Summary
We presenteren een minimaal invasief leporinemodel van langdurige cardiale pacing dat kan worden gebruikt voor kunstmatige pacing en de ontwikkeling van hartfalen in preklinische studies.
Abstract
Diermodellen van cardiale pacing zijn gunstig voor het testen van nieuwe apparaten, het bestuderen van de pathofysiologie van kunstmatig getemporeerde hartritmes en het bestuderen van aritmie-geïnduceerde cardiomyopathieën en daaropvolgend hartfalen. Momenteel zijn er slechts een paar van dergelijke modellen beschikbaar en ze vereisen meestal uitgebreide middelen. We rapporteren een nieuw experimenteel cardiale pacingmodel bij kleine zoogdieren met het potentieel om aritmie-geïnduceerd hartfalen te bestuderen.
Bij zes Nieuw-Zeelandse witte konijnen (gemiddeld gewicht: 3,5 kg) werd onder algemene inhalatie-anesthesie het jugulaire gebied ontleed en werd een enkele pacinglood ingebracht via de rechter externe halsader. Met behulp van fluoroscopische geleiding werd het lood verder naar de rechter ventriculaire apex gebracht, waar het werd gestabiliseerd met behulp van passieve fixatie. Een pacemaker werd vervolgens aangesloten en begraven in een onderhuidse zak.
De pacemakerimplantatie was succesvol met een goede genezing; De konijnenanatomie is gunstig voor de loodplaatsing. Gedurende 6 maanden follow-up met intermitterende pacing was de gemiddelde waargenomen myocardiale potentiaal 6,3 mV (min: 2,8 mV, max: 12 mV) en de gemiddelde gemeten loodimpedantie was 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). De pacingdrempel was aanvankelijk 0,8 V ± 0,2 V en bleef stabiel tijdens de follow-up.
Deze huidige studie is de eerste die succesvolle transveneuze cardiale pacing presenteert in een model van kleine zoogdieren. Ondanks de grootte en weefselkwetsbaarheid kan instrumentatie op menselijke grootte met aanpassingen veilig worden gebruikt voor chronische cardiale pacing, en daarom is dit innovatieve model geschikt voor het bestuderen van de ontwikkeling van aritmie-geïnduceerde cardiomyopathie en de daaruit voortvloeiende pathofysiologie van hartfalen.
Introduction
In onderzoek naar hartfalen en de ontwikkeling van cardiale pacing zijn vaak translationele modellen nodig voor preklinisch onderzoek1. Bovendien moeten nieuwe apparaten, materialen en loodverfijningen worden getest op hun mogelijke complicaties voordat ze klinisch worden gebruikt. Cardiale pacingmodellen hebben dus een breed scala aan toepassingen, waaronder de analyse van kunstmatig getemporeerde hartritmes en de studie van hun pathofysiologische effecten op de hartfunctie 2,3. Cardiale pacing- of tachycardie-geïnduceerde cardiomyopathie-experimenten kunnen modellen van verschillende diergroottes gebruiken, met de ontwikkeling van hartfalen binnen enkele weken van high-rate pacing 1,3,4,5.
Eerdere studies hebben het gebruik van grote diermodellen - varkens, honden en schapen - in dergelijke toepassingen gemeld 2,3,6. De beschikbaarheid van deze modellen is echter beperkt en ze vereisen uitgebreide middelen voor dierchirurgie en -behandeling. Het gebruik van kleine zoogdieren zou daarentegen de bovengenoemde problemen kunnen aanpakken en bijgevolg als een optimaal en betaalbaar onderzoeksmodel kunnen dienen. Cardiale pacingstudies op kleine zoogdieren zijn echter zelden gemeld, en dit kan te wijten zijn aan hun delicate anatomie, weefselkwetsbaarheid en de hogere pacingsnelheid die 7,8,9,10,11,12 vereist.
Alleen chirurgische modellen van gedeeltelijk geïmplanteerde pacing-leads met externe pacemakers11,12 of draadloze microscopische pacing-apparaten 5,7,8,9 zijn gebruikt in pacemakerstudies met kleine zoogdieren, maar voor zover wij weten, is het gebruik van volledig geïmplanteerde, mensgrote, transveneuze pacemakersystemen tot op heden niet gemeld. Eerder bewijs in leporinemodellen toont aan dat pacing bij snelle hartslagen gedurende weken leidt tot myocardiale depressie11,12. Dit artikel presenteert het eerste praktisch levensvatbare model voor kleine zoogdieren, dat de succesvolle implantatie van een pacemaker op mensenmaat bij konijnen aantoont. De beschreven methodologie heeft tot doel een klinisch relevant model van cardiale pacing te presenteren en kan nauw worden vertaald naar menselijke studies van tachycardie- of pacing-geïnduceerde cardiomyopathie en de daaruit voortvloeiende pathofysiologie van hartfalen 2,11,12.
