Vi presenterer en minimalt invasiv leporinmodell for langsiktig hjertepacing som kan brukes til kunstig pacing og hjertesviktutvikling i prekliniske studier.
Dyremodeller av hjertepacing er gunstige for å teste nye enheter, studere patofysiologien til kunstig tempo hjerterytmer, og studere arytmi-induserte kardiomyopatier og påfølgende hjertesvikt. Foreløpig er bare noen få slike modeller tilgjengelige, og de krever for det meste store ressurser. Vi rapporterer en ny eksperimentell hjertepacingmodell hos små pattedyr med potensial til å studere arytmiindusert hjertesvikt.
Hos seks newzealandske hvite kaniner (gjennomsnittsvekt: 3,5 kg) under generell inhalasjonsanestesi ble halsregionen dissekert og en enkelt pacingledning ble lagt inn via vena jugularis eksternt. Ved fluoroskopisk veiledning ble blyet videre ført videre til høyre ventrikkelapex, hvor det ble stabilisert med passiv fiksasjon. En hjertepacemaker ble deretter koblet til og begravd i en subkutan lomme.
Pacemakerimplantasjonen var vellykket med god helbredelse; Kaninens anatomi er gunstig for blyplasseringen. Under 6 måneders oppfølging med intermitterende pacing var gjennomsnittlig følsomt myokardpotensiale 6,3 mV (min: 2,8 mV, maks: 12 mV), og gjennomsnittlig blyimpedans målt var 744 Ω (min: 370 Ω, maks: 1014 Ω). Tempogrensen var opprinnelig 0,8 V ± 0,2 V og holdt seg stabil under oppfølgingen.
Denne nåværende studien er den første som presenterer vellykket transvenøs hjertepacing i en modell for små pattedyr. Til tross for størrelsen og vevsskjørheten, kan instrumentering i menneskelig størrelse med justeringer trygt brukes til kronisk hjertepacing, og dermed er denne innovative modellen egnet for å studere utviklingen av arytmiindusert kardiomyopati og påfølgende hjertesviktpatofysiologi.
I hjertesviktforskning og hjertepacingutvikling er translasjonsmodeller ofte nødvendige for preklinisk testing1. Videre må nye enheter, materialer og blyforbedringer testes for potensielle komplikasjoner før klinisk bruk. Dermed har hjertepacingmodeller et bredt spekter av applikasjoner, inkludert analyse av kunstig tempo hjerterytmer og studiet av deres patofysiologiske effekter på hjertefunksjon 2,3. Hjertepacing- eller takykardi-induserte kardiomyopatieksperimenter kan benytte modeller av forskjellige dyrestørrelser, med utvikling av hjertesvikt innen uker med høy hastighetpacing 1,3,4,5.
Tidligere studier har rapportert bruk av store dyremodeller – svin, hund og sau – i slike applikasjoner 2,3,6. Tilgjengeligheten av disse modellene er imidlertid begrenset, og de krever store ressurser for dyrekirurgi og håndtering. I motsetning til dette kan bruken av små pattedyr løse de ovennevnte bekymringene og følgelig tjene som en optimal og rimelig forskningsmodell. Imidlertid har hjertepacingstudier på små pattedyr sjelden blitt rapportert, og dette kan skyldes deres delikate anatomi, vevssårbarhet og den høyere pacingfrekvensen som kreves 7,8,9,10,11,12.
Bare kirurgiske modeller av delvis implanterte pacingledninger med eksterne pacemakere11,12 eller trådløse mikroskopiske pacingenheter 5,7,8,9 har blitt brukt i pacemakerstudier av små pattedyr, men så vidt vi vet, har bruk av fullt implanterte, transvenøse pacemakersystemer i menneskelig størrelse ikke blitt rapportert til dags dato. Tidligere bevis i leporinmodeller viser at aktivitetsavpasning med raske hjertefrekvenser over uker fører til myokarddepresjon11,12. Denne artikkelen presenterer den første praktisk levedyktige modellen for små pattedyr, som demonstrerer vellykket implantasjon av en pacemaker i menneskelig størrelse hos kaniner. Den beskrevne metodikken tar sikte på å presentere en klinisk relevant modell for hjertepacing og kan oversettes nært til humane studier av takykardi- eller pacingindusert kardiomyopati og den påfølgende hjertesviktpatofysiologien 2,11,12.
