Summary

Farelerde koşu bandı eğitimi sırasında gerçek zamanlı elektrokardiyogram izleme

Published: May 05, 2022
doi:

Summary

Elektrokardiyogram (EKG) kardiyak elektrofizyolojiyi anlamada anahtar değişkendir. Fiziksel egzersizin yararlı etkileri vardır, ancak kardiyovasküler hastalıklar bağlamında da zararlı olabilir. Bu makale, egzersiz sırasında farelerde kardiyak elektrofizyoloji üzerindeki etkilerini araştırmaya hizmet edebilecek gerçek zamanlı EKG’yi kaydetme yöntemini sunmaktadır.

Abstract

Düzenli fiziksel egzersiz, çeşitli metabolik ve elektrofizyolojik süreçleri etkileyen, kardiyovasküler sağlığa önemli bir katkıda bulunur. Bununla birlikte, kalıtsal aritmi sendromları gibi bazı kalp hastalıklarında, örneğin aritmojenik kardiyomiyopati (ACM) veya miyokardit, fiziksel egzersizin kalp üzerinde proaritmojenik substrat üretimine yol açan olumsuz etkileri olabilir. Şu anda, egzersizle ilişkili proaritmojenik yeniden yapılanmanın altında yatan moleküler mekanizmalar büyük ölçüde bilinmemektedir, bu nedenle hastalık (lar) bağlamında egzersizin hangi sıklığının, süresinin ve yoğunluğunun güvenli kabul edilebileceği belirsizliğini korumaktadır.

Önerilen yöntem, koşu bandı antrenmanını EKG’nin gerçek zamanlı izlenmesi ile birleştirerek fiziksel egzersizin proaritmik / antiaritmik etkilerini incelemeye izin verir. İmplante edilebilir telemetri cihazları, serbest hareket eden farelerin EKG’sini hem istirahatte hem de koşu bandı eğitimi sırasında 3 aya kadar bir süre boyunca sürekli olarak kaydetmek için kullanılır. Analiz modülleri ile veri toplama yazılımı, kalp atış hızı, P dalga süresi, PR aralığı, QRS aralığı veya QT süresi gibi temel EKG parametrelerini istirahatte, antrenman sırasında ve sonrasında analiz etmek için kullanılır. Ayrıca kalp hızı değişkenliği (HRV) parametreleri ve aritmi oluşumu değerlendirilir. Kısacası, bu makalede, fare modellerinde potansiyel proaritmojenik yeniden yapılanma da dahil olmak üzere, kardiyak elektrofizyoloji üzerindeki egzersize bağlı etkileri deneysel olarak araştırmak için adım adım bir yaklaşım açıklanmaktadır.

Introduction

Sağlıklı bir yaşam için düzenli fiziksel aktivite önemlidir. Bununla birlikte, bazı kardiyovasküler koşullar, bu sağduyu anlaşmasının en azından sorgulanabilir olduğu durumlara yol açmaktadır. Miyokarditli hastalarda, mevcut veriler egzersizin olumsuz etkilerini bile göstermektedir ve bu nedenle, bu hastalarda tüm egzersizin belirli bir süre duraklatılması önerilir 1,2,3. Kalıtsal aritmi sendromları gibi diğer kardiyovasküler hastalıklarda (KVH), uygun egzersiz düzeyine ilişkin nispeten daha az kanıt vardır4,5,6,7, bu da bu vakalarda, çoğunlukla genç ve fiziksel olarak aktif hastalar için klinik danışmanlığı çok zorlaştırmaktadır.

Kontratilitenin azalmasına ve kalp yetmezliğine yol açan advers yeniden şekillenme ve aritmilere ve ani kardiyak ölüme yol açan proaritmojenik yeniden şekillenme, kalp üzerinde egzersize bağlı zararlı etkilerin ayırt edici özellikleri olarak önerilmiştir8. Çok sayıda çalışma, ılımlı egzersizin geniş bir farklı hastalık spektrumu üzerindeki yararlı etkilerini göstermektedir 9,10. Bununla birlikte, kapsamlı antrenman, özellikle sağlıklı sporcularda aritmilere yol açan kalp üzerinde zararlı etkilere sahip olabilir11. Savunmasız bir proaritmik substrat üretimine yol açan yapısal yeniden yapılanma süreçleri, maraton koşucuları12’de gösterildiği gibi bu paradoks durumun altında yatıyor olsa da, hem sağlıklı insanlarda hem de kardiyovasküler hastalıkları olan hastalarda egzersizle ilgili olumsuz yeniden yapılanmanın spesifik mekanizmaları büyük ölçüde bilinmemektedir.

