טכניקה שונה לשימוש בלבבות מורין יילודים בהכנת לנגנדורף
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר תותח אבי העורקים וזליפה מדרדרת של לב מורין ילודים לשעבר . אסטרטגיה של שני אנשים, באמצעות מיקרוסקופ ניתוח ומחט מד קטנה קהה, מאפשרת תותח אמין. כימות מתח התכווצות אורכי מושג באמצעות מתמר כוח המחובר לפסגת החדר השמאלי.
Abstract
השימוש ב-ex-vivo retrograde perfused heart הוא כבר מזמן אבן פינה בחקר איסכמיה-רפרפוזיה מאז פיתוחו על ידי אוסקר לנגנדורף לפני למעלה ממאה שנה. למרות שטכניקה זו יושמה על עכברים במהלך 25 השנים האחרונות, השימוש בה במין זה הוגבל לבעלי חיים בוגרים. פיתוח שיטה מוצלחת לשימור עקבי של אבי העורקים של מורין ילודים יאפשר מחקר שיטתי של הלב המבודד במשך תקופה קריטית של התפתחות לבבית הניתנת למהנדס גנטית ובעלות נמוכה. שינוי הכנת הלנגנדורף מאפשר תותח והקמת רפרפוזיה בלב המורין היילודי תוך מזעור הזמן האיסכמי. אופטימיזציה דורשת טכניקה של שני אנשים כדי לאפשר שימורים מוצלחים של אבי העורקים של העכבר שזה עתה נולד באמצעות מיקרוסקופ ניתוח ומחט זמינה מסחרית שונה. השימוש בגישה זו יקבע באופן אמין פרפוזיה מדרדרת תוך 3 דקות. מכיוון שהשבריריות של לב העכבר היילוד וגודל החלל בחדר מונעת מדידה ישירה של לחץ תוך חדרי שנוצר באמצעות בלון, יש צורך בשימוש במתמר כוח המחובר על ידי תפר לפסגת החדר השמאלי כדי לכמת את מתח התכווצות האורך. שיטה זו מאפשרת לחוקרים לבסס בהצלחה הכנה ללב מורין של מורין שזה עתה נולד בזרימה קבועה מבודדת, ומאפשרת לחקור ביולוגיה התפתחותית של הלב באופן אקס-ויוו . חשוב לציין שמודל זה יהיה כלי רב עוצמה לחקור את התגובות הפיזיולוגיות והפרמקולוגיות לאיסכמיה-רפרפוזיה בלב היילודים.
Introduction
תכשירי לב Ex-vivo היו מרכיב עיקרי במחקרים פיזיולוגיים, פתופיזיולוגיים ופרמקולוגיים במשך למעלה ממאה שנה. בעקבות עבודתו של אליאס סיון בשנות ה-60 של המאה ה-19, אוסקר לנגנדורף התאים את מודל הצפרדע המבודדת לפרפוזיה מדרדרת, תוך הפעלת לחץ על שורש אבי העורקים כדי לספק זרימה כלילית עם פרפוזטמחומצן 1. באמצעות ההסתגלות שלו, לנגנדורף הצליח להדגים מתאם בין מחזור כלילי לתפקוד מכני2. הלב המנוקד ex-vivo retrograde, שלימים כונה טכניקת לנגנדורף, נותר אבן פינה בחקירה הפיזיולוגית, תוך מינוף פשטותו כדי לחקור בעוצמה את הלב המבודד בהיעדר קונפונדרים פוטנציאליים. הכנת לנגנדורף שונתה עוד יותר כדי לאפשר ללב לפלוט (מה שמכונה “הלב העובד”) ולאפשר לפרפוסאט לחזורעל עצמו 3. עם זאת, נקודות הקצה הפיזיולוגיות העיקריות של העניין נותרו ללא שינוי. נקודות קצה כאלה כוללות מדדים של תפקוד התכווצות, הולכה חשמלית, חילוף חומרים לבבי ועמידות כלילית4.