Til tross for sine spesifikke begrensninger, gir små pattedyrmodeller fordeler for klinisk forskning13. Med en etablert metodikk kan hjertepacingmodeller gi en optimal plattform for simulering av et bredt spekter av kardiovaskulære sykdommer og sirkulasjonspatologiske tilstander 7,14 med betydelig lavere ressursbehov sammenlignet med store dyremodeller eller kliniske studier. Denne artikkelen presenterer en innovativ, minimalt invasiv modell for langvarig hjertepacing hos kaniner. Ved å følge denne protokollen er det mulig å bruke et fullt implantert, menneskelig pacemakersystem i full størrelse, inkludert en pacingledning i full lengde, i en modell for små pattedyr.
Ved pacemakerimplantasjon kunne vi plassere blyet på en stabil og optimal plassering i spissen av høyre ventrikkel hos alle dyrene. De invasivt målte pacingparametrene var innenfor normalområdet, tilsvarende verdiene som er vanlige i store dyreforsøk eller humanmedisin 2,3. Det målte gjennomsnittlige myokardpotensialet på 6,5 mV ± 1,9 mV i høyre kaninventrikkel gjenkjennes tydelig av en standard implanterbar pacemaker. Maksimal målt pacingterskel var 2,5 V, med stimulusvarighet på 0,4 ms, og impedansen holdt seg innenfor normalområdet under oppfølgingen. Samlet sett representerer disse optimale pacingparametere.
Under oppfølgingen ble pacingparametrene verifisert ikke-invasivt ved undersøkelse av den implanterte pacemakeren, og disse parametrene er oppsummert i figur 7, figur 9 og tabell 1. Ventrikkelsensing og blyimpedans viste ingen signifikante endringer i løpet av 6 måneder. Til tross for en økende trend i gjennomsnitt av pacingterskelen på tvers av alle forsøkspersoner, ble det ikke observert noen signifikante endringer, slik at aktivitetsavpasning kunne gjennomføres trygt gjennom hele studien. De små svingningene i pacingparametrene kan tilskrives lokale inflammatoriske responser eller fibrose og kan reduseres ved å benytte steroideluerende materialer. For bruk i langtidspacingstudier bør pacingparametrene overvåkes og justeres ofte.
Blodanalysen tydet ikke på systemisk inflammasjon eller anemi i løpet av den første uken etter implantasjon. Trenden med økt trombocyttall før inngrepet kan tilskrives den akutte belastningen forårsaket av dyrehåndtering og sedasjon, da verdiene holdt seg stabile under oppfølgingen. En fryktet komplikasjon ved pacemakerimplantasjon er blypenetrasjon. Spesielt med skjørheten i småpattedyrvev, bør penetrasjon mistenkes når pacingparametrene endres brått, og det må understrekes at blyet alltid skal manipuleres forsiktig til riktig posisjon. Et røntgenbilde kan bekrefte blypenetrasjon. En akutt hjerteimplanterbar elektronisk enhet (CIED)-assosiert bakteriell infeksjon er en annen potensielt alvorlig komplikasjon som bidrar betydelig til dødelighet og sykelighet15. Derfor er det ekstremt viktig å studere nye materialer, pacingteknikker og blyforbedringer for å redusere infeksjonshastigheten og forlenge holdbarheten til pacingsystemene. Den presenterte metodikken gir en passende dyremodell for slik vital eksperimentell forskning.
Ryu et al. induserte kardiomyopati med progressiv hjertesvikt ved hjelp av kirurgisk implanterte atriepacingledninger og en ekstern pulsgenerator12. Tilsvarende konkluderte Freeman et al. at vedvarende ventrikkelpacing fører til myokarddepresjon hos kaniner over 3-4 uker11. På grunn av små dyrs høye innfødte hjertefrekvens, må pacemakeren være i stand til å pace frekvenser rundt 300-400 bpm for å opprettholde en full temporytme. Da disse høyere tempofrekvensene fører til progressiv hjertesvikt i uke11,12, er den presenterte leporinmodellen optimal for utvikling og undersøkelse av den resulterende kardiomyopatien. Tatt i betraktning størrelsen, er disse små modellene ideelle for spesifikke applikasjoner som evaluering av humorale eller myokardiale vevsendringer11,16. Ekkokardiografi kan videre brukes til å evaluere dimensjonene og kontraktiliteten til leporinhjertet12,17. Til sammenligning har større dyremodeller av hjertesvikt andre fordeler, for eksempel muligheten for detaljert invasiv hemodynamisk evaluering, inkludert koronar sirkulasjon eller trykkvolumvurderinger2.