Hayvanlarda, özellikle farelerde, çok çeşitli kardiyovasküler hastalıkları taklit etmek için birkaç uygun model geliştirilmiştir13,14. Ayrıca, 15,16,17 numaralı farelerde, motorlu koşu bandı eğitimi, gönüllü tekerlek koşusu (VWR) ve yüzme 17,18 dahil olmak üzere çeşitli egzersiz modelleri ve eğitim protokolleri oluşturulmuştur. Kardiyak elektrofizyolojinin EKG monitörizasyonu ile değerlendirilmesi klasik olarak hayvan ile bir tür tespit cihazı arasında doğrudan iletken bir bağlantıya bağlıdır. Bu nedenle, örneğin keskin elektrotlar19 kullanılarak EKG kayıtları elde etmek için hayvanların uyuşturulması gerekir veya hayvanların bir kısıtlayıcı 20 tarafından hareketsiz hale getirilmesi gerekir veya örneğin pençe-elektrotlar 21 veya iletken platformlar22 kullanıldığında sadece temel analize izin veren hareket artefaktları nedeniyle veri kalitesi azalır. Bu nedenle, yukarıda belirtilen yaklaşımların hiçbiri eğitim protokolleriyle uyumlu değildir ve sonuç olarak farelerde olumsuz yeniden şekillenmeye yol açan egzersizle ilgili mekanizmalar üzerine yapılan çalışmaları engellemektedir. İmplante edilebilir telemetri cihazları bu engellerin üstesinden gelebilir ve günümüzde bilinçli ve hareketli hayvanlarda murin elektrofizyolojisini in vivo olarak değerlendirmek için en güçlü araç ve altın standarttır23,24. Mevcut telemetri donanım çözümleri, kafeslerindeki fareleri25,26 izlemek için geliştirilmiştir ve genellikle veri toplama için kafesin altına bir alıcının yerleştirilmesini gerektirir, böylece bu koşullar dışında gerçek zamanlı izlemeyi zorlaştırır. Burada, implante telemetri cihazları kullanan farelerde koşu bandı eğitimi sırasında gerçek zamanlı EKG kaydı ile egzersizin kardiyak elektrofizyoloji ve aritmogenez üzerindeki etkilerini araştırmak için bir yaklaşım sunuyoruz. Elde edilen tüm parametreler Tomsits ve ark.23 tarafından daha önce tarif edildiği gibi analiz edilmiştir.

Protocol

Tüm hayvan prosedürleri, Münih Üniversitesi Hayvan Bakımı ve Etik Komitesi’nin yönergelerine uygun olarak yürütülmüş ve tüm prosedürler Bavyera, Münih, Almanya Hükümeti tarafından onaylanmıştır (ROB-55.2-2532.Vet_02-16-200). Bu çalışmada dört erkek vahşi tip şirket içi yetiştirilmiş C57BL / 6N faresi kullanılmıştır. 1. Vericinin hazırlanması ve cerrahi implantasyonu NOT: Verici hazırlama ve implantasyonun ayrıntı…

Representative Results

Bireysel araştırma hedeflerine bağlı olarak, elde edilen telemetri verilerinin sonraki analizleri büyük ölçüde farklılık gösterecektir. Burada, antrenman dönemlerinde kaydedilen kaliteli verileri elde ederek yöntemin fizibilitesini gösteriyoruz ve antrenman öncesinde, sırasında ve sonrasında EKG’lerin ve kalp atış hızı değişkenlik analizlerinin örnek sonuçlarını sunuyoruz. Veriler ortalama ± standart ortalama hatası (SEM) olarak sunulmuş, tüm istatistiksel analizler uygun bir istatistikse…

