Overvågning med flere systemer til identifikation af anfald, arytmier og apnø hos bevidste tilbageholdte kaniner
Summary
Ved hjælp af samtidig video-EEG-EG-oximetry-capnography udviklede vi en metode til at evaluere kaninmodellernes modtagelighed for at udvikle provokerede arytmier og anfald. Dette nye optagelsessystem etablerer en platform til at teste effektiviteten og sikkerheden af terapi og kan fange den komplekse kaskade af multisystemhændelser, der kulminerer i pludselig død.
Abstract
Patienter med ionkanalopatier har stor risiko for at udvikle anfald og dødelige hjertearytmier. Der er en højere forekomst af hjertesygdomme og arytmier hos personer med epilepsi (dvs. epileptisk hjerte).) Derudover er hjerte- og autonome forstyrrelser blevet rapporteret omkring anfald. 1:1.000 epilepsipatienter/år dør af pludselig uventet død i epilepsi (SUDEP). Mekanismerne for SUDEP er stadig ufuldstændigt forstået. Elektroencefalogrammer (EEG) og elektrokardiogrammer (EKG) er to teknikker, der rutinemæssigt anvendes i kliniske omgivelser til at detektere og studere substrater/udløsere til anfald og arytmier. Mens mange undersøgelser og beskrivelser af denne metode er hos gnavere, adskiller deres hjerte elektriske aktivitet sig betydeligt fra mennesker. Denne artikel indeholder en beskrivelse af en ikke-invasiv metode til optagelse af samtidig video-EEG-EEG-ecg-oximetry-capnography hos bevidste kaniner. Da hjerte elektrisk funktion er ens hos kaniner og mennesker, giver kaniner en fremragende model af translationelle diagnostiske og terapeutiske undersøgelser. Ud over at skitsere metoden til dataindsamling diskuterer vi de analytiske tilgange til undersøgelse af neuro-hjerte elektrisk funktion og patologi hos kaniner. Dette omfatter arytmidetektion, spektralanalyse af EEG og en anfaldsskala udviklet til tilbageholdte kaniner.
Introduction
Elektrokardiografi (EKG) anvendes rutinemæssigt i kliniske omgivelser til at vurdere dynamikken i hjerteelektrisk ledning og den elektriske aktiveringsgenvindingsproces. EKG er vigtigt for at opdage, lokalisere og vurdere risikoen for arytmier, iskæmi og infarkt. Typisk, elektroder er fastgjort til patientens bryst, arme og ben for at give en tre-dimensionel opfattelse af hjertet. En positiv deformation produceres, når retningen af myokardie depolarisering er mod elektroden, og der produceres en negativ deformation, når retningen af myokardie depolarisering er væk fra elektroden. Elektrografiske komponenter i hjertecyklussen omfatter atriepolarisering (P-bølge), atrie-ventrikulær ledning (P-R-interval), ventrikulær excitation (QRS-kompleks) og ventrikulær repolarisering (T-bølge). Der er store ligheder i EKG og handling potentielle foranstaltninger på tværs af mange pattedyr, herunder mennesker, kaniner, hunde, marsvin, svin, geder og heste1,2,3.
Kaniner er en ideel model til hjerteoversættelsesforskning. Kaninhjertet ligner det menneskelige hjerte med hensyn til ionkanalsammensætning og handlingspotentiale egenskaber2,4,5. Kaniner er blevet brugt til generering af genetiske, erhvervede og lægemiddelinducerede modeller af hjertesygdom2,4,6,7,8. Der er store ligheder i hjerte eKG og handling potentielle reaktion på lægemidler hos mennesker og kaniner7,10,11.
