Summary

Stor dyremodel til evaluering af effekten af genterapien i iskæmisk hjerte

Published: September 02, 2021
doi:

Summary

Myokardiegenterapi til iskæmisk hjertesygdom har et stort løfte for fremtidig terapi. Her introducerer vi en stor dyremodel til evaluering af effekten af genterapi i det iskæmiske hjerte.

Abstract

Koronararteriesygdom er en af de væsentlige årsager til dødelighed og sygelighed på verdensplan. På trods af udviklingen af nuværende terapi forbliver en betydelig del af patienter med koronararteriesygdom symptomatiske. Genterapi-medieret terapeutisk angiogenese tilbyder en ny terapeutisk metode til forbedring af myokardieperfusion og lindring af symptomer. Genterapi med forskellige angiogene faktorer er blevet undersøgt i få kliniske forsøg. På grund af metodens nyhed er udviklingen af myokardiegenterapi en kontinuerlig vej fra bænk til sengekant. Derfor er der behov for store dyremodeller til evaluering af sikkerhed og effektivitet. Jo mere modellen med store dyr identificerer den oprindelige sygdom og de endepunkter, der anvendes i klinikker, jo mere forudsigelige resultater er fra kliniske forsøg. Her introducerer vi en stor dyremodel til evaluering af effekten af genterapien i det iskæmiske svinehjerte. Vi anvender klinisk relevante billeddiagnostiske metoder såsom ultralydsscanning og 15H2O-PET. Til målretning af genoverførsler til det ønskede område anvendes elektroanatomisk kortlægning. Formålet med denne metode er: (1) at efterligne kronisk koronararteriesygdom, (2) at inducere terapeutisk angiogenese i hypoxiske områder af hjertet og (3) at evaluere sikkerheden og effekten af genterapien ved hjælp af relevante endepunkter.

Introduction

Koronararteriesygdom er ansvarlig for den store andel af dødelighed og sygdomsbyrde på verdensplan1. Nuværende behandlingsstrategier er perkutane interventioner, farmakologisk behandling og bypassoperation2. På trods af udviklingen af disse nuværende behandlinger lider mange patienter imidlertid af såkaldt ildfast angina, hvilket understreger det uopfyldte behov for nye behandlingsmetoder3. Genterapi-medieret terapeutisk angiogenese kunne målrette mod denne patientgruppe.

Myokardiegenterapi leveres oftest ved hjælp af forskellige virale vektorer, oftest replikationsmangelfuld adenovirus4. Som terapeutiske gener anvendes forskellige angiogene vækstfaktorer. De mest undersøgte angiogene vækstfaktorer er de vaskulære endotelvækstfaktorer (VEGF’er), der formidler deres angiogene signalering gennem vaskulære endotelvækstfaktorreceptorer (VEGFR’er) og deres co-receptorer5. Flere kliniske forsøg har bevist fordelen og sikkerheden ved hjertegenterapi og gjort denne nye behandlingsmetode til en realistisk mulighed for behandling af iskæmiske hjertesygdomme 6,7. Dette koncept har dog stadig brug for forbedring af de terapeutiske gener og virale vektorer, der testes i store dyremodeller, inden de kommer ind i klinikkerne. Grisen er ofte blevet brugt som forsøgsdyr, da dens hjerte ligner det menneskelige hjerte meget. Størrelsen af svinets kardiovaskulære system tillader brugen af lignende kateteropfindelser som anvendt hos mennesker. Alle billeddiagnostiske metoder, der er tilgængelige for mennesker, kan anvendes til svin8.

Der er flere store dyremodeller for kronisk iskæmi. Den mest almindeligt anvendte er ameroid constrictor model 9,10,11. Ulempen ved denne metode er invasiviteten, da thoracotomi er nødvendig for at få adgang til koronar vaskulatur. Tidligere i vores gruppe er der udviklet en mini-invasiv flaskehalsstentmodel for kronisk myokardieiskæmi12. Denne metode anvendes også i dette manuskript til at fremkalde myokardieiskæmi.