Protocol
Dit experimentele protocol werd beoordeeld en goedgekeurd door het Institutional Animal Expert Committee aan de Eerste Faculteit der Geneeskunde, Charles University, en uitgevoerd in het Universitair Experimenteel Laboratorium, Afdeling Fysiologie, Eerste Faculteit der Geneeskunde, Charles University in Praag, Tsjechië, in overeenstemming met Wet nr. 246/1992 Coll. over de bescherming van dieren tegen wreedheid. Alle dieren werden behandeld en verzorgd in overeenstemming met de Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 8e editie, gepubliceerd door National Academies Press, 2011. Alle procedures werden uitgevoerd volgens standaard veterinaire conventies in aanwezigheid en onder begeleiding van een erkende dierenarts. Zes Nieuw-Zeelandse witte konijnen werden opgenomen in deze reeks experimenten. Hun gemiddelde lichaamsgewicht was 3,5 kg ± 1 kg op de dag van de implantatie van de pacemaker. Alle waarden worden uitgedrukt als gemiddelde ± SEM en, indien van toepassing, in een bereik van minimum- en maximummeetwaarden. Een P-waarde < 0,05 werd als significant beschouwd. Voor een succesvolle beheersing van de techniek zijn basisvaardigheden in dieranesthesie en chirurgie noodzakelijk; Eerdere ervaring met cardiale pacing is aan te raden, maar niet vereist.
1. Preoperatieve zorg
- Laat de konijnen minstens 2 weken wennen aan hun huisvestingsfaciliteit en comfortabel worden met menselijke aanraking en manipulatie om de behandeling en het beheer van de dieren op de dag van de operatie te vergemakkelijken.
- Voer de dieren hooi en op hooi gebaseerd gepelletiseerd konijnendieet. Zorg voor vers water op regelmatige tijdstippen.
- Voer een korte dagelijkse controle uit van hun vitale functies (lichaamstemperatuur, ademhalingsfrequentie) en algehele conditie, inclusief optimale inname via de voeding en afwezigheid van angst.
2. Anesthesie, premedicatie en monitoring
- Dien na 30 minuten vasten premedicatie toe: buprenorfine (0,01-0,04 mg/kg IM), midazolam (0,3-0,6 mg/kg IM), medetomidine (0,03-0,06 mg/kg IM) en ketamine (5-10 mg/kg IM).
- Breng een canule in de marginale oorader voor intraveneuze toediening van geneesmiddelen. Verzamel bloedmonsters met behulp van buizen met een laag volume (0,5 ml) voor hematologische en biochemische analyses.
- Scheer de huid van het konijn met behulp van een scheerapparaat in het rechter jugulaire gebied in de nek - de chirurgische plaats - en op de ledematen om de elektroden te bevestigen voor ECG-monitoring. Scheer met zorg, omdat de huid van konijnen gemakkelijk vatbaar is voor irritatie en kleine tranen vaak worden gezien.
- Plaats het dier op een verwarmingskussen om onderkoeling te voorkomen.
- Controleer de vitale functies, waaronder ECG, rectale lichaamstemperatuur en zuurstofverzadiging door een pulsoximeter, volgens het anesthesieprotocol.
- Plaats een masker over de mond en neus van het dier en zet het vast met een rubberen afdichting rond het gezicht van het dier. Gebruik zalf om de ogen van het dier te beschermen tegen uitdroging.
- Om voldoende sedatie te bereiken, voorziet u de dieren van isofluraan (gemengd met zuurstof) via het gezichtsmasker. Begin met een concentratie van 3,5% en verminder indien nodig volgens de reacties van het dier in termen van een onderdrukte hoornvliesreflex en motorische pijnrespons.
OPMERKING: Om het risico op longletsel tijdens de anesthesie te verminderen, wordt spontane beademing aanbevolen, maar een neonatale handmatige of automatische beademingsmachine moet paraat worden gehouden in geval van hypoventilatie. - Bereid alle steriele instrumentatie voor.
- Plaats het dier op een fluoroscopietafel. Draag volledige röntgen persoonlijke beschermingsmiddelen.
3. Ventriculaire loodimplantatie
- Lokaliseer de externe halsader en markeer de positie ervan op de huid.
- Steriliseer het hele gebied met behulp van povidon-jodium en ga verder met het bedekken van de plaats van de operatie met een steriel gordijn met een gat over het gemarkeerde jugulaire gebied.
- Maak een incisie op de huid parallel over de gemarkeerde halsader. Lokaliseer de externe halsader en isoleer een lengte van 1 cm van het aangrenzende vezelige weefsel en de vaatbundel. Zoek de halsslagader voor oriëntatie en om letsel te voorkomen.
- Maak een zak in het onderhuidse weefsel om de pacemaker te huisvesten. Gebruik een schaar voor stompe dissectie om overmatig bloeden en weefselbeschadiging te voorkomen.
- Zet het vat vast met een rubberen band aan beide uiteinden van het geïsoleerde vaatsegment en sluit de bloedstroom af (figuur 1).
- Maak met behulp van de standaard cut-down techniek een snede van ongeveer 1/3 van de omtrek van de vaatwand met een mes.