Pulsen og hjerte elektrisk aktivering-inddrivelse proces er meget forskellig i gnavere, sammenlignet med kaniner, mennesker og andre større pattedyr12,13,14. Gnaverhjertet slår ~10 gange så hurtigt som mennesker. I modsætning hertil er der til det iso-elektriske ST-segment i humane og kanin-EKG’er ikke noget ST-segment hos gnavere14,15,16. Også gnavere har en QRS-r ‘bølgeform med en omvendt T-bølge14,15,16. Målinger af QT-intervallet er meget forskellige hos gnavere vs. mennesker og kaniner14,15,16. Desuden er normale EKG-værdier meget forskellige hos mennesker vs. gnavere12,15,16. Disse forskelle i EKG-bølgeformerne kan tilskrives forskelle i den potentielle morfologi og de ionkanaler , der driver hjertereolarisering9,14. Mens den forbigående udadgående kaliumstrøm er den største repolarizingstrøm i den korte (ikke-kuppel) hjertevirkningspotentiale morfologi hos gnavere, hos mennesker og kaniner er der en stor fase-2 kuppel på handlingspotentialet, og de forsinkede ensretter kaliumstrømme (IKr og IKs) er de største repolarizing strømme hos mennesker og kaniner4,9,13,17. Det er vigtigt, at udtrykket af IKr. og IKs er fraværende / minimal hos gnavere, og på grund af den tidsmæssige aktivering kinetik af IKr. og IKs det ikke har en rolle i hjertevirkning potentielle morfologi9,13. Således kaniner giver en mere translationel model til vurdering af mekanismerne for narkotika-induceret, erhvervet, og arvet EKG abnormiteter og arytmier4,7,13. Dernæst, som talrige undersøgelser har vist tilstedeværelsen af både neuronale og hjerte elektriske abnormiteter i primær hjerte (Long QT Syndrome18,19,20) eller neuronale sygdomme (epilepsi21,22,23,24), er det vigtigt at studere de underliggende mekanismer i en dyremodel, der nøje reproducerer menneskelig fysiologi. Mens gnavere kan være tilstrækkelige til at modellere den menneskelige hjerne, er gnavere ikke en ideel model for menneskelig hjertefysiologi7.
Elektroencefalografi (EEG) bruger elektroder, normalt placeret på hovedbunden eller intrakranalt, til at registrere kortikale elektriske funktion. Disse elektroder kan registrere ændringer i fyringshastigheden og synkroniciteten af grupper af nærliggende pyramide neuroner i hjernebarken25. Disse oplysninger kan bruges til at vurdere cerebral funktion og vågen / søvn tilstand. EEG’er er også nyttige til at lokalisere epileptiformaktivitet og skelne epileptiske anfald fra ikke-epileptiske hændelser (f.eks. psykogen ikke-epileptiform aktivitet og kardiogene hændelser). For at diagnosticere epilepsi type, provokerende faktorer, og oprindelsen af beslaglæggelsen, epilepsi patienter udsættes for forskellige manøvrer, som kan bringe på et anfald. Forskellige metoder omfatter hyperventilation, fotisk stimulation, og søvnmangel. Denne protokol demonstrerer brugen af fotisk stimulation til at fremkalde EEG-afvigelser og anfald hos kaniner26,27,28,29.
Samtidige video-EEG-EKG optagelser er blevet flittigt brugt hos mennesker og gnavere til at vurdere adfærdsmæssige, neuronale og hjerteaktivitet i løbet af præ-ictal, ictal, og post-ictal stater30. Mens flere undersøgelser har udført EEG – og EKG-optagelser separat hos kaniner4,31,32,33, er et system til erhvervelse og analyse af samtidig video-EEG-EKG i den bevidste fastholdte kanin ikke veletableret34. Dette papir beskriver udformningen og implementeringen af en protokol, der kan optage samtidige video-EEG-EKG-capnografi-oximetry data hos bevidste kaniner med henblik på at vurdere neuro-hjerte elektriske og respiratoriske funktion. Resultater indsamlet fra denne metode kan indikere modtagelighed, udløsere, dynamik og overensstemmelse mellem arytmier, anfald, åndedrætsforstyrrelser og fysiske manifestationer. En fordel ved vores eksperimentelle system er, at vi erhverver bevidste optagelser uden behov for beroligende midler. Kaninerne forbliver i fastholderne i ≥5 timer med minimal bevægelse. Som bedøvelsesmidler forstyrre neuronale, hjerte-, respiratoriske og autonome funktion, optagelser i den bevidste tilstand giver de mest fysiologiske data.
