 (SLA), Canada Foundation for Innovation e Queen's Cardiopulmonary Unit (QCPU) 229252 e 33012 (SLA), Tier 1 Canada Research Chair in Mitochondrial Dynamics and Translational Medicine 950-229252 (SLA), Canadian Institutes of Health Research (CIHR) Foundation Grant CIHR FDN 143261, la William J. Henderson Foundation (S.L.A.), il Canadian Vascular Network Scholar Award (F.P.) e la borsa di studio Paroian Family dell'associazione per l'ipertensione polmonare del Canada (F.P.)

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ADVantage Pressure-Volume System (ADV500) Transonic FY097B
Endozime AW triple plus Ruhof 34521
Fiber optic dual Gooseneck Volpi Intralux # 6000-1
Forceps F.S.T 11052-10
Forceps F.S.T 11251-20
Gauze sponges Dermacea 441400
Hemostatic clamp F.S.T 13003-10
Hemostatic clamp F.S.T 13018-14
Heparin sodium Sandoz 023-3086 100 U/L
High-fidelity admittance catheter Scisence; Transonic FTH-1212B-3518
Isofluorane Baxter CA2L9108
labScribe v4 software iworx LS-30PVL
Needle (30 gauge) BD 305106
sodium chloride injection Baxter JB1309M 0.9%(wt/vol)
Stereo microscope Cole-Parmer OF-48920-10
Surgical suture SERAFLEX ID158000 black braided silk, 4.0
Surgical tape 3M, Transpore SN770
Tabletop Single Animal Anesthesia Systems Harvard apparatus 72-6468
Tracheotomy canula 1.45 mm diameter Harvard apparatus 72-1410
Ventilator, far infrared warming pad for mice and rats PhysioSuite Kent scientific corporation # PS-02

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Valutazione biventricolare della funzione cardiaca e delle anse pressione-volume mediante cateterismo a torace chiuso nei topi
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Potus, F., Martin, A. Y.,… More

Potus, F., Martin, A. Y., Snetsinger, B., Archer, S. L. Biventricular Assessment of Cardiac Function and Pressure-Volume Loops by Closed-Chest Catheterization in Mice. J. Vis. Exp. (160), e61088, doi:10.3791/61088 (2020).

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