- Gebruik een vaatprikker om de snede wijd open te maken en een enkele passieve pacing-kabel in het lumen te introduceren.
- Onder fluoroscopische begeleiding gaat de punt verder naar de top van de rechterkamer (figuur 2). Vorm een stylet voor in een curve en gebruik deze om het lood te leiden om de tricuspidalis-annulus te passeren. Zorg ervoor dat de punt van het lood niet wordt ondersteund door de stylet, zodat het lood flexibel en atraumatisch blijft bij het aanraken van het weefsel.
- Test de pacingparameters. Het ventriculaire lood gedetecteerde signaal en impedantie moeten stabiel zijn en de pacingdrempel moet laag zijn. Er mag geen fasciculatie van de aangrenzende spieren zijn (figuur 3).
- Zet de loodpositie vast door deze over een beschermende rubberen huls aan het onderliggende vezelige weefsel te naaien en het vaatlumen rond het lood af te dichten met behulp van een zijden stropdas (figuur 4).
4. Pacemaker implantatie
- Sluit de pacemaker aan op de pacingkabel en zet de IS-1-connector vast met een schroef. Als de niet-invasieve pacing-onderzoeksfunctie (zie stap 6) tijdens de follow-up wordt gebruikt, sluit u de pacemaker aan op de atriale kanaalaansluiting.
- Begraaf de pacemaker en de extra lengte van het lood in de voorgevormde onderhuidse zak (figuur 5).
- Spoel de zak met povidon-jodium. Hecht de huidwond vast met behulp van een monofilamentdraad.
- Stel het gewenste pacingprogramma in en voer een laatste controle uit van de pacingparameters (figuur 3).
5. Postoperatieve zorg
- Trek de anesthetica terug en observeer het dier zorgvuldig totdat het weer voldoende bewustzijn krijgt.
- Dien atipamezole (0,01-0,03 mg / kg IM) toe om de werking van medetomidine om te keren.
- Nadat het bewustzijn is hersteld en de optimale lichaamstemperatuur is bereikt, dient u meloxicam (0,4-0,6 mg / kg) subcutaan toe voor pijnverlichting. Voeg buprenorfine toe na 6-8 uur als de pijnverlichting niet voldoende is volgens een geldige pijnbeoordelingsschaal (bijv. Konijnengrimasschaal).
- Dien metoclopramide (0,5-1 mg/kg IV) toe om verdere gastro-intestinale stasis te voorkomen en de maagmotiliteit te stimuleren en ga 3x per dag door totdat voldoende voedselinname en ontlastingsproductie zijn hersteld.
- Volg een breedspectrum intraveneus antibioticumregime totdat de wonden zijn genezen (enrofloxacine bij 10-20 mg / kg 2x per dag gedurende 3-7 dagen).
- Breng het dier over naar een comfortabele en vertrouwde omgeving en observeer het totdat het weer voldoende bewustzijn heeft. Breng het konijn niet terug naar het gezelschap van andere dieren totdat het volledig is hersteld.
- Handhaaf meloxicam (0,4-0,6 mg / kg SC) toediening dagelijks gedurende ten minste 5 dagen.
- Controleer en kleed de wonden regelmatig aan om een veilige en tijdige genezing te garanderen.
- Wanneer volledig genezen, ongeveer 14 dagen na de procedure, verwijder de niet-absorbeerbare huidnaden.
- Voer ondervraging op afstand uit en controleer de pacingparameters regelmatig (d.w.z. pacingdrempel, myocardiale detectie en loodimpedantie).
OPMERKING: De verkregen waarden moeten een stabiele trend volgen.
6. Pacingprotocol en gegevensverzameling
- Ondervraag de pacemaker en stel de back-uppacingmodus in door minimale basissnelheid te selecteren in het menu Parameters.
OPMERKING: Vanwege de hoge hartslag en de hoge variabiliteit die eigen is aan kleine dieren, kan continue kunstmatige pacing worden bereikt met een snelheid van 300-400 bpm, volgens de gespecificeerde vereisten. Intermitterende pacing kan worden bereikt tijdens elke pacemakerondervraging (volg stap 6.4 en figuur 6). - Registreer de pacing lead impedantie continu; in het menu Diagnostische gegevens van pacemakerprogrammeur starten met gegevensverzameling.
- Registreer de myocardiale potentiaal continu en controleer deze elke week handmatig door ondervraging van de pacemaker; meet in het pacemakerprogrammeurtestmenu onder het tabblad Sensing de unipolaire en bipolaire myocardiale potentiaalamplitudes.
- Beoordeel de pacingdrempel regelmatig (wekelijks) door middel van ondervraging. Gebruik de functie niet-invasieve pacingstudie (selecteer NIPS in het menu Test) om de pacingdrempel te meten met een voldoende pacingsnelheid (figuur 6). Beoordeel de pacingdrempel voor verschillende stimulusduur (van 0,1 ms tot 1,5 ms) en druk deze uit in volt. Gebruik de intracardiale elektrogrammen of oppervlakte-ECG voor de bepaling van het verlies van vangst wanneer de pacing-stimulusoutput subthreshold wordt.