Discussion

Mevcut kılavuzlar, kardiyovasküler risk faktörlerinin önemli bir değiştiricisi olduğu gösterildiği için düzenli fiziksel aktiviteyi önermektedir30. Ayrıca, orta derecede fiziksel aktivitenin hem birincil hem de ikincil önlemede atriyal fibrilasyona (AF) karşı koruyabileceğine dair artan sayıda kanıt vardır31,32,33. Aksine, maraton koşucuları gibi dayanıklılık sporcularının AF ge…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma Alman Araştırma Vakfı (DFG; Vasküler Tıpta Klinisyen Bilim İnsanı Programı (PRIME), MA 2186/14-1 – P. Tomsits), Alman Kardiyovasküler Araştırma Merkezi (DZHK; 81X2600255 – S. Clauss), Corona Vakfı (S199/10079/2019 – S. Clauss) ve ERA-NET – Kardiyovasküler Hastalıklar (ERA-CVD; 01KL1910 – S. Clauss). Fon verenlerin el yazması hazırlamada hiçbir rolü yoktu.

Materials

14-gauge needle Sterican 584125
Any mouse e.g. Jackson Laboratories
Bepanthen Bayer 1578675
Carprofen 0.005 mg/µL Zoetis 53716-49-7
Data Exchange Matrix 2.0 (MX2) Data Science International Manages communication between PhysioTel and PhysioTel HD telemetry implants and the acquisition computer.
Enrofloxacin 25 mg/ml Baytril 400614.00.00
Fentanyl 0.5 mg/10 mL Braun Melsungen
Fine forceps Fine Science Tools 11295-51
Five Lane Treadmill for Mouse Panlab – Harvard Apparatus 76-0896 Includes treadmill unit, touchscreen control unit, a sponge , and cables
Iris scissors Fine Science Tools 14084-08
Isoflurane 1 mL/mL Cp-Pharma 31303
Isoflurane vaporizer system Hugo Sachs Elektronik 34-0458, 34-1030, 73-4911, 34-0415, 73-4910 Includes an induction chamber, a gas evacuation unit and charcoal filters
LabChart Pro 8.1.16 ADInstruments
Magnet Data Science International
Modified Bain circuit Hugo Sachs Elektronik 73-4860 Includes an anesthesia mask for mice
Modular connectors Data Science International Connecting cables between Reciever, Signal Interface and Matrix 2.0 (MX2)
Novafil s 5-0 Medtrocin/Covidien 88864555-23
Octal BioAmp ADInstruments FE238-0239 Amplifier for recording Surface ECG
Octenisept Schülke 121418
Oxygen 5 L Linde 2020175 Includes a pressure regulator
PhysioTel ETA-F10 transmitter Data Science International
PhysioTel receiver RPC-1 Data Science International Signal reciever
Ponemah 6.42 Data Science International ECG Analysis Software
Powerlab ADInstruments 3516-1277 Suface ECG Acquisition hardware device. Includes ECG electrode leads
Prism 8.0.1 Graph Pad
Radio Device (Sony AF/AM) Sony
Signal Interface Data Science International Acquires and synchronizes digital signals with telemetry data in Ponemah v6.x.
Spring scissors Fine Science Tools 91500-09
Surgical platform Kent Scientific SURGI-M
Tergazyme 1% Alconox 13051.0 Commercial cleaning solution
Tweezers Kent Scientific INS600098-2