Det spesifikke valget av leporinmodellen for aktivitetsavpasningsstudier var basert på dens mange fordeler. Kaniner toler prosedyren godt, er et av de minste pattedyrene for å demonstrere kapasiteten til å motta et pacemakersystem av menneskelig størrelse, og krever utplassering av færre ressurser enn andre større dyr. Noen forfattere18 mener at fysiologien til små pattedyr kanskje ikke gjenspeiler menneskers, men vi fant at pacingparametrene observert i disse små pattedyrene er ganske lik de som er sett hos mennesker eller store dyr 1,2,3,19, noe som betyr at de lett kan brukes til translasjonsforskning.
Under blyplassering og pacemakerimplantasjon i denne småpattedyrmodellen møtte vi likheter med tidligere forsøk i store dyremodeller, men de signifikante forskjellene bør påpekes. Leporinvev er skjøre, og karet og ventrikulære vegger er tynne. Lett manipulasjon er nødvendig under hele prosedyren; Blyspissen bør alltid ikke støttes av styleten, og dermed fleksibel. Spesielt når du passerer gjennom tricuspid ringrommet og plasserer blyspissen til toppen av høyre ventrikel, må manipulering utføres med stor forsiktighet og under fluoroskopisk veiledning for å unngå skade. Plassering av spissen på andre steder bør også være mulig. Vi har testet posisjonene til høyre atrievedheng og ventrikkelutløpskanal med optimale periprosedurale parametere, men blystabiliteten kan være begrenset, og de nåværende dataene kan ikke støtte alternative pacingsteder. Den ytre jugularvenen til kaninen er passende størrelse for innsetting av en enkelt pacingledning. Hvis implantasjon av flere ledninger er ment, kan bruk av et større dyr anbefales.
Blyfiksasjonen i myokardtrabekulasjonen ble gjort passivt med silisiumtinner i blyspissen. Basert på vår erfaring må bruk av aktiv fiksasjon av en heliks skrudd inn i det tynne myokardlaget unngås for å forhindre vevsskade på grunn av tamponade eller brystblødning. Til tross for den lille størrelsen på kaninens høyre ventrikkel, tillot de to pacingelektrodene fordelt på 25 mm både unipolare og bipolare sensor- og pacingkonfigurasjoner (figur 10). Dette kan tilby allsidighet for hjertepacingstudier.
På grunn av den høye opprinnelige hjertefrekvensen til små pattedyr18, kan kontinuerlig pacing oppnås ved tilpasset programmering av den implanterbare pacemakeren. Alternativt kan metoden for enkel intern modifisering av et felles menneskesertifisert pacingsystem brukes til å oppnå høyhastighets pacingfrekvenser, som beskrevet i detalj tidligere 2,20. Tapet av fangst ble vurdert ved hjelp av den ikke-invasive pacingstudiefunksjonen, som er en unik tilnærming som gjør det mulig å teste selv i tilstanden med høy innfødt hjertefrekvens. De rapporterte pacingparametrene ble målt regelmessig. Den implanterte pacemakeren var i stand til å registrere sensing av myokardpotensialer og blyimpedans automatisk og kontinuerlig, men pacingterskelen måtte måles manuelt på grunn av den høye opprinnelige hjertefrekvensen. Dersom det er behov for kontinuerlig aktivitetsavpasning, anbefales derfor hyppige vurderinger for å forhindre tap av fangst.
Gutruf et al. rapporterte tidligere bruk av svært miniatyriserte, trådløse, batterifrie pacemakere i små dyremodeller7. Sammenlignet med studiene deres, representerer implantasjonen av en pacemaker i menneskelig størrelse beskrevet her en annen tilnærming som gir mulighet for innovativ blytesting, nær oversettelse til klinisk forskning og bredere applikasjoner med generelt tilgjengelige materialer. Zhou et al. presenterte utviklingen av en miniatyr hjertepacemaker designet for å bli implantert perkutant i fosterets hjerte for å behandle atrioventrikulært blokk. De rapporterte bruk av voksne kanineksperimenter for å bekrefte muligheten for en slik enhet9. Andre har tidligere rapportert fordelene med kaninintubasjon for invasive prosedyrer. Basert på vår erfaring har tilnærmingen til å opprettholde spontan pust med en oro-nasal maske flere fordeler for så korte prosedyrer, da det minimerer risikoen for komplikasjoner forårsaket av manipulering av luftveiene. Videre kan trykklungeskader også forebygges.