- Voer alle procedures uit volgens standaard veterinaire conventies, offer het dier volgens de institutionele voorschriften aan het einde van elke studie en voer een obductie uit. Explant de pacemaker en lood en onderzoek ze op ontstekingsreacties, biofilmvorming en fibrose.
OPMERKING: Een overdosis kalium werd gegeven onder diepe anesthesie om de dieren in dit protocol te euthanaseren.
Representative Results
In totaal werden zes dieren geïncludeerd in het onderzoek. Bij alle dieren werd het pacinglood met succes geïmplanteerd via de externe halsader in de rechterventrikeltop (aanvullende figuur S1). De positie werd geverifieerd door fluoroscopie en het lood werd aan de aangrenzende weefsels gehecht over een rubberen huls. Volgens de röntgenfoto's behield het lood zijn positie gedurende de hele pacing-protocolperiode. De bijgevoegde pacemaker was voelbaar in het laterale nekgebied, waardoor het dier geen duidelijke problemen ondervond. Alle wonden genazen volledig en zonder lokale complicaties.
De loden punt was uitgerust met twee titanium-platina elektroden - een distale hemisferische ring en een proximale cilindrische ringelektrode - met een interelektrodeafstand van 25 mm (figuur 2). De draden werden vrij in de apex geschoven en daar passief bevestigd door hun siliciumfixatietanden. Dit maakte unipolaire pacing van de tipelektrode mogelijk en bipolaire pacing tussen beide elektroden in de rechterhartkamer.
Een representatief ventrikelmyocardpotentieel waargenomen signaal is weergegeven in figuur 3 en de gemeten pacingparameters zijn in detail weergegeven in tabel 1 en figuur 7. Op het moment van de procedure was de gemiddelde waargenomen myocardiale potentiaal 5,6 V ± 0,8 mV (min: 2,8 mV, max: 8 mV), de loodimpedantie was 675 Ω ± 74 Ω (min: 468 Ω, max: 951 Ω), en de pacingdrempel was 0,8 V ± 0,26 V (min: 0,2 V, max: 2,2 V), met de stimulusduur ingesteld op de standaard 0,4 ms.
Na follow-up van 3 maanden en 6 maanden met intermitterende pacing was de gemiddelde waargenomen myocardiale potentiaal respectievelijk 7,4 mV ± 1,2 mV (min: 4,0 mV, max: 12,0 mV) en 6,3 mV ± 1,0 mV (min: 4,2 mV, max: 10,3 mV). De gemeten gemiddelde loodimpedantie was respectievelijk 869 Ω ± 32 Ω (min: 760 Ω, max: 975 Ω) en 725 Ω ± 96 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω), en de pacingdrempel veranderde in 1,2 V ± 0,3 V (min: 0,2 V, max: 2,2 V) en in 1,4 V ± 0,3 V (min: 0,5 V, max: 2,3 V), respectievelijk. Alle parameterveranderingen waren in deze periode niet statistisch significant (P > 0,05) en de bipolaire en unipolaire parameters volgden vergelijkbare trends (figuur 7 en tabel 1).
Eén geval werd vroegtijdig beëindigd als gevolg van gedeeltelijke loodpenetratie, die zich presenteerde met een abrupte impedantiedaling waargenomen op de tweede dag na de implantatie. Later, tijdens de tweede maand van follow-up, werd een geleidelijke drempelverhoging opgemerkt en pacing op hoge output veroorzaakte spierfasciculatie. Het dier bleef asymptomatisch, maar tijdens obductie bleek de punt van het pacinglood door de myocardiale inferieure wand in het hartzakje te zijn doorgedrongen met een lengte van ongeveer 3 mm. Er werden geen bloedingen en geen tekenen van infectie waargenomen.
Vóór de procedure, op dag 1 na de procedure en op dag 7 na de procedure, waren de gemiddelde aantallen witte bloedcellen respectievelijk 5,9 × 10 9 / L, 7,37 × 10 9 / L en 7,42 × 10 9 / L, de gemiddelde hemoglobinespiegels waren respectievelijk 105 g / L, 113 g / L en 110 g / L, en de gemiddelde bloedplaatjesaantallen waren 317 × 10 9 / L, 274 × 109/L en 219 × 109/L. De laboratoriumwaarden vertoonden geen significante veranderingen tijdens de eerste week na de procedure (P > 0,05 voor alle). Bij microscopische evaluatie was het oppervlak van loodsilicium bedekt met vezelig weefsel (met een geschatte dikte van 100 μm), maar er werden geen cellen gevonden (figuur 8).