References

  1. Halle, M., et al. Myocarditis in athletes: A clinical perspective. European Journal of Preventive Cardiology. , (2020).
  2. Maron, B. J., et al. Eligibility and disqualification recommendations for competitive athletes with cardiovascular abnormalities: Task force 3: Hypertrophic cardiomyopathy, arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy and other cardiomyopathies, and myocarditis: A scientific statement from the American Heart Association and American College of Cardiology. Circulation. 132 (22), 273-280 (2015).
  3. Caforio, A. L. P., et al. Current state of knowledge on aetiology, diagnosis, management, and therapy of myocarditis: a position statement of the European Society of Cardiology Working Group on Myocardial and Pericardial Diseases. European Heart Journal. 34 (33), 2636-2648 (2013).
  4. Eberly, L., Garg, L., Vidula, M., Reza, N., Krishnan, S. Running the risk: Exercise and arrhythmogenic cardiomyopathy. Current Treatment Options in Cardiovascular Medicine. 23 (10), 64 (2021).
  5. Lang, C. N., Steinfurt, J., Odening, K. E. Avoiding sports-related sudden cardiac death in children with congenital channelopathy: Recommendations for sports activities. Herz. 42 (2), 162-170 (2017).
  6. Maron, B. J., et al. Recommendations for physical activity and recreational sports participation for young patients with genetic cardiovascular diseases. Circulation. 109 (22), 2807-2816 (2004).
  7. Martinez-Sole, J., et al. Facts and gaps in exercise influence on arrhythmogenic cardiomyopathy: New insights from a meta-analysis approach. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 702560 (2021).
  8. Sharma, S., Merghani, A., Mont, L. Exercise and the heart: the good, the bad, and the ugly. European Heart Jorunal. 36 (23), 1445-1453 (2015).
  9. Guasch, E., Mont, L. Diagnosis, pathophysiology, and management of exercise-induced arrhythmias. Nature Reviews. Cardiology. 14 (2), 88-101 (2017).
  10. Konhilas, J. P., et al. Exercise can prevent and reverse the severity of hypertrophic cardiomyopathy. Circulation Research. 98 (4), 540-548 (2006).
  11. Trivedi, S. J., et al. Differing mechanisms of atrial fibrillation in athletes and non-athletes: alterations in atrial structure and function. European Heart Journal. Cardiovascular Imaging. 21 (12), 1374-1383 (2020).
  12. Clauss, S., et al. MicroRNAs as biomarkers for acute atrial remodeling in marathon runners (The miRathon study–A sub-study of the Munich marathon study). PLoS One. 11 (2), 0148599 (2016).
  13. Clauss, S., et al. Animal models of arrhythmia: classic electrophysiology to genetically modified large animals. Nature Reviews. Cardiology. 16 (8), 457-475 (2019).
  14. Schüttler, D., et al. Animal models of atrial fibrillation. Circulation Research. 127 (1), 91-110 (2020).
  15. Poole, D. C., et al. Guidelines for animal exercise and training protocols for cardiovascular studies. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 318 (5), 1100-1138 (2020).
  16. Pynn, M., Schafer, K., Konstantinides, S., Halle, M. Exercise training reduces neointimal growth and stabilizes vascular lesions developing after injury in apolipoprotein e-deficient mice. Circulation. 109 (3), 386-392 (2004).
  17. Wang, Y., Wisloff, U., Kemi, O. J. Animal models in the study of exercise-induced cardiac hypertrophy. Physiological Research. 59 (5), 633-644 (2010).
  18. Massett, M. P., Matejka, C., Kim, H. Systematic review and meta-analysis of endurance exercise training protocols for mice. Frontiers in Physiology. 12, 782695 (2021).
  19. Ha, T. W., Oh, B., Kang, J. O. Electrocardiogram recordings in anesthetized mice using lead II. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (160), e61583 (2020).
  20. Mongue-Din, H., Salmon, A., Fiszman, M. Y., Fromes, Y. Non-invasive restrained ECG recording in conscious small rodents: a new tool for cardiac electrical activity investigation. Pflugers Archiv: European Journal of Physiology. 454 (1), 165-171 (2007).
  21. Chu, V., et al. Method for non-invasively recording electrocardiograms in conscious mice. BMC Physiology. 1, 6 (2001).
  22. Sato, S. Multi-dry-electrode plate sensor for non-invasive electrocardiogram and heart rate monitoring for the assessment of drug responses in freely behaving mice. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 97, 29-35 (2019).
  23. Tomsits, P., et al. Analyzing long-term electrocardiography recordings to detect arrhythmias in mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62386 (2021).
  24. Gkrouzoudi, A., Tsingotjidou, A., Jirkof, P. A systematic review on the reporting quality in mouse telemetry implantation surgery using electrocardiogram recording devices. Physiology & Behavior. 244, 113645 (2022).