Selv om studieprotokollen ble utarbeidet nøye og det totale antallet inkluderte dyr var tilstrekkelig, må flere begrensninger påpekes. Den lille størrelsen på kaninens høyre ventrikkel tillot ikke flere blyplasseringer. Selv om vi prøvde å teste plasseringen av blyspissen i høyre ventrikkels utløpskanal, har vi begrenset kunnskap om stabiliteten og forventer at den vil være ganske begrenset. Trenden for tempoimpedans viste et fall i løpet av den første uken etter blyplasseringen. Dette kunne skyldes lokal inflammasjon og mild fibrose, men kort tid etter ble blyimpedansen gjenopprettet, og en trend med stabilitet ble kontinuerlig opprettholdt. Et enkeltkammer pacing system ble brukt i denne studien. I fremtidige studier bør det også undersøkes å fremme et par pacingledninger gjennom den ensidige jugularvenen. Selv om dette ikke ble testet i denne studien, tror vi at en annen bly kan introduseres og stabiliseres i høyre atrium.
Generelt har dyremodeller av hjertepacing mange anvendelser i kardiovaskulær forskning. For det første fører aktivitetsavpasning ved ikke-fysiologiske høye frekvenser over flere uker til takykardiindusert kardiomyopati, som tidligere rapportert, og muliggjør studier av patofysiologien og behandling av kronisk hjertesvikt 2,3,11,12. Videre kan forskning på raffinerte materialer og teknologier utnytte den presenterte leporinmodellen, som kan foreslås for mellomlangsiktige pacingstudier. Så vidt vi vet, er denne studien den første som demonstrerer fordelene med en så liten pattedyrmodell for komplekse hjertepacingeksperimenter21. Avslutningsvis, med den beskrevne metodikken, kan et menneskelig temposystem med hell implanteres i små pattedyr, til tross for vevets sårbarhet og delikat anatomi. Etter trening er denne teknikken lett reproduserbar, og den gir grunnlag for modeller av paced takykardi med brede anvendelser i kardiovaskulær forskning.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takknemlig anerkjenne råd og assistanse fra Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková og Tereza Vavříková for deres inspirasjon, arbeid og teknisk støtte. Dette arbeidet ble finansiert av MH CZ-DRO (NNH, 00023884), IG200501 stipend.
Medication | |||
atipamezole | Eurovet Animal Health, B.V. | Atipam | anesthetic |
buprenorphine | Vetoquinol | Bupaq | analgetic |
enrofloxacin | Krka | Enroxil | antibiotic |
isoflurane | Baxter | Aerrane | anesthetic |
ketamine hydrochloride | Richter Gedeon | Calypsol | anesthetic |
medetomidine | Orion Corp. | Domitor | anesthetic |
meloxicam | Cymedica | Melovem | analgetic |
povidone iodine | Egis Praha | Betadine | disinfection |
Silver Aluminium Aerosol | Henry Schein | 9003273 | tincture |
Surgical materials | |||
2-0 Perma-Hand Silk | Ethicon | A185H | silk tie suture |
2-0 Vicryl | Ethicon | V323H | absorbable braided suture |
4-0 Monocryl | Ethicon | MCP494G | monofilament |
BearHugger | 3M | BearHugger | heating pad |
cauterizer | |||
Metzenbaum scissors, lancet with #22 blade, DeBakey forceps, needle driver | basic surgical equipment | ||
sterile drapes | |||
Diagnostic devices | |||
Acuson VF10-5 | Siemens Healthcare | sonographic vascular probe | |
Acuson x300 | Siemens Healthcare | ultrasound system | |
ESP C-arm | GE Healthcare | ESP | X-ray fluoro C-arm |
Pacing devices | |||
400 | Medico | CAT400 | bipolar pacing lead |
Effecta DR | Biotronic | 371199 | implantable pacemaker |
ERA 3000 | Biotronic | 128828 | external pacemaker |
ICS 3000 | Biotronic | 349528 | pacemaker programmer |