כדי להעריך את תפקוד הלב בהכנת לב הצפרדע המקורית שלו, לנגנדורף מדד את המתח שנוצר על ידי התכווצות חדרית בציר האורך באמצעות תפר המחובר בין פסגת הלב לבין מתמר כוח. 5 התכווצות איזומטרית כומתה באופן זה עם מתח בסיסי המופעל על הלב בהיעדר מילוי חדרי. חידוד הגישה הוביל לבלונים מלאים בנוזלים שהוכנסו לחדר השמאלי דרך האטריום השמאלי כדי להעריך את ביצועי שריר הלב במהלך התכווצות איזובולומית6. כדי להעריך את קצב הלב ואת קצב הלב, ניתן להניח מוליכים על פני השטח על הקטבים של הלב כדי לאפשר לחוקרים להקליט את האלקטרוקרדיוגרמה. עם זאת, ניתן לצפות לברדיקרדיה יחסית, בהתחשב בניתוק העצבים המחייב. קצב חיצוני עשוי לשמש להתגברות על כך ולבטל את השתנות הדופק בין ניסויים1. מדד תוצאה נוסף, חילוף החומרים של שריר הלב, ניתן להעריך על ידי מדידת תכולת החמצן והמצע המטבולי בפרפוזט ובשפכים הכליליים וחישוב ההפרש ביניהם7. כימות לקטט בשפכים הכליליים יכול לסייע באפיון תקופות של חילוף חומרים אנאירובי כפי שניתן לראות עם היפוקסיה, היפופרפוזיה, איסכמיה-רפרפוזיה או הפרעות מטבוליות7.
עבודתו המקורית של לנגנדורף אפשרה את חקר לב היונקים לשעבר, תוך שימוש בחתולים כנושא העיקרי5. הערכת לב החולדה המבודדת צברה פופולריות באמצע המאה ה-20 עם הווארד מורגן, שפירט את מודל החולדה “לב עובד” בשנת 19675. השימוש בעכברים החל רק לפני 25 שנה בשל המורכבות הטכנית, שבריריות הרקמות וגודל הלב הקטן יחסית של מורין. למרות האתגרים הכרוכים בחקר עכברים, העלויות הנמוכות יותר והקלות של מניפולציה גנטית הגבירו את המשיכה והביקוש של תכשירי murine ex-vivo כאלה. למרבה הצער, היישום של הטכניקה הוגבל לבעלי חיים בוגרים, כאשר עכברים צעירים בני 4 שבועות הם הנבדקים הצעירים ביותר ששימשו למחקר ex-vivo עד לאחרונה 8,9. בעוד שעכברים צעירים הם “לא בוגרים יחסית” בהשוואה למבוגרים, התועלת שלהם כנבדקים למחקרי ביולוגיה התפתחותית מוגבלת מכיוון שהם נגמלו, על פי רוב, מסכר הלידה שלהם ובקרוב יתחילו אתגיל ההתבגרות 10. גיל ההתבגרות מתרחש הרבה מעבר למעבר לאחר הלידה בניצול מצע שריר הלב מגלוקוז ולקטאט לחומצות שומן11. לפיכך, רוב המידע על השינויים המטבוליים בלב היילודים נבע באופן היסטורי מעבודת ex-vivo במינים גדולים יותר כגון ארנבות וחזירי ים11.
ואכן, קיימות גישות חלופיות להכנת לנגנדורף. אלה כוללים ניסויים במבחנה, אשר חסרים את כל הנתונים הפונקציונליים של האיבר ואת ההקשר, או מחקרי in vivo. זה יכול להיות מאתגר ומסובך מבחינה טכנית על ידי משתנים מבלבלים כגון ההשפעות הקרדיווסקולריות והנשימה של חומר הרדמה נדרש, ההשפעה של קלט נוירוהומורלי, ההשלכות של טמפרטורת הליבה, המצב התזונתי של החיה וזמינות המצע12,13. מכיוון שגישת לנגנדורף מאפשרת לחקור את הלב המבודד-מחורר באופן אקס-ויוו באופן מבוקר יותר בהיעדר מבלבלים כאלה, היא הייתה וממשיכה להיחשב ככלי מחקרי רב עוצמה. לכן, הטכניקה המוצגת כאן מעניקה לחוקרים גישה ניסיונית למחקר ex-vivo של לב מורין שזה עתה נולד ומגבילה את הזמן לרפרפוזיה.
