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Medicine

孤立大鼠心脏长期心室颤动模型

Published: February 17, 2023 doi: 10.3791/65101

Summary

该协议提出了由低压交流电连续刺激引起的大鼠心脏长期心室颤动的模型。该模型成功率高,稳定可靠,可重复,对心脏功能影响小,仅引起轻度心肌损伤。

Abstract

心室颤动(VF)是一种致命的心律失常,在心脏病患者中发病率很高,但灌注下的VF骤停是心脏外科领域被忽视的术中停搏方法。随着心脏手术的最新进展,对灌注下长期VF研究的需求有所增加。然而,该领域缺乏简单、可靠和可重复的慢性心室颤动动物模型。该方案通过交流电(AC)电刺激心外膜诱导长期VF。采用不同条件诱导VF,包括用低电压或高电压连续刺激以诱导长期VF和用低电压或高压刺激5 min以诱导自发的长期VF。比较不同情况的成功率,以及心肌损伤和心脏功能恢复的发生率。结果表明,连续低压刺激诱导长期VF,5 min低压刺激诱导自发性长期VF,伴轻度心肌损伤,心功能恢复率高。然而,低电压、连续激励的长期VF模型具有较高的成功率。高压刺激提供了更高的VF诱导率,但除颤成功率低,心脏功能恢复不良,心肌损伤严重。基于这些结果,推荐连续低压心外膜交流电刺激,其成功率高,稳定性高,可靠性高,重现性强,对心脏功能影响小,心肌损伤轻。

Introduction

心脏手术通常通过开胸术进行,阻塞主动脉并灌注心脏停滞溶液以阻止心脏。重复心脏手术可能比初始手术更具挑战性,并发症和死亡率更高123。此外,传统的正中胸骨切开术可能会对胸骨后面的桥血管、升主动脉、右心室和其他重要结构造成损害。结缔组织分离引起的大量出血、胸骨伤口感染和胸骨切开术引起的胸骨骨髓炎都是可能的并发症。大量解剖会增加重要心脏结构病变和出血的风险。

随着微创心脏手术的发展,切口越来越小,有时难以实现心脏骤停。在心室颤动(VF)下重复心脏手术4,5是安全、可行的并且可以提供更好的心肌保护。因此,该协议介绍了微创体外循环手术中VF心脏骤停的方法。心脏在VF期间失去有效收缩,因此在手术过程中无需缝合和阻塞升主动脉,这简化了手术。然而,即使心脏连续灌注,长期VF仍然可能对心脏有害。

随着这种方法的使用越来越广泛,如何在VF期间保护心脏的问题变得越来越重要。这将需要使用长期VF的动物模型进行广泛而深入的研究。过去,该领域的研究主要使用大型动物67,并且需要外科医生,麻醉师灌注师和其他研究人员之间的合作。这些研究耗时太长,样本量通常很小,研究通常侧重于心脏功能,而不是机制和分子评估。迄今为止,还没有研究报告建立长期VF模型的详细方案。

因此,该协议提供了使用Langendorff装置开发长期VF大鼠模型所需的详细信息。该方案简单、经济、可重复且稳定。

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Protocol

本次调查中使用的所有实验程序和方案均由解放军总医院动物护理和使用委员会审查批准。

1. 准备朗根道夫仪器

  1. 准备克雷布斯-亨塞莱特(K-H)缓冲液。要制备 K-H 缓冲液,请在蒸馏水中加入以下内容:118.0 mM NaCl、4.7 mM KCl、1.2 mM MgSO 4、1.2 mM NaH 2 PO4、1.8 mM CaCl2、25.0 mM NaHCO3、11.1 mM 葡萄糖和 0.5 mM EDTA。
  2. 准备改进的朗根道夫灌注系统。
    1. 在大约80mmHg的压力下用95%O 2 + 5%CO2连续充气含有K-H缓冲液的烧瓶。将灌注管的一端放入K-H缓冲液中,将灌注管的中间穿过水浴,并将钝的20G针连接到灌注管的另一端。
    2. 将针头悬挂在金属丝支架上。调节水浴的温度,使灌注系统末端的K-H缓冲液的温度为37.0°C±1.0°C。