Dette optagelsessystem kan i sidste ende give detaljeret indsigt for at fremme forståelsen af de neurologiske, hjerte- og åndedrætsmekanismer for pludselig uventet død i epilepsi (SUDEP). Ud over neurologisk og hjerteovervågning ovenfor har nylige beviser også understøttet rollen som respirationssvigt som et potentielt bidrag til pludselig død efter et anfald35,36. For at overvåge kaninernes åndedrætsstatus blev oximetry og capnografi implementeret for at evaluere luftvejenes status før, under og efter et anfald. Den her fremlagte protokol er udformet med det formål at vurdere tærskelværdien for farmakologisk og fotiske stimuliinducerede kaninbeslaglæggelser. Denne protokol kan registrere subtile EEG- og EKG-abnormiteter, der muligvis ikke resulterer i fysiske manifestationer. Derudover kan denne metode bruges til hjertesikkerhed og anti-arytmisk effekttest af nye lægemidler og enheder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette eksperimentelle setup letter detaljerede samtidige video-EEG-EEG-ECG-oximetry-capnography optagelser og analyser hos kaniner, især i modeller af hjerte-og /eller neuronale sygdomme. Resultaterne af denne artikel viser, at denne metode er i stand til at opdage anfald og arytmier og differentiere dem fra elektrografiske artefakter. Forventede resultater blev opnået, når man gav kaniner en prokonvulsiv, som inducerede anfald. De data, der blev indhentet fra video-EEG-optagelserne, kunne analyseres yderligere for at…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfattere anerkender denne undersøgelse blev støttet af tilskud fra American Heart Association, American Epilepsi Society, og SUNY Upstate Department of Pharmacology.
Materials
| 0.9% Sodium Chloride Irrigation, USP – Flexible Container | PFIZER (HOSPIRA) | 7983-09 | Dilutant |
| 10cc Luer Lock syringe with 20G x 1" Needle | Sur-Vet | SS-10L2025 | Used as a flush after drug injection |
| 4×4 gauze sponges | Fisher Scientific | 22-415-469 | Rolled in a tube to splint ear with angiocatheter |
| Apple Sauce | Kirkland | 897971 | Vehicle for oral medications |
| Computer | Dell | Optiplex 5040 | Acquisition computer |
| E-4031 | Tocris | 1808 | Agent known to prolong the QT interval |
| ECG Electrode | RhythmLink | RLSND116-2.5 | 13mm 35-degree bent (0.4 mm diameter) subdermal pin electrodes |
| EEG Electrode | RhythmLink | RLSP513 | 5-twist 13mm straight (0.4mm diameter) subdermal pin electrodes |
| EEGLAB (2020) | Swartz Center for Computational Neuroscience | Open Access | Can perform spectral analysis of EEG |
| Ethernet-to-ethernet adapter | Linksys | USB3G16 | Adapter for connecting the camera to the computer |
| Euthanasia-III Solution | Med-Pharmex | ANADA 200-280 | Contains pentobarbital sodium and phenytoin sodium, controlled substance |
| Foam padding | Generic | N/A | Reduces pressure applied to the neck of small rabbits by the restrainer in order to prevent the adverse cardiorespiratory effects of neck compression |
| Heparin Lock Flush | Medline | EMZ50051240 | To maintain patency of angiocatheter |
| IR Light | Bosch | EX12LED-3BD-8W | Facilitates recordings in the dark |
| LabChart Pro (2019, Version 8.1.16) | ADInstruments | N/A | ECG Analysis |
| JELCO PROTECTIV Safety I.V. Catheters, 25 gauge | Smiths Medical | 3060 | Used to catherize marginal ear vein |
| MATLAB (R2019b, Update 5) | MathWorks | N/A | Required to run EEGLAB |
| Microphone | Sony Stereo | ECM-D570P | Recording of audible manifestions of seizures |
| Micropore Medical Tape, Paper, White | 3M | 1530-1 | Used to secure wires and create ear splint |
| Natus NeuroWorks | Natus | LC101-8 | Acquisition and review software |
| Pentylenetetrazol (1 – 10 mg/kg always in 1mL volume) | Sigma-Aldrich | 88580 | Dilutions prepared in saline |
| Photic Stimulator | Grass | PS22 | Stimulator to control frequency, delay, duration, intensity of the light pulses |
| Plastic wire organizer / bundler | 12Vwire.com | LM-12-100-BLK | Bundle wires to cut down on noise |
| PS 22 Photic Stimulator | Grass Instruments | BZA641035 | Strobe light with adjustable flash frequency, delay, and intensity |
| PVC pipe | Generic | N/A | Prevents small rabbits from kicking their hind legs and causing spinal injury |
| Quantum Amplifier | Natus | 13926 | Amplifier / digitizer |
| Quantum HeadBox Amplifier | Natus | 22134 | 64-pin breakout box |
| Rabbit Restrainer | Plas-Labs | 501-TC | Various size rabbit restrainers are available. 6" x 18" x 6" in this study. |
| Rubber pad (booster) | Generic | N/A | Raises small rabbits up in the restrainer to prevent neck compression |
| SpO2 ear clip | NONIN | 61000 | PureSAT/SpO2 |
| SpO2 sensor adapter | NONIN | 13931 | XPOD PureSAT/SpO2 |
| SRG-X120 1080p PTZ Camera with HDMI, IP & 3G-SDI Output | Sony | SRG-X120 | Impela Camera |
| Terumo Sur-Vet Tuberculin Syringe 1cc 25G X 5/8" Regular Luer | Sur-Vet | 13882 | Used to inject intravenous medications |
| Veterinary Injection Plug Luer Lock | Sur-Vet | SRIP2V | Injection plug for inserting the needle for intravenous medication |
| Webcol Alcohol Prep, Sterile, Large, 2-ply | Covidien | 5110 | To prepare ear vein before catheterization |
References
- Kaese, S., et al. The ECG in cardiovascular-relevant animal models of electrophysiology. Herzschrittmacherther Elektrophysiology. 24 (2), 84-91 (2013).