Anvendeligheden af ultralydsbilleddannelse har udviklet sig væsentligt på trods af billeddannelsesmodalitetens alder. For eksempel er myokardiestamme stadig hovedsageligt i forskningsbrug på grund af dets nyhed. Myokardiestamme afspejler ændringer i hjertets kontraktile funktion bedre end den traditionelle M-mode udstødningsfraktionsmåling13. Her i den store dyremodel anvendes således måling af myokardiestamme. For at evaluere hjertets funktion måles hjerteudgang også ved cine-billeddannelse af venstre ventrikel under angiografi. Hjerteudgang måles både i hvile og under dobutamin-induceret stress for at evaluere myokardiefunktionen under stress.

Ud over målingerne af hjertefunktionen er information om myokardieperfusion afgørende i genterapiundersøgelser, der sigter mod terapeutisk angiogenese. I denne dyremodel er dyr afbildet med 15 O-mærket radiovandpositronemissionstomografi (15H 2O-PET), da dette er den gyldne standard til måling af myokardieperfusion. 15H2O-PET er tidligere valideret til måling af perfusion af iskæmisk svinehjerte14.

Således udgør de ovennævnte metoder og modaliteter et glimrende perspektiv til evaluering af effekten af genterapi i det iskæmiske hjerte.

Protocol

De forsøg, der præsenteres her, udføres med ca. 10 uger gamle hungrise og er godkendt af Animal Experiment Board i Finland. Dyr vejer 30-40 kg i begyndelsen af protokollen, hvilket giver det samme procedureudstyr og billeddannelsesmetoder som muligt for mennesker. Kronisk iskæmi induceres 14 dage før genoverførslen, og opfølgningstiden efter genoverførslen afhænger af den anvendte virale vektor. Undersøgelsesprotokollen er vist i figur 1. Denne protokol kan bruges til at udføre ad…

Representative Results

Succesen med iskæmioperationen kan bekræftes med denne protokol ved koronar angiogram og ved at bestemme det hypokinetiske område ved transthorax ultralyd (figur 1), før man fortsætter til genleveringen. Tilstanden af koronar okklusion kan evalueres ved koronar angiogram, og den elektroanatomiske kortlægning sikrer de iskæmiske og dvale områder. Effekten af genterapien kan analyseres ved at måle den perifere stamme, uddrivningsfraktion og myokardieperfusi…

Discussion

Tidspunkterne for denne protokol kan ændres i henhold til den anvendte virale vektor. De immunhistologiske analyser kan også udvælges i henhold til det terapeutiske gen. Det er også muligt at tilføje flere tidspunkter og slutpunkter til protokollen, hvis det er nødvendigt.

Denne protokol omfatter etaper, som er afgørende for at lykkes og umulige at korrigere bagefter. For det første, hvis man ikke fremkalder passende iskæmi, skal dyret udelukkes fra yderligere forsøg og analyser. Sta…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke Maria Hedman, Tiina Laitinen, Tomi Laitinen, Pekka Poutiainen, Annika Viren og Severi Sormunen for hjælp og tilladelse til 15O-PET-billeddannelse på Kuopio University Hospital; og Heikki Karhunen, Minna Törrönen og Riikka Venäläinen fra National Laboratory Animal Center for deres hjælp i dyrearbejde.

Denne undersøgelse er støttet af tilskud fra Finnish Academy, ERC og CardioReGenix EU Horizon 2020-bevilling.

Materials

1% PFA VWR VWRC28794.295 Prepared from paraformaldehyde powder
15 % sucrose VWR VWRC27480.294 Prepared from solid sucrose
4% PFA VWR VWRC28794.295 Prepared from paraformaldehyde powder
5 F pigtail catheter Cordis 534-550S
6 F catheter AR2 Cordis 670-112-00
6 F introducer sheath Cordis 504-606X
8 F introducer sheath Cordis 504-608X
Acetylsalicylic acid Varying producer
Amiodarone Varying producer
Angiographic station GE Healthcare
Angiolaboratory set Mölnlycke designed for the needs of our angiolaboratory, contains sterile drapes, cups and swabs
Bisoprolol Varying producer
Cefuroxime Varying producer
Clopidogrel Varying producer
Coroflex Blue stent B.Braun Medical 5029012 Catalog number depends on stent size
Crile forceps
Cyclotron GE Healthcare
Dobutamine Varying producer
Electroanatomical mapping system Biologics Delivery Systems, Johnson & Johnson company
Enoxaparin Varying producer
Fentanyl Varying producer
Intramyocardial injection catheter Johnson & Johnson
Iodine contrast agent Iomeron
Kitchen knife Varying producer
Lidocaine Varying producer
Liquid nitrogen Varying producer
MgSO4 Varying producer
Needle 18 G Cordis 12-004943
Perfusion pump
PET-CT scanner Siemens Healthcare
Polytetrafluoroethylene tube
Propofol Varying producer
Scalpel no 11 VWR SWAN0503
Sublingual dinitrate Takeda
Ultrasound machine Philips