2. 准备硬件和软件

  1. 硬件
    1. 使用生理信号记录仪将所有模拟信号数字化并记录下来。使用两个不锈钢针电极记录双极心电图(ECG),并使用两个不锈钢针电极进行电刺激。
    2. 将四个电极的一端连接到生理信号记录器,另一端靠近连接到设备后心脏将定位的区域。
  2. 软件
    1. 使用笔记本电脑软件自动识别、调整和记录双极心电图和血流动力学参数。参数包括左心室压差 (LVPD)、左心室发展压 (LVDP) 与左心室舒张末期压 (LVEDP) 之间的差异以及心率 (HR)。
    2. 将电刺激器参数设置为 30 Hz AC,低压组接收 2 V,高压组接收 6 V。

3.准备孤立的心脏

  1. 准备动物。
    1. 腹膜内注射0.05mg / kg丁丙诺啡和1,000IU / kg肝素钠后,用2%异氟醚麻醉Sprague-Dawley(SD)大鼠。确保大鼠已停止对脚趾捏的反应。
    2. 将大鼠转移到小动物手术平台上,将大鼠置于仰卧位,并用75%乙醇对胸部进行消毒。
  2. 切除心脏。
    1. 颈椎夹层和气管插管后将大鼠连接到呼吸机上,用齿钳将皮肤从剑突上提起,并用组织剪刀在皮肤上做一个3厘米的横向切口。将皮肤和肋骨切口以V形延伸至两侧的腋窝。
    2. 用组织钳颅骨反射胸骨,以充分暴露心脏和肺部。
    3. 使用两个弯曲的镊子分离并钝切地解剖胸腺。夹住胸腺组织,并将其横向偏转两侧以露出主动脉及其分支。
    4. 使用弯曲的镊子对主动脉和肺动脉进行钝性分离,便于以后使用眼科剪刀取出心脏,并在心脏被移除后将其悬挂。
      注意:对于不熟悉此过程的用户,可以省略步骤 3.2.4。
    5. 使用钝性夹层将头臂干与周围组织分开。然后,用弯曲的镊子夹住头臂躯干,以利于取出心脏。快速切断头臂干和左颈总动脉之间的主动脉。一旦心脏被移除,老鼠就会死亡。
    6. 切断多余的组织,并立即将心脏浸入0-4°C的带有K-H缓冲液的培养皿中,以洗涤并泵出残留的血液。
      注意:建议在头臂干和左颈总动脉之间横断主动脉,因为保留躯干可以识别主动脉并估计插管深度。
  3. 暂停心脏。
    1. 将心脏转移到第二个培养皿中。识别主动脉。使用两个眼科镊子提起主动脉,并将钝针插入朗根道夫装置。
    2. 将主动脉深度调整到适当的位置。让助手用 0 缝合线打结。然后,打开灌注流量调节器。
      注意:在整个过程中注意避免任何气泡进入心脏。此外,请注意,从切开主动脉到初始灌注的时间不应超过2分钟。
    3. 将连接到压力传感器的小型改良乳胶球囊插入左心房,然后将球囊通过二尖瓣推入左心室。用蒸馏水填充球囊,以达到 5-10 mmHg 的舒张末期压力。
    4. 将心电图和电刺激电极连接到心脏。然后,将心脏放入夹套玻璃室中,以保持37.0°C±1.0°C的内部温度。
      注意:使用以下排除条件:心率<每分钟 250 次;冠状动脉流量(毫升/分钟)<10 毫升/分钟或>25 毫升/分钟。ECG和电刺激电极的连接位置如图 1A所示,夹套玻璃室如图 1B所示。