Figuur 1: Chirurgische halsaderdissectie. Nadat de huid is gesneden, wordt een onderhuidse zak gevormd en wordt de halsader blootgelegd, distaal geligeerd en proximaal ondersteund door een blauwe rubberen band. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Fluoroscopie tijdens de implantatie van pacemakerlood. Een pacing-lood wordt geïntroduceerd via de externe halsader en met behulp van een voorgevormde stylet gaat het lood naar de rechterventrikeltop, waar het wordt beveiligd door passieve fixatie door zijn siliconentanden. Een aangesloten pacemaker wordt begraven in een onderhuidse zak in het nekgebied. De pijl wijst naar de distale hemisferische ring (groen) en de proximale cilindrische ring (rood) elektroden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Representatieve metingen van waargenomen ventriculaire myocardiale potentialen. Ventriculaire detectie en de amplitudemetingen ervan worden getoond tijdens de acute fase na pacing lead positioning (links) en na de pacemakerimplantatie (rechts). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Het vastzetten van de pacing lead. Het bevestigen van het lood door twee niet-absorbeerbare hechtingen over een rubberen huls (pijl) aan het onderliggende weefsel houdt het op zijn plaats en voorkomt zijn dislocatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Plaatsing van de pacemaker. De pacemaker wordt begraven in de onderhuidse zak en gespoeld met povidon-jodium. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Pacing drempelmeting. Met behulp van de niet-invasieve pacing-studiefunctie van de pacemaker wordt pacing uitgevoerd die hoger is dan de oorspronkelijke hartslag. De pacing stimuli zijn gemarkeerd met P. De pacingdrempel wordt geëvalueerd met verschillende stimulusoutputs. (A) Een representatief voorbeeld van het endocardiale potentieel van ventriculaire vangst wordt getoond voor een output van 0,8 V bij 0,4 ms, (B) maar een verlies van vangst wordt gezien met de output verminderd tot 0,6 V bij 0,4 ms. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Follow-up van de pacingparameters van het leporine cardiale pacingmodel. De trends van de (A) pacing drempel, (B) pacing impedantie en (C) myocardiale sensing voor alle proefpersonen worden uitgezet. De gemiddelde unipolaire (volledige lijn) en bipolaire waarden (stippellijn) worden vetgedrukt weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Explanteerde pacing loodmonster. Ventriculaire gedeelte gesneden van het geëxplanteerde pacing lood. (A) Het macroscopische beeld en (B) microscopisch beeld geverfd met toluidineblauw onthullen het siliciumoppervlak bedekt met een laag vezelig weefsel. Schaalstaven = (A )1 cm, (B) 10 μm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Ventriculaire detectie en loodimpedantietrends. Een representatief voorbeeld van (A) continue en stabiele ventriculaire myocardiale sensing en (B) ventriculaire loodimpedantietrends gedurende een follow-up van 236 dagen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Ventriculaire endomyocardiale elektrogrammen. De pacemakerondervraging waargenomen ventriculaire potentialen worden afgebeeld met (A) unipolaire en (B) bipolaire verbindingen. De T-golfpotentiaal is duidelijker met de unipolaire verbinding, maar veroorzaakt geen overdetectie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Unipolaire | periprocedor | nabehandeling | |||||||
| 3 maanden | 6 maanden | ||||||||
| Waargenomen myocardiale potentiaal [mV] | 5,6 ± 0,8 | 7,4 ± 1,2 | 6,3 ± 1,0 | ||||||
| Pacingdrempel [V bij 0,4 ms] | 0,8 ± 0,3 | 1,2 ± 0,3 | 1,4 ± 0,3 | ||||||
| Loodimpedantie [Ω] | 675 ± 74 | 869 ± 32 | 725 ± 96 | ||||||
Tabel 1: Follow-up van de pacingparameters van het leporine cardiale pacingmodel. De waarden van de waargenomen myocardpotentiaal, pacingdrempel en loodimpedantie worden uitgedrukt als gemiddelde ± SEM gedurende 3 maanden en 6 maanden follow-up.
Aanvullende figuur S1: Schema van het geïmplanteerde transveneuze pacingsysteem op mensenmaat bij een konijn. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Discussion
Ondanks hun specifieke beperkingen bieden kleine zoogdiermodellen voordelen voor klinisch onderzoek13. Met een gevestigde methodologie kunnen cardiale pacingmodellen een optimaal platform bieden voor de simulatie van een breed scala aan hart- en vaatziekten en pathologische toestandenvan de bloedsomloop 7,14 met aanzienlijk lagere middelenvereisten in vergelijking met grote diermodellen of klinische onderzoeken. Dit artikel presenteert een innovatief, minimaal invasief model van langdurige cardiale pacing bij konijnen. Door dit protocol te volgen, is het mogelijk om een volledig geïmplanteerd, full-size menselijk pacemakersysteem te gebruiken, inclusief een full-length pacing lead, in een model van kleine zoogdieren.
Op het moment van de implantatie van de pacemaker konden we het lood bij alle dieren op een stabiele, optimale locatie in de top van de rechterkamer plaatsen. De invasief gemeten pacingparameters lagen binnen normale bereiken, vergelijkbaar met de waarden die gebruikelijk zijn in grote dierproeven of menselijke geneeskunde 2,3. De gemeten gemiddelde myocardiale potentiaal van 6,5 mV ± 1,9 mV in de rechter konijnenkamer wordt duidelijk herkend door een standaard implanteerbare pacemaker. De maximaal gemeten pacingdrempel was 2,5 V, met een stimulusduur van 0,4 ms, en de impedantie bleef binnen het normale bereik tijdens de follow-up. Over het algemeen vertegenwoordigen deze optimale pacingparameters.