חקר הלב בתקופות של התפתחות הוא שיקול חשוב בהתחשב במעברים הביוכימיים, הפיזיולוגיים והאנטומיים הנרחבים המתרחשים במהלך התבגרות שריר הלב. מעברים מחילוף חומרים אנאירובי לזרחון חמצוני, שינויים בניצול המצע והתקדמות מהתפשטות תאים להיפרטרופיה הם תהליכים דינמיים המתרחשים באופן ייחודי בלב הלא בוגר11,14. היבט קריטי נוסף של הלב המתפתח הוא שגורמי לחץ שנתקלים בהם בתקופות הכרחיות עשויים לייצר תגובות מוגברות בלב התינוק ולשנות את הרגישות העתידית לעלבונות בבגרות15. אף על פי שעבודה קודמת השתמשה בחולדות, כבשים וארנבות שזה עתה נולדו כדי לחקור את לב היילודים הנוקשה בלנגנדורף, יש צורך בהתקדמות המתירה שימוש בעכברים בהתחשב בחשיבותו של מין זה למחקר הביולוגיה ההתפתחותית16. כדי לענות על הצורך הזה, מודל הלב הנולד הראשון של מורין לנגנדורף באמצעות בעלי חיים בני 10 ימים הוקם לאחרונה6. מוצגת כאן שיטה המאפשרת שימורים מוצלחים של אבי העורקים ומבססת זלוף מדרדר של לב המורין המבודד שזה עתה נולד. גישה זו עשויה לשמש לפרמקולוגיה, איסכמיה-רפרפוזיה או מחקרי חילוף חומרים המתמקדים בתפקוד איברים שלמים או שניתן להתאים אותה לבידוד של קרדיומיוציטים.
Protocol
Representative Results
Discussion
העבודה הנוכחית מתארת תותח אבי העורקים מוצלח וזלוף מדרדר בלב העכבר המבודד. חשוב מכך, הוא מאפשר לחוקרים להתגבר על המחסומים שגיל מורין הצעיר וגודל הלב הקטן הציגו בעבר8. הגישה אמנם אינה מורכבת בעיצובה, אך דורשת מידה משמעותית של מיומנות טכנית. צעדים מרכזיים שבהכרח יאתגרו אפילו את ה…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NIH/NINDS R01NS112706 (R.L.)
Materials
| Rodent Langendorff Apparatus | Radnoti | 130102EZ | |
| 24 G catheter | BD | 381511 | |
| 26 G needle on 1 mL syringe combo | BD | 309597 | |
| 26 G steel needle | BD | 305111 | |
| 5-0 Silk Suture | Ethicon | S1173 | |
| Bio Amp | ADInstruments | FE135 | |
| Bio Cable | ADInstruments | MLA1515 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901-100G | |
| Circulating heating water Bath | Haake | DC10 | |
| curved iris scissor | Medline | MDS10033Z | |
| dissecting microscope | Nikon | SMZ-2B | |
| find spring scissors | Kent | INS600127 | |
| Force Transducer | ADInstruments | MLT1030/D | |
| glucose | Sigma-Aldrich | G8270-100G | |
| Heparin | Sagent | 400-01 | |
| High pressure tubing | Edwards Lifesciences | 50P184 | |
| iris dressing forceps | Kent | INS650915-4 | |
| Jeweler-style curved fine forceps | Miltex | 17-307-MLTX | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P3911-25G | |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P0662-25G | |
| MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506-500G | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888-25G | |
| NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6014-25G | |
| Roller Pump | Gilson | Minipuls 3 | |
| straight dissecting scissors | Kent | INS600393-G | |
| Temporary cardiac pacing wire | Ethicon | TPW30 | |
| Wide Range Force Transducer | ADInstruments | MLT1030/A |
Referencias
- Bell, R., Mocanu, M., Yellon, D. Retrograde heart perfusion: The Langendorff technique of isolated heart perfusion. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 50 (6), 940-950 (2011).