4.灌注和电刺激心脏(图2

  1. 平衡阶段(0-30分钟)
    1. 开始灌注,并保持约37°C的温度,直到心脏自主跳动;然后,让心脏平衡20分钟。
    2. 调节水浴温度,将夹套玻璃室内的温度保持在约30°C。
      注意:整个冷却过程应持续约10分钟。
  2. 电刺激阶段(30-120分钟)
    1. 温度达到所需水平后,激活笔记本电脑软件上的电刺激开关。
      注意:电刺激开始时的双极心电图和左心室压(LVP)如图 3A所示。
    2. 如果动物是持续刺激的长期VF组的一部分,则允许90分钟的电刺激。如果动物处于诱导的自发长期VF组中,则允许5分钟的电刺激,然后关闭电刺激,并允许90分钟用于自发的长期VF,如图 3B所示。
      注意:对于自发性长期VF组中在电刺激后90分钟内未发生自发性VF的心脏,则关闭电刺激,因为它们不符合纳入标准。
  3. 复温、除颤和跳动阶段(120-180 分钟)
    1. VF90分钟后,使用电极给予0.1J的直流除颤,如图 3C所示。
    2. 同时调节水浴温度,使夹套玻璃室内的温度缓慢上升至约37°C。 继续加热过程约10分钟。
    3. 除颤后,让心脏跳动60分钟,然后在约37°C下用10%KCl缓慢灌注停止跳动。 取出心脏进行进一步分析。
      注意:除颤后不跳动的心脏不符合纳入标准。此外,重要的是在冷却前(20分钟),除颤后(120分钟)和实验结束时(180分钟)收集冠状动脉积液。

5. 进行肌酸激酶-MB (CK-MB) 测定和组织学分析

  1. CK-MB 检测
    1. 使用自动生化分析仪和商用 CK-MB 检测试剂盒确定收集的冠状动脉积液中的 CK-MB 水平8.
  2. 组织学分析
    1. 将心脏固定在缓冲的10%福尔马林中,使心脏脱水,然后将其嵌入石蜡中。
    2. 使用切片机将石蜡包埋的组织切成5μm部分;然后,将这些切片安装在载玻片上,并用苏木精和伊红9染色。

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Representative Results

实验共使用57只大鼠,其中30只符合纳入标准。将纳入的动物分为5组,每组6只:对照组(C组)、低压持续刺激长期VF组(LC组)、高压持续刺激长期VF组(HC组)、低压诱导自发长期VF组(LI组)和高压诱导自发长期VF组(HI组)。每组的实验过程如图 2所示。

VF模型的成功率
VF的比率,除颤的成功率和VF模型的成功率如 表1所示。LC组和HC组接受连续电刺激,因此VF的成功率为100%,但HC组的除颤成功率较低。5分钟后关闭电刺激的LI组和HI组的VF率不同,但与LC组和HC组相比,两组的VF率均较低。虽然电压较高的组VF发生率较高,但除颤成功率较低。LC组和LI组的除颤成功率较高,但总体而言,LC组的模型成功率最高,而LI组的模型成功率较低。

血流动力学变化
五个实验组的HR、冠状动脉血流(CF)和LVPD恢复率如图4A-C所示。回收率表示实验结束时相关值的百分比除以实验开始时的值。将各组血流动力学数据与对照组(C组)的血流动力学数据进行比较。C组血流动力学在实验期间保持稳定,HR、CF和LVPD略有下降。低电压诱导VF组性能相似,回收率较高。与C组相比,这些组的HR和LVPD差异无统计学意义,但CF的恢复率明显优于C组。

相比之下,高压诱导长期VF组血流动力学恢复率较差,高压持续刺激长期VF组恢复率最差。

CK-MB 测定和组织学分析结果
冠状动脉积液中的 CK-MB 水平反映了心肌损伤。如图4D所示,对实验结束时收集的冠状动脉积液的分析表明,两个高压组的CK-MB水平都较高。两个低压组和C组之间没有发现差异,苏木精和伊红染色显示HC组的电极烧伤区域(图5)。