References

  1. Naghavi, M., et al. Global, regional, and national age-sex specifc mortality for 264 causes of death, 1980-2016: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. Lancet. 390 (10100), 1151-1210 (2017).
  2. Knuuti, J., et al. 2019 ESC Guidelines for the diagnosis and management of chronic coronary syndromes: The Task Force for the diagnosis and management of chronic coronary syndromes of the European Society of Cardiology (ESC). European Heart Journal. 41 (3), 407-477 (2020).
  3. Davies, A., et al. Management of refractory angina: An update. European Heart Journal. 42 (3), 269-283 (2021).
  4. Ylä-Herttuala, S., Baker, A. H. Cardiovascular gene therapy: Past, present, and future. Molecular Therapy. 25 (5), 1095-1106 (2017).
  5. Lähteenvuo, J., Ylä-Herttuala, S. Advances and challenges in cardiovascular gene therapy. Human Gene Therapy. 28 (11), 1024-1032 (2017).
  6. Hammond, H. K., et al. Intracoronary gene transfer of adenylyl cyclase 6 in patients with heart failure: A randomized clinical trial. JAMA Cardiology. 1 (2), 163-171 (2016).
  7. Hartikainen, J., et al. Adenoviral intramyocardial VEGF-DDNDC gene transfer increasesmyocardial perfusion reserve in refractory angina patients: A phase I/IIa study with 1-year follow-up. European Heart Journal. 38 (33), 2547-2555 (2017).
  8. Laakkonen, J. P., Ylä-Herttuala, S. Recent advancements in cardiovascular gene therapy and vascular biology. Human Gene Therapy. 26 (8), 518-524 (2015).
  9. Roth, D. M., et al. Effects of left circumflex Ameroid constrictor placement on adrenergic innervation of myocardium. The American Journal of Physiology. 253 (6), 1425-1434 (1987).
  10. White, F. C., Carroll, S. M., Magnet, A., Bloor, C. M. Coronary collateral development in swine after coronary artery occlusion. Circulation Research. 71 (6), 1490-1500 (1992).
  11. Liu, C. -. B., et al. Human umbilical cord-derived mesenchymal stromal cells improve left ventricular function, perfusion, and remodeling in a porcine model of chronic myocardial ischemia. Stem Cells Translational Medicine. 5 (8), 1004-1013 (2016).
  12. Rissanen, T. T., et al. The bottleneck stent model for chronic myocardial ischemia and heart failure in pigs. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 305 (9), 1297-1308 (2013).
  13. Greenberg, N. L., et al. Doppler-derived myocardial systolic strain rate is a strong index of left ventricular contractility. Circulation. 105 (1), 99-105 (2002).
  14. Grönman, M., et al. Assessment of myocardial viability with [15O]water PET: A validation study in experimental myocardial infarction. Journal of Nuclear Cardiology. , 1-10 (2019).
  15. Tarkia, M., et al. Evaluation of 68Ga-labeled tracers for PET imaging of myocardial perfusion in pigs. Nuclear Medicine and Biology. 39 (5), 715-723 (2012).
  16. Gyöngyösi, M., Dib, N. Diagnostic and prognostic value of 3D NOGA mapping in ischemic heart disease. Nature Reviews. Cardiology. 8 (7), 393-404 (2011).
  17. Shim, J., Al-Mashhadi, R. H., Sørensen, C. B., Bentzon, J. F. Large animal models of atherosclerosis – New tools for persistent problems in cardiovascular medicine. Journal of Pathology. 238 (2), 257-266 (2016).

Play Video

Cite This Article
Korpela, H., Siimes, S., Ylä-Herttuala, S. Large Animal Model for Evaluating the Efficacy of the Gene Therapy in Ischemic Heart. J. Vis. Exp. (175), e62833, doi:10.3791/62833 (2021).

View Video