Tijdens de follow-up werden de pacingparameters niet-invasief geverifieerd door de geïmplanteerde pacemaker te ondervragen, en deze parameters zijn samengevat in figuur 7, figuur 9 en tabel 1. De ventriculaire detectie en loodimpedantie vertoonden geen significante veranderingen gedurende 6 maanden. Ondanks een stijgende trend in de pacingdrempel gemiddeld over alle proefpersonen, werden er geen significante veranderingen waargenomen, waardoor pacing veilig kon worden uitgevoerd gedurende het hele onderzoek. De kleine fluctuatie in de pacingparameters kan worden toegeschreven aan lokale ontstekingsreacties of fibrose en kan worden verzacht door steroïde-eluterende materialen te gebruiken. Voor gebruik in langetermijnpacingstudies moeten de pacingparameters regelmatig worden gecontroleerd en aangepast.
De bloedanalyse suggereerde geen systemische ontsteking of bloedarmoede tijdens de eerste week na implantatie. De trend van verhoogde aantallen bloedplaatjes vóór de procedure kan worden toegeschreven aan de acute stress veroorzaakt door het hanteren en sedatie van dieren, aangezien de waarden stabiel bleven tijdens de follow-up. Een gevreesde complicatie van pacemakerimplantatie is loodpenetratie. Vooral met de kwetsbaarheid van weefsels van kleine zoogdieren, moet penetratie worden vermoed wanneer de pacingparameters abrupt veranderen, en er moet worden benadrukt dat het lood altijd zorgvuldig in de juiste positie moet worden gemanipuleerd. Een röntgenfoto kan de penetratie van lood bevestigen. Een acuut cardiaal implanteerbaar elektronisch apparaat (CIED)-geassocieerde bacteriële infectie is een andere potentieel ernstige complicatie die aanzienlijk bijdraagt aan sterfte- en morbiditeitscijfers15. Daarom is het uiterst belangrijk om nieuwe materialen, pacingtechnieken en loodverfijningen te bestuderen om de infectiepercentages te verminderen en de duurzaamheid van de pacingsystemen te verlengen. De gepresenteerde methodologie biedt een geschikt diermodel voor dergelijk vitaal experimenteel onderzoek.
Ryu et al. geïnduceerden cardiomyopathie met progressief hartfalen met behulp van chirurgisch geïmplanteerde atriale pacing-kabels en een externe pulsgenerator12. Evenzo concludeerden Freeman et al. dat aanhoudende ventriculaire pacing leidt tot myocardiale depressie bij konijnen gedurende 3-4 weken11. Vanwege de hoge inheemse hartslag van kleine dieren, moet de pacemaker in staat zijn om frequenties rond 300-400 bpm te pacen om een volledig temporitme te behouden. Aangezien deze hogere pacingfrequenties leiden tot progressief hartfalen gedurende week11,12, is het gepresenteerde leporinemodel optimaal voor de ontwikkeling en het onderzoek van de resulterende cardiomyopathie. Gezien hun grootte zijn deze kleine modellen ideaal voor specifieke toepassingen zoals de evaluatie van humorale of myocardiale weefselveranderingen11,16. Echocardiografie kan verder worden gebruikt om de afmetingen en contractiliteit van het leporinehart te evalueren12,17. Ter vergelijking: grotere diermodellen van hartfalen hebben andere voordelen, zoals de mogelijkheid voor gedetailleerde invasieve hemodynamische evaluatie, inclusief coronaire circulatie of drukvolumebeoordelingen2.
De specifieke selectie van het leporinemodel voor pacingstudies was gebaseerd op de vele voordelen. Konijnen verdragen de procedure goed, zijn een van de kleinste zoogdieren om de capaciteit voor het ontvangen van een pacemakersysteem op mensenmaat aan te tonen en vereisen de inzet van minder middelen dan andere grotere dieren. Sommige auteurs18 geloven dat de fysiologie van kleine zoogdieren mogelijk niet die van mensen weerspiegelt, maar we ontdekten dat de pacingparameters die bij deze kleine zoogdieren worden waargenomen, vrij gelijkaardig zijn aan die bij mensen of grote dieren 1,2,3,19, wat betekent dat ze gemakkelijk kunnen worden gebruikt voor translationeel onderzoek.