分离灌注心脏总数 VF数量 VF 率 除颤后的跳动次数 除颤后的跳动率 VF模型的成功率
C组 6 - - - - -
集团信用证 7 7 100% 6 85.71% 85.71%
慧聪集团 14 14 100% 6 42.86% 42.86%
李集团 16 7 43.75% 6 85.71% 37.50%
HI集团 14 10 71.43% 6 60.00% 42.86%

表 1:VF 模型的成功率。 缩写:VF = 心室颤动;C组=对照组;组LC=低压连续激励VF组;HC组=高压连续激励VF组;LI组=低电压诱导的自发VF组;组HI=高压诱导自发VF组。

Figure 1
图 1:电极和夹套玻璃室设置。 (A)电刺激电极和双极心电图(ECG)电极在分离的大鼠心脏上的位置。白色箭头指向电刺激电极。黑色箭头指向双极心电图电极。(B)在实验过程中用水浴和夹套玻璃室进行温度控制。请点击此处查看此图的大图。

Figure 2
图2:心脏灌注和电刺激程序。 缩写:a = 开始冷却;b = 开始刺激;c = 停止刺激;d = 开始复温;e = 除颤。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 3
图 3:双极心电图 (ECG) 和左心室压差 (LVPD)。 A)开始交流电(AC)刺激后发生心室颤动(VF)。(B)AC刺激停止后发生自发性VF。(C)除颤后心脏恢复跳动。缩写:a = 开始刺激;b = 停止刺激;c = 除颤。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 4
图4:实验结束时收集的冠状动脉积液中的血流动力学恢复率和肌酸激酶-MB(CK-MB)值 。 (A)每组的心率(HR)恢复率。(B)每组冠状动脉血流(CF)恢复率。(C)各组左心室压差(LVPD)恢复率。(D)每组肌酸激酶-MB(CK-MB)值。缩写:VF = 心室颤动。(公元)条形显示标准差 (SD) ±平均值。使用GraphPad Prism进行单因素方差分析,然后进行Tukey的多重比较测试。n = 每组6只大鼠。*:与C组相比; #:与组LC相比。 小于 0.05 的 P 值被认为具有统计学意义。*/#P < 0.05;**/##P < 0.01;/###: P < 0.001;/####: P < 0.0001。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 5
图5:心尖处心肌组织的苏木精和伊红染色。 绿色方块为HC组的电刺激电极烧伤区域。简称:HC组=高压连续刺激长期心室颤动组。 请点击此处查看此图的大图。

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Discussion

该协议在孤立的大鼠心脏中建立了长期VF的动物模型,该模型以前未报道过。此外,本研究还比较了不同的电刺激条件。本研究为心脏手术期间心室颤动骤停相关的研究提供了一个模型。

模型的成功率是非常重要的指标,与人员、时间、经济成本有关。在VF模型中,成功率包括VF是否可以在心脏中诱导以及除颤后心脏是否可以恢复正常跳动。此外,应考虑心功能恢复率和心肌损伤。为了成为心脏手术要求的合适模型,心脏的VF时间需要在低温下达到1-2小时,因此,在该协议中,VF时间为90分钟。

建议使用低电压对心脏功能和心肌损伤影响不大。因此,本研究比较了使用低电压和高电压的成功率,以及连续或5分钟电刺激诱导大鼠心脏VF的成功率。每组制作了六个合格的VF模型。LI组共试验16只大鼠,模型成功率为37.50%,LC组仅试验7只,成功率为85.71%。此外,在这项研究中,LC组和LI组之间的HR,LVPD恢复率或CK-MB水平没有显着差异。

在心动周期的脆弱时期,足够强度的电刺激会产生VF10。在这项研究中,HC组和HI组的VF发病率高于其他组。然而,CK-MB分析和苏木精和伊红染色结果表明,高压刺激可能导致严重的心肌损伤,导致除颤率低。此外,高压组VF后心脏除颤率明显低于低压组。