  25. Russell, D. M., McCormick, D., Taberner, A. J., Malpas, S. C., Budgett, D. M. A high bandwidth fully implantable mouse telemetry system for chronic ECG measurement. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual International Conference. 2011, 7666-7669 (2011).
  26. McCauley, M. D., Wehrens, X. H. Ambulatory ECG recording in mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (39), e1739 (2010).
  27. Thireau, J., Zhang, B. L., Poisson, D., Babuty, D. Heart rate variability in mice: a theoretical and practical guide. Experimental Physiology. 93 (1), 83-94 (2008).
  28. Kaese, S., Verheule, S. Cardiac electrophysiology in mice: a matter of size. Frontiers in Physiology. 3, 345 (2012).
  29. Roussel, J., et al. The complex QT/RR relationship in mice. Scientific Reports. 6, 25388 (2016).
  30. Visseren, F. L. J., et al. ESC Guidelines on cardiovascular disease prevention in clinical practice: Developed by the Task Force for cardiovascular disease prevention in clinical practice with representatives of the European Society of Cardiology and 12 medical societies With the special contribution of the European Association of Preventive Cardiology (EAPC). European Heart Journal. 42 (34), 3227 (2021).
  31. Buckley, B. J. R., Lip, G. Y. H., Thijssen, D. H. J. The counterintuitive role of exercise in the prevention and cause of atrial fibrillation. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 319 (5), 1051-1058 (2020).
  32. Elliott, A. D., et al. Association between physical activity and risk of incident arrhythmias in 402 406 individuals: evidence from the UK Biobank cohort. European Heart Journal. 41 (15), 1479-1486 (2020).
  33. Qureshi, W. T., et al. Cardiorespiratory fitness and risk of incident atrial fibrillation: Results from the Henry Ford Exercise Testing (FIT) project. Circulation. 131 (21), 1827-1834 (2015).
  34. Abdulla, J., Nielsen, J. R. Is the risk of atrial fibrillation higher in athletes than in the general population? A systematic review and meta-analysis. Europace: European pacing, arrhythmias, and cardiac electrophysiology of the European Society of Cardiology. 11 (9), 1156-1159 (2009).
  35. Centurion, O. A., et al. The association between atrial fibrillation and endurance physical activity: How much is too much. Journal of Atrial Fibrillation. 12 (3), 2167 (2019).
  36. Calvo, N., et al. Emerging risk factors and the dose-response relationship between physical activity and lone atrial fibrillation: a prospective case-control study. Europace: European pacing, arrhythmias, and cardiac electrophysiology of the European Society of Cardiology. 18 (1), 57-63 (2016).
  37. Khan, H., et al. Cardiorespiratory fitness and atrial fibrillation: A population-based follow-up study. Heart Rhythm. 12 (7), 1424-1430 (2015).
  38. Morseth, B., et al. Physical activity, resting heart rate, and atrial fibrillation: the Tromso Study. European Heart Journal. 37 (29), 2307-2313 (2016).
  39. Hulsmans, M., et al. Macrophages facilitate electrical conduction in the heart. Cell. 169 (3), 510-522 (2017).
  40. Xiao, L., et al. Ibrutinib-mediated atrial fibrillation attributable to inhibition of C-terminal Src kinase. Circulation. 142 (25), 2443-2455 (2020).
  41. Clauss, S., et al. Characterization of a porcine model of atrial arrhythmogenicity in the context of ischaemic heart failure. PLoS One. 15 (5), 0232374 (2020).
  42. Renner, S., et al. Porcine models for studying complications and organ crosstalk in diabetes mellitus. Cell and Tissue Research. 380 (2), 341-378 (2020).
  43. Schuttler, D., et al. A practical guide to setting up pig models for cardiovascular catheterization, electrophysiological assessment and heart disease research. Lab Animal (NY). 51 (2), 46-67 (2022).
  44. De Wijs-Meijler, D. P., et al. Surgical placement of catheters for long-term cardiovascular exercise testing in swine. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (108), e53772 (2016).
  45. Borzsei, D., et al. Multiple applications of different exercise modalities with rodents. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2021, 3898710 (2021).
  46. Kaplan, M. L., et al. Cardiac adaptations to chronic exercise in mice. The American Journal of Physiology. 267 (3), 1167-1173 (1994).
  47. Fewell, J. G., et al. A treadmill exercise regimen for identifying cardiovascular phenotypes in transgenic mice. The American Journal of Physiology. 273 (3), 1595-1605 (1997).
  48. Kemi, O. J., Loennechen, J. P., Wisloff, U., Ellingsen, O. Intensity-controlled treadmill running in mice: cardiac and skeletal muscle hypertrophy. Journal of Applied Physiology. 93 (4), 1301-1309 (2002).

Play Video

Cite This Article
Tomsits, P., Sharma Chivukula, A., Raj Chataut, K., Simahendra, A., Weckbach, L. T., Brunner, S., Clauss, S. Real-Time Electrocardiogram Monitoring During Treadmill Training in Mice. J. Vis. Exp. (183), e63873, doi:10.3791/63873 (2022).

View Video