Tijdens loodplaatsing en pacemakerimplantatie in dit model van kleine zoogdieren kwamen we overeenkomsten tegen met eerdere experimenten in grote diermodellen, maar de significante verschillen moeten worden opgemerkt. Leporine weefsels zijn kwetsbaar en de vaat- en ventriculaire wanden zijn dun. Zachte manipulatie is noodzakelijk tijdens de hele procedure; De loodpunt moet altijd niet worden ondersteund door de stylet en dus flexibel zijn. Vooral bij het passeren van de tricuspidalis-annulus en het positioneren van de loodpunt naar de top van de rechterventrikel, moet manipulatie met uiterste zorg en onder fluoroscopische begeleiding worden uitgevoerd om letsel te voorkomen. Het plaatsen van de tip op andere locaties moet ook mogelijk zijn. We hebben de juiste posities van het atriale aanhangsel en ventriculaire uitstroomkanaal getest met optimale periprocedurale parameters, maar de loodstabiliteit kan beperkt zijn en de huidige gegevens kunnen geen alternatieve pacing-sites ondersteunen. De externe halsader van het konijn heeft de juiste grootte voor het inbrengen van een enkele pacing-lead. Als de implantatie van meerdere leads is bedoeld, kan het gebruik van een groter dier worden geadviseerd.
De loodfixatie in de myocardiale trabeculatie werd passief bereikt met siliciumtanden aan de loodpunt. Op basis van onze ervaring moet het gebruik van actieve fixatie door een helix die in de dunne myocardiale laag is geschroefd, worden vermeden om weefselbeschadiging als gevolg van tamponade of borstbloedingen te voorkomen. Ondanks de kleine omvang van de rechterkamer van het konijn, maakte het paar pacing-elektroden met een afstand van 25 mm zowel unipolaire als bipolaire detectie- en pacingconfiguraties mogelijk (figuur 10). Dit kan veelzijdigheid bieden voor cardiale pacingstudies.
Vanwege de hoge inheemse hartslag van kleine zoogdieren18, kan continue pacing worden bereikt door aangepaste programmering van de implanteerbare pacemaker. Als alternatief kan de methode van eenvoudige interne modificatie van een gemeenschappelijk door mensen gecertificeerd pacingsysteem worden gebruikt om hoge pacingfrequenties te verkrijgen, zoals eerder in detail beschreven 2,20. Het verlies van vangst werd beoordeeld met behulp van de niet-invasieve pacing-studiefunctie, een unieke benadering die testen mogelijk maakt, zelfs in de toestand van een hoge native hartslag. De gerapporteerde pacingparameters werden regelmatig gemeten. De geïmplanteerde pacemaker was in staat om de detectie van myocardiale potentialen en leadimpedantie automatisch en continu te registreren, maar de pacingdrempel moest handmatig worden gemeten vanwege de hoge native hartslag. Daarom, als continue pacing vereist is, worden frequente beoordelingen aanbevolen om verlies van vangst te voorkomen.
Gutruf et al. rapporteerden eerder het gebruik van sterk geminiaturiseerde, draadloze, batterijvrije pacemakers in kleine diermodellen7. In vergelijking met hun studies vertegenwoordigt de implantatie van een hier beschreven pacemaker op mensenmaat een andere benadering die de mogelijkheid biedt voor innovatieve loodtesten, nauwe vertaling naar klinisch onderzoek en bredere toepassingen met algemeen beschikbare materialen. Zhou et al. presenteerden de ontwikkeling van een miniatuur pacemaker die is ontworpen om percutaan in het foetale hart te worden geïmplanteerd om atrioventriculaire blokkades te behandelen. Ze rapporteerden het gebruik van experimenten met volwassen konijnen om de haalbaarheid van een dergelijk apparaat te bevestigen9. Anderen hebben eerder de voordelen van konijnenintubatie voor invasieve procedures gemeld. Op basis van onze ervaring heeft de aanpak van het handhaven van spontane ademhaling met een oro-neusmasker meer voordelen voor dergelijke korte procedures, omdat het het risico op complicaties veroorzaakt door manipulatie van de luchtwegen minimaliseert. Bovendien kunnen ook decubituslongletsels worden voorkomen.
Hoewel het onderzoeksprotocol zorgvuldig is opgesteld en het totale aantal opgenomen dieren toereikend was, moeten verschillende beperkingen worden aangegeven. De kleine omvang van de rechterkamer van het konijn liet niet toe om meerdere loodplaatsingen te plaatsen. Hoewel we hebben geprobeerd de positionering van de loodpunt in het rechterventrikeluitstroomkanaal te testen, hebben we beperkte kennis over de stabiliteit ervan en verwachten we dat deze vrij beperkt zal zijn. De pacing impedantie trend liet een daling zien binnen de eerste week na de leadplaatsing. Dit kan te wijten zijn aan lokale ontsteking en milde fibrose, maar kort daarna werd de loodimpedantie hersteld en werd een trend van stabiliteit voortdurend gehandhaafd. In deze studie werd een pacingsysteem met één kamer gebruikt. In toekomstige studies moet ook het bevorderen van een paar pacing-leads door de unilaterale halsader worden onderzocht. Hoewel dit in deze studie niet is getest, geloven we dat een tweede lood kan worden geïntroduceerd en gestabiliseerd in het rechter atrium.