这些数据表明,低压连续刺激长期VF是模型成功率最高、除颤后心功能恢复率好、心肌损伤较少的最佳模型。

两个低压组的CF恢复率优于C组,与类似研究报告一致。在之前的一项研究中,体外循环 (CPB) 下的犬心通过扩张的冠状动脉11 显示流量显着增加,这增加了心内膜量的三倍于心外膜流量。冠状动脉血流量增加可能提供足够的氧气来满足增加的代谢需求。因此,在犬模型中,正常心室在自发性VF30-60分钟后没有显示代谢或功能障碍或组织学变化。在另一项CPB犬心研究12中,自发和持续刺激的VF的CF高于正常空跳心脏。

为了模拟心脏手术期间的温度,本研究在VF期间将K-H缓冲液的温度和环境温度控制在约30°C。左心室扩张性随跳动心脏体温过低而降低,但随着VF心脏体温过低而增加。在之前的一项研究中,VF心脏的心肌耗氧量在37°C时高于正常空跳心脏,低于28°C时空跳心脏13。因此,降低温度对灌注的VF心脏有更多好处。

电极的位置会影响VF的发生。在该协议中,针状电极固定在右心室的底部和顶端,以获得整个心脏的电刺激并获得冠状动脉积液以进行生化分析。之前的一项研究将电极固定在右心室的心内膜上,将另一极置于 K-H 缓冲液中,并将心脏浸入 K-H 缓冲液14 中。此外,研究报告了在右心室心内膜15 中放置八极电生理导管、心外膜多部位光刺激16 和使用心外膜多电极阵列 (MEA) 进行心外膜电刺激 17

在之前的报告中,研究人员在37°C下用0.05mA 30Hz AC对分离的大鼠心脏进行了3分钟的电刺激,以获得20分钟的VF而不灌注14。10-30 Hz AC 也已用于在孤立的非缺血性雪貂心脏中诱导 VF18。此外,1.5-4.5 V AC12、7.5 V AC 13 和无限制电压 AC19 已用于狗的体外循环实验。值得注意的是,诱导VF的电压或电流阈值在孤立的心脏和体内之间不同,孤立心脏中的刺激强度较小20。在用AC诱导VF的各种研究中,影响结果的主要因素是电刺激的强度而不是频率。在这些研究中,电刺激的频率并不相同,但也注意到30 Hz产生的VF发生率高于10 Hz21。直流 (DC) 也已用于电刺激 VF 的研究,但直流更常用于短期 VF,因为直流诱导 VF 的阈值是 AC22 的三倍。此外,在高能量下长时间刺激下,直流电可能会加重心肌损伤。电除颤也会导致心肌损伤,但研究表明,只有在除颤能量比该方案中使用的除颤能量高得多的情况下才会造成严重损伤23

注意一些步骤对于使该协议成功至关重要。麻醉大鼠后必须连接呼吸机,以避免呼吸停止引起的缺血,这会混淆实验结果。取出心脏后,应将其特别是主动脉根部浸入0-4°C K-H缓冲液中,心脏在收缩前应迅速悬浮,以避免空气进入心脏。针头不能太深地进入主动脉,因为这会减少冠状动脉灌注。悬浮心脏时,主动脉根部的丝结扎应包括头臂干;否则,冠状动脉灌注将被分流。冠状动脉血流异常增加有助于识别此问题。电极的深度应约为1毫米;放置太深的电极会穿透心室壁,放置太浅的电极可能会移位。

对于某些研究,研究人员可能希望模拟长期自发性VF的状态,但小型哺乳动物心脏的特征是自发除颤率高2425。不应期长、传导快、肿块小不利于VF的维持,心脏在短时间内恢复正常节律。以前对具有不同VF条件的小动物进行了类似的研究;然而,这些研究都评估了短期VF。自发性VF不是通过单独冷却发生的,必须在不同条件下通过电刺激诱导,这是本研究的局限性。