- Pogwizd, S. M., Bers, D. M. Rabbit models of heart disease. Drug Discovery Today: Disease Models. 5 (3), 185-193 (2008).
- O’Hara, T., Rudy, Y. Quantitative comparison of cardiac ventricular myocyte electrophysiology and response to drugs in human and nonhuman species. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 302 (5), 1023-1030 (2012).
- Brunner, M., et al. Mechanisms of cardiac arrhythmias and sudden death in transgenic rabbits with long QT syndrome. Journal of Clinical Investigation. 118 (6), 2246-2259 (2008).
- Lengyel, C., et al. Pharmacological block of the slow component of the outward delayed rectifier current (I(Ks)) fails to lengthen rabbit ventricular muscle QT(c) and action potential duration. British Journal of Pharmacology. 132 (1), 101-110 (2001).
- Baczko, I., Hornyik, T., Brunner, M., Koren, G., Odening, K. E. Transgenic rabbit models in proarrhythmia research. Frontiers in Pharmacology. 11, 853 (2020).
- Rudy, Y., et al. Systems approach to understanding electromechanical activity in the human heart: a national heart, lung, and blood institute workshop summary. Circulation. 118 (11), 1202-1211 (2008).
- Zhu, Y., Ai, X., Oster, R. A., Bers, D. M., Pogwizd, S. M. Sex differences in repolarization and slow delayed rectifier potassium current and their regulation by sympathetic stimulation in rabbits. Archives. 465 (6), 805-818 (2013).
- Nerbonne, J. M., Nichols, C. G., Schwarz, T. L., Escande, D. Genetic manipulation of cardiac K(+) channel function in mice: what have we learned, and where do we go from here. Circulation Research. 89 (11), 944-956 (2001).
- Eckardt, L., et al. Drug-related torsades de pointes in the isolated rabbit heart: comparison of clofilium, d,l-sotalol, and erythromycin. Journal of Cardiovascular Pharmacology. 32 (3), 425-434 (1998).
- Baczko, I., Jost, N., Virag, L., Bosze, Z., Varro, A. Rabbit models as tools for preclinical cardiac electrophysiological safety testing: Importance of repolarization reserve. Progress on Biophysics and Molecular Biology. 121 (2), 157-168 (2016).
- Richig, J. W., Sleeper, M. M. . Electrocardiography of Laboratory Animals. , (2019).
- Edwards, A. G., Louch, W. E. Species-dependent mechanisms of cardiac arrhythmia: A cellular focus. Clinical Medicine Insights. Cardiology. 11, 1179546816686061 (2017).
- Salama, G., London, B. Mouse models of long QT syndrome. Journal of Physiology. 578, 43-53 (2007).
- Zhang, Y., Wu, J., King, J. H., Huang, C. L., Fraser, J. A. Measurement and interpretation of electrocardiographic QT intervals in murine hearts. American Journal of Physiology. Heart and Circulation Physiology. 306 (11), 1553-1557 (2014).
- Auerbach, D. S., et al. Altered cardiac electrophysiology and SUDEP in a model of dravet syndrome. PLoS One. 8 (10), 15 (2013).
- Aiba, T., Tomaselli, G. F. Electrical remodeling in the failing heart. Current Opinion in Cardiology. 25 (1), 29-36 (2010).
- Auerbach, D. S., et al. Genetic biomarkers for the risk of seizures in long QT syndrome. Neurology. 87 (16), 1660-1668 (2016).
- Anderson, L. L., et al. Antiepileptic activity of preferential inhibitors of persistent sodium current. Epilepsia. 55 (8), 1274-1283 (2014).
- Johnson, J. N., et al. Identification of a possible pathogenic link between congenital long QT syndrome and epilepsy. Neurology. 72 (3), 224-231 (2009).