- Skrzypiec-Spring, M., Grotthus, B., Szeląg, A., Schulz, R. Isolated heart perfusion according to Langendorff-still viable in the new millennium. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 55 (2), 113-126 (2007).
- Olejnickova, V., Novakova, M., Provaznik, I. Isolated heart models: Cardiovascular system studies and technological advances. Medical and Biological Engineering and Computing. 53 (7), 669-678 (2015).
- Döring, H. The isolated perfused heart according to Langendorff technique–function–application. Physiologia Bohemoslovaca. 39 (6), 481-504 (1990).
- Liao, R., Podesser, B., Lim, C. The continuing evolution of the Langendorff and ejecting murine heart: New advances in cardiac phenotyping. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 303 (2), 156-167 (2012).
- Barajas, M., Yim, P., Gallos, G., Levy, R. An isolated retrograde-perfused newborn mouse heart preparation. MethodsX. 7, 101058 (2020).
- De Leiris, J., Harding, D., Pestre, S. The isolated perfused rat heart: A model for studying myocardial hypoxia or ischaemia. Basic Research in Cardiology. 79 (3), 313-321 (1984).
- Liaw, N., et al. Postnatal shifts in ischemic tolerance and cell survival signaling in murine myocardium. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 305 (10), 1171-1181 (2013).
- Chaudhary, K., et al. Differential effects of soluble epoxide hydrolase inhibition and CYP2J2 overexpression on postischemic cardiac function in aged mice. Prostaglandins and Other Lipid Mediators. 104, 8-17 (2013).
- Dutta, S., Sengupta, P. Men and mice: Relating their ages. Life Sciences. 152, 244-248 (2016).
- Onay-Besikci, A. Regulation of cardiac energy metabolism in newborn. Molecular and Cellular Biochemistry. 287 (1), 1-11 (2006).
- Milani-Nejad, N., Janssen, P. M. L. Small and large animal models in cardiac contraction research: Advantages and disadvantages. Pharmacology and Therapeutics. 141 (3), 235-249 (2014).
- Kaese, S., Verheule, S. Cardiac electrophysiology in mice: A matter of size. Frontiers in Physiology. 3 (345), 00345 (2012).
- Tan, C., Lewandowski, A. The transitional heart: From early embryonic and fetal development to neonatal life. Fetal Diagnosis and Therapy. 47 (5), 373-386 (2020).
- Zhang, P., Lv, J., Li, Y., Zhang, L., Xiao, D. Neonatal lipopolysaccharide exposure gender-dependently increases heart susceptibility to ischemia/reperfusion injury in male rats. International Journal of Medical Sciences. 14 (11), 1163 (2017).
- Ziyatdinova, N., et al. Effect of If Current Blockade on Newborn Rat Heart Isolated According to Langendorff. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 167 (4), 424-427 (2019).
- Teng, B., Tilley, S., Ledent, C., Mustafa, S. In vivo assessment of coronary flow and cardiac function after bolus adenosine injection in adenosine receptor knockout mice. Physiological reports. 4 (11), 12818 (2016).
- Xu, W., et al. Lethal cardiomyopathy in mice lacking transferrin receptor in the heart. Cell Reports. 13 (3), 533-545 (2015).
- Gargiulo, S., et al. Mice anesthesia, analgesia, and care, Part I: Anesthetic considerations in preclinical research. Institute for Laboratory Animal Research. 53 (1), 55-69 (2012).