总之,低压连续心外膜交流电刺激表现出较高的成功率、稳定性、可靠性和可重复性,特别是因为它具有对心脏功能影响小、心肌损伤小的特点,使其成为延长VF的可扩展模型。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了中国人民解放军总医院第一医学中心心血管外科和中国人民解放军总医院实验动物中心的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0 Non-absorbable suture Ethicon, Inc. Preparation of the isolated heart
95% O2 + 5% CO2 Beijing BeiYang United Gas Co., Ltd.  K-H buffer
AcqKnowledge software BIOPAC Systems Inc. Version 4.2.1 Software
Automatic biochemistry analyzer Rayto Life and Analytical Sciences Co., Ltd. Chemray 800 CK-MB assay
BIOPAC research systems BIOPAC Systems Inc. MP150 Hardware
Blunt needle (20 G, TWLB) Tianjin Hanaco MEDICAL Co., Ltd. H-113AP-S Modified Langendorff perfusion system
Calcium chloride Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 10005861 K-H buffer
CK-MB assay kits  Changchun Huili Biotech Co., Ltd. C060 CK-MB assay
Curved forcep Shanghai Medical Instrument (Group) Co., Ltd. Preparation of the isolated heart
EDTA Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 10009717 K-H buffer
Electrical stimulator BIOPAC Systems Inc. STEMISOC Hardware
Filter Tianjin Hanaco MEDICAL Co., Ltd. H-113AP-S
Glucose Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 63005518 K-H buffer
Heparin sodium Tianjin Biochem Pharmaceutical Co., Ltd. H120200505 Preparation of the isolated heart
Isoflurane RWD Life Science Co.,LTD 21082201 Preparation of the isolated heart
Magnesium sulfate Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 20025118 K-H buffer
Needle electrodes BIOPAC Systems Inc. EL452 Hardware
Ophthalmic clamp Shanghai Medical Instrument (Group) Co., Ltd. Preparation of the isolated heart
Ophthalmic forceps Shanghai Medical Instrument (Group) Co., Ltd. Preparation of the isolated heart
Ophthalmic scissors Shanghai Medical Instrument (Group) Co., Ltd. Preparation of the isolated heart
Perfusion tube Tianjin Hanaco MEDICAL Co., Ltd. H-113AP-S Modified Langendorff perfusion system
Potassium chloride Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 10016318 K-H buffer
Sodium bicarbonate Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 10018960 K-H buffer
Sodium chloride Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 10019318 K-H buffer
Sodium dihydrogen phosphate dihydrate Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd 20040718 K-H buffer
Sprague-Dawley (SD) rats SPF (Beijing) biotechnology Co., Ltd. Male, 300-350g Preparation of the isolated heart
Thermometer Jiangsu Jingchuang Electronics Co., Ltd. GSP-6 Modified Langendorff perfusion system
Tissueforceps Shanghai Medical Instrument (Group) Co., Ltd. Preparation of the isolated heart
Tissue scissors Shanghai Medical Instrument (Group) Co., Ltd. Preparation of the isolated heart
Toothed forceps Shanghai Medical Instrument (Group) Co., Ltd. Preparation of the isolated heart
Ventilator Chengdu Instrument Factory DKX-150 Preparation of the isolated heart
Water bath1 Ningbo Scientz Biotechnology Co.,Ltd. SC-15 Modified Langendorff perfusion system
Water bath2 Shanghai Yiheng Technology Instrument Co., Ltd. DK-8D Modified Langendorff perfusion system

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References

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医学,第192期,心室颤动,电刺激,孤立心脏,心脏功能,心肌损伤,动物模型
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He, X., Li, L., Xu, W., Jiang, S. AMore

He, X., Li, L., Xu, W., Jiang, S. A Model of Long-Term Ventricular Fibrillation in Isolated Rat Hearts. J. Vis. Exp. (192), e65101, doi:10.3791/65101 (2023).

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