- Devinsky, O., Hesdorffer, D. C., Thurman, D. J., Lhatoo, S., Richerson, G. Sudden unexpected death in epilepsy: epidemiology, mechanisms, and prevention. Lancet Neurology. 15 (10), 1075-1088 (2016).
- Bagnall, R. D., et al. Exome-based analysis of cardiac arrhythmia, respiratory control, and epilepsy genes in sudden unexpected death in epilepsy. Annals in Neurology. 79 (4), 522-534 (2016).
- Frasier, C. R., et al. Channelopathy as a SUDEP biomarker in dravet syndrome patient-derived cardiac myocytes. Stem Cell Reports. 11 (3), 626-634 (2018).
- Glasscock, E. Genomic biomarkers of SUDEP in brain and heart. Epilepsy and Behavior. 38, 172-179 (2014).
- Olejniczak, P. Neurophysiologic basis of EEG. Journal of Clinical Neurophysiology. 23 (3), 186-189 (2006).
- Gastaut, H., Hunter, J. An experimental study of the mechanism of photic activation in idiopathic epilepsy. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 2 (3), 263-287 (1950).
- Fisher, R. S., et al. Photic- and pattern-induced seizures: A review for the Epilepsy Foundation of America Working Group. Epilepsia. 46 (9), 1426-1441 (2005).
- Specchio, N., et al. Diagnosing photosensitive epilepsy: fancy new versus old fashioned techniques in patients with different epileptic syndromes. Brain Development. 33 (4), 294-300 (2011).
- Kasteleijn-Nolst Trenite, D., et al. Methodology of photic stimulation revisited: updated European algorithm for visual stimulation in the EEG laboratory. Epilepsia. 53 (1), 16-24 (2012).
- Mishra, V., Gautier, N. M., Glasscock, E. Simultaneous video-EEG-ECG monitoring to identify neurocardiac dysfunction in mouse models of epilepsy. Journal of Visualized Experiments. (131), e57300 (2018).
- Green, J. D., Maxwell, D. S., Schindler, W. J., Stumpf, C. Rabbit EEG “theta” rhythm: Its anatomical source and relation to activity in single neurons. Journal of Neurophysiology. 23 (4), 403-420 (1960).
- Petersen, J., Diperri, R., Himwich, W. A. The comparative development of the EEG in rabbit, cat and dog. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 17, 557-563 (1964).
- Strain, G. M., Van Meter, W. G., Brockman, W. H. Elevation of seizure thresholds: a comparison of cerebellar stimulation, phenobarbital, and diphenylhydantoin. Epilepsia. 19 (5), 493-504 (1978).
- Cheng, Y., et al. Effectiveness of retigabine against levobupivacaine-induced central nervous system toxicity: A prospective, randomized animal study. Journal of Anesthesia. 30 (1), 109-115 (2016).
- Nascimento, F. A., et al. Pulmonary and cardiac pathology in sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Epilepsy and Behavior. 73, 119-125 (2017).
- Buchanan, G. F. Impaired CO2-Induced Arousal in SIDS and SUDEP. Trends in Neuroscience. 42 (4), 242-250 (2019).
- Van Egmond, P., Binnie, C. D., Veldhuizen, R. The effect of background illumination on sensitivity to intermittent photic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 48 (5), 599-601 (1980).
- Harding, G. F., Fylan, F. Two visual mechanisms of photosensitivity. Epilepsia. 40 (10), 1446-1451 (1999).
- Kuwada, S., Stanford, T. R., Batra, R. Interaural phase-sensitive units in the inferior colliculus of the unanesthetized rabbit: effects of changing frequency. Journal of Neurophysiology. 57 (5), 1338-1360 (1987).
- Kalume, F., et al. Sudden unexpected death in a mouse model of Dravet syndrome. Journal of Clinical Investigation. 123 (4), 1798-1808 (2013).
- Xiang, C., et al. Threshold for maximal electroshock seizures (MEST) at three developmental stages in young mice. Zoology Research. 40 (3), 231-235 (2019).
- Ross, K. C., Coleman, J. R. Developmental and genetic audiogenic seizure models: behavior and biological substrates. Neuroscience and Biobehavior Reviews. 24 (6), 639-653 (2000).
- Faingold, C. L., Randall, M., Tupal, S. DBA/1 mice exhibit chronic susceptibility to audiogenic seizures followed by sudden death associated with respiratory arrest. Epilepsy and Behavior. 17 (4), 436-440 (2010).