- Gargiulo, S., et al. Mice anesthesia, analgesia, and care, Part I: Anesthetic considerations in preclinical research. ILAR Journal. 53 (1), 55-69 (2012).
- Erhardt, W., Hebestedt, A., Aschenbrenner, G., Pichotka, B., Blümel, G. A comparative study with various anesthetics in mice (pentobarbitone, ketamine-xylazine, carfentanyl-etomidate). Research in Experimental Medicine. 184 (3), 159-169 (1984).
- Janssen, B., et al. Effects of anesthetics on systemic hemodynamics in mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 287 (4), 1618-1624 (2004).
- Zuurbier, C., Koeman, A., Houten, S., Hollmann, M., Florijn, W. Optimizing anesthetic regimen for surgery in mice through minimization of hemodynamic, metabolic, and inflammatory perturbations. Experimental Biology and Medicine. 239 (6), 737-746 (2014).
- Hard, G. Thymectomy in the neonatal rat. Laboratory Animals. 9 (2), 105-110 (1975).
- Sun, Z., Ambrosi, E., Bricalli, A., Ielmini, D. Logic computing with stateful neural networks of resistive switches. Advanced Materials. 30 (38), 1802554 (2018).
- Clancy, B., Finlay, B., Darlington, R., Anand, K. Extrapolating brain development from experimental species to humans. Neurotoxicology. 28 (5), 931-937 (2007).
- Hornig, M., Chian, D., Lipkin, W. Neurotoxic effects of postnatal thimerosal are mouse strain dependent. Molecular Psychiatry. 9 (9), 833-845 (2004).
- Langendorff, O. Untersuchungen am überlebenden Säugethierherzen. Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere. 61 (6), 291-332 (1895).
- Edlund, A., Wennmalm, &. #. 1. 9. 7. ;. Oxygen consumption in rabbit Langendorff hearts perfused with a saline medium. Acta Physiologica Scandinavica. 113 (1), 117-122 (1981).
- Kuzmiak-Glancy, S., Jaimes, R., Wengrowski, A., Kay, M. Oxygen demand of perfused heart preparations: How electromechanical function and inadequate oxygenation affect physiology and optical measurements. Experimental Physiology. 100 (6), 603-616 (2015).
- Wiesmann, F., et al. Developmental changes of cardiac function and mass assessed with MRI in neonatal, juvenile, and adult mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 278 (2), 652-657 (2000).
- Le, V., Kovacs, A., Wagenseil, J. Measuring left ventricular pressure in late embryonic and neonatal mice. Journal of visualized experiments. (60), e3756 (2012).
- Bednarczyk, J., et al. Incorporating dynamic assessment of fluid responsiveness into goal-directed therapy: A systematic review and meta-analysis. Critical Care Medicine. 45 (9), 1538 (2017).
- Louch, W., Sheehan, K., Wolska, B. Methods in cardiomyocyte isolation, culture, and gene transfer. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 51 (3), 288-298 (2011).
- Ackers-Johnson, M., Foo, R. Langendorff-free isolation and propagation of adult mouse cardiomyocytes. Methods in Molecular Biology. 1940, 193-204 (2019).
- Peng, Y., Buller, C., Charpie, J. Impact of N-acetylcysteine on neonatal cardiomyocyte ischemia-reperfusion injury. Pediatric Research. 70 (1), 61-66 (2011).
- Jarmakani, J., Nakazawa, M., Nagatomo, T., Langer, G. Effect of hypoxia on mechanical function in the neonatal mammalian heart. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 235 (5), 469-474 (1978).
- Podesser, B., Hausleithner, V., Wollenek, G., Seitelberger, R., Wolner, E. Langendorff and ischemia in immature and neonatal myocardia: Two essential key-words in Today’s cardiothoracic research. Acta Chirurgica Austriaca. 25 (6), 434-437 (1993).
- Popescu, M., et al. Getting an early start in understanding perinatal asphyxia impact on the cardiovascular system. Frontiers in Pediatrics. 8, 68 (2020).