Over het algemeen hebben diermodellen van cardiale pacing tal van toepassingen in cardiovasculair onderzoek. Ten eerste leidt pacing bij niet-fysiologische hoge frequenties gedurende enkele weken tot tachycardie-geïnduceerde cardiomyopathie, zoals eerder gemeld, en maakt het de studie van de pathofysiologie en behandeling van chronisch hartfalenmogelijk 2,3,11,12. Verder kan onderzoek naar verfijnde materialen en technologieën gebruik maken van het gepresenteerde leporinemodel, dat kan worden voorgesteld voor pacingstudies op middellange termijn. Voor zover wij weten, is deze studie de eerste die de voordelen van zo'n klein zoogdiermodel voor complexe cardiale pacing-experimenten aantoont21. Kortom, met de beschreven methodologie kan een pacingsysteem op mensenmaat met succes worden geïmplanteerd in kleine zoogdieren, ondanks de kwetsbaarheid van het weefsel en de delicate anatomie. Na de training is deze techniek gemakkelijk reproduceerbaar en biedt het een basis voor modellen van tempotachycardie met brede toepassingen in cardiovasculair onderzoek.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten.
Acknowledgments
De auteurs willen het advies en de hulp van Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková en Tereza Vavříková dankbaar bedanken voor hun inspiratie, werk en technische ondersteuning. Dit werk werd gefinancierd door MH CZ-DRO (NNH, 00023884), IG200501 subsidie.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Power, J. M., Tonkin, A. M. Large animal models of heart failure. Australian and New Zealand Journal of Medicine. 29 (3), 395-402 (2008).
- Hála, P., et al. Tachycardia-induced cardiomyopathy as a chronic heart failure model in swine. Journal of Visualized Experiments. (132), e57030 (2018).
- Powers, J. C., Recchia, F. Canine model of pacing-induced heart failure. Methods in Molecular Biology. 1816, 309-325 (2018).
- Whipple, G. H., Sheffield, L. T., Woodman, E. G., Theophilis, C., Friedman, S. Reversible congestive heart failure due to chronic rapid stimulation of the normal heart. Proceedings of the New England Cardiovascular Society. 20, 39-40 (1962).
- Laughner, J. I., et al. A fully implantable pacemaker for the mouse: From battery to wireless power. PLoS One. 8 (10), 76291 (2013).
- Yue-Chun, L., et al. Establishment of a canine model of cardiac memory using endocardial pacing via internal jugular vein. BMC Cardiovascular Disorders. 10, 30 (2010).
- Gutruf, P., et al. Wireless, battery-free, fully implantable multimodal and multisite pacemakers for applications in small animal models. Nature Communications. 10 (1), 5742 (2019).
- Zhou, L., et al. A percutaneously implantable fetal pacemaker. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2014, 4459-4463 (2014).
- Zhou, L., Chmait, R., Bar-Cohen, Y., Peck, R. A., Loeb, G. E. Percutaneously injectable fetal pacemaker: Electrodes, mechanical design and implantation. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2012, 6600-6603 (2012).
- Jordan, C. P., et al. Minimally invasive resynchronization pacemaker: A pediatric animal model. The Annals of Thoracic Surgery. 96 (6), 2210-2213 (2013).
- Freeman, G. L., Colston, J. T. Myocardial depression produced by sustained tachycardia in rabbits. American Journal of Physiology. 262, 63-67 (1992).
- Ryu, K. H., et al. Force-frequency relations in the failing rabbit heart and responses to adrenergic stimulation. Journal of Cardiac Failure. 3 (1), 27-39 (1997).
- Hulsmans, M., et al. A miniaturized, programmable pacemaker for long-term studies in the mouse. Circulation Research. 123 (11), 1208-1219 (2018).
- Nishida, K., Michael, G., Dobrev, D., Nattel, S. Animal models for atrial fibrillation: Clinical insights and scientific opportunities. Europace. 12 (2), 160-172 (2010).
- Clementy, N., et al. Pacemaker complications and costs: A nationwide economic study. Journal of Medical Economics. 22 (11), 1171-1178 (2019).
- Armoundas, A. A., et al. Cellular and molecular determinants of altered Ca2+ handling in the failing rabbit heart: primary defects in SR Ca2+ uptake and release mechanisms. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 292 (3), 1607-1618 (2007).
- Giraldo, A., Talavera López, J., Brooks, G., Fernández-Del-Palacio, M. J. Transthoracic echocardiographic examination in the rabbit model. Journal of Visualized Experiments. (148), e59457 (2019).
- Spannbauer, A., et al. Large animal models of heart failure with reduced ejection fraction (HFrEF). Frontiers in Cardiovascular Medicine. 6, 117 (2019).
- Byrne, M. J., et al. An ovine model of tachycardia-induced degenerative dilated cardiomyopathy and heart failure with prolonged onset. Journal of Cardiac Failure. 8 (2), 108-115 (2002).
- Hála, P., et al. Increasing venoarterial extracorporeal membrane oxygenation flow puts higher demands on left ventricular work in a porcine model of chronic heart failure. Journal of Translational Medicine. 18 (1), 75 (2020).
- Riehle, C., Bauersachs, J. Small animal models of heart failure. Cardiovascular Research. 115 (13), 1838-1849 (2019).
