Novel Perkutan tilgang til indsættelse af 3D-trykte koronar stenose implantater i svin Modeller af iskæmisk hjertesygdom
Summary
Vi beskriver en ny, omkostningseffektiv og effektiv teknik til perkutan levering af tredimensionalt trykte koronarimplantater for at skabe svin modeller af iskæmisk hjertesygdom. Implantaterne blev fastgjort på plads ved hjælp af en mor-og-barn forlængelse kateter med høj succesrate.
Abstract
Minimalt invasive metoder til at skabe modeller af brændkoronar indsnævring i store dyr er udfordrende. Rapid prototyping ved hjælp af tre-dimensionelt (3D) trykte koronar implantater kan anvendes til perkutan skabe et brændkoronar stenose. Det kan dog være svært at levere implantaterne uden brug af hjælpeudstyr. Vi beskriver brugen af en mor-og-barn koronar guide kateter til stabilisering af implantatet og for effektiv levering af 3D-printet implantat til ethvert ønsket sted langs længden af koronar beholderen. Brændkoronar indsnævring blev bekræftet under koronar cineangiografi og den funktionelle betydning af koronarstenose blev vurderet ved hjælp af gadolinium-forstærket første-pass hjerteperfusion MR. Vi viste, at pålidelig levering af 3D-trykte koronarimplantater i svinemodeller (n = 11) af iskæmisk hjertesygdom kan opnås ved at repurposing mor-og-barn koronar guide katetre. Vores teknik forenkler perkutan levering af koronar implantater til at skabe lukkede bryst svin modeller af brændkoronararteriestenose og kan udføres hurtigt, med en lav proceduremæssig fejlrate.
Introduction
Iskæmisk hjertesygdom fortsætter med at være den største dødsårsag i USA1. Store dyremodeller er blevet brugt eksperimentelt til at forstå og karakterisere mekanismer, der driver koronararteriesygdom (CAD) og tilknyttede komplikationer (herunder myokardieinfarkt, arytmiske hændelser og hjertesvigt) samt til test ning af nye terapeutiske eller diagnostiske modaliteter. Resultaterne af disse undersøgelser har bidraget til at udvide forståelsen, diagnosen og overvågningen af iskæmisk hjertesygdom og til at fremme klinisk praksis2. Flere dyremodeller, herunder kaniner, hunde og svin, er blevet brugt. Men, koronar stenoses, især diskrete læsioner, forekommer meget sjældent i disse dyr og er vanskelige at fremkalde reproducerbart3. Tidligere arbejde beskrev oprettelsen af kunstige koronar stenoses ved hjælp af ligation, occluders, eller eksterne klemmer. For nylig beskrev vi, hvordan man bruger 3D-printteknologi til fremstilling af koronarimplantater, der kan bruges til perkutan tandskab skabe diskret kunstig koronar indsnævring4. Ved hjælp af computer-aided design software, vi designet koronararterie implantater som hule rør med varierende indre og ydre diametre samt implantat længde og derefter fremstillet dem ved hjælp af kommercielt tilgængelige additiv materialer. Implantaterne er glatte, hule, 3D trykte rør med afrundede kanter. Vi designede et bibliotek af implantatstørrelser med en række indvendige diameter, ydre diameter og længde. Implantatets ydre diameter er baseret på størrelsen af koronarguidekateteret. Den indre diameter er baseret på størrelsen af en deflateret koronar ballon. Vi varierede længden af implantatet for at skræddersy den ønskede sværhedsgrad af perfusion. Men sikker perkutan levering af sådanne anordninger kan være udfordrende på grund af manglen på ledninger og katetre fremstillet specielt til stor brug af dyr. I modsætning hertil er en omfattende samling af katetre, ledninger og støttende udstyr til rådighed til klinisk brug i menneskers kranspulsårer. I dette arbejde viser vi, hvordan man kan genbruge en klinisk kvalitet mor-og-barn koronar guide kateter til levering af 3D trykte koronar implantater.
GuideLiner kateteret (figur 1A) er udviklet til perkutan koronarintervention (PCI) for at give mulighed for dybe katetersæder og øget støtte til komplekse sager5. I vores undersøgelse blev GuideLiner kateteret valgt på grund af kendskab til brug og tilgængelighed, men lignende katetre, hvor det er muligt, kan også overvejes. Betragtes som en “mor-og-barn” guide kateter(Figur 1B),enheden passer ind i en typisk koronar guide kateter (“mor”) og er en koaksial fleksibel rør (“barn”). Dette kateter kan indsættes over en guidewire og effektivt forlænger rækkevidden af en typisk koronar guide kateter ved at strække sig ud over slutningen af koronar guide. GuideLiner eller et lignende mor-og-barn kateter kan bruges som ekstra støtte til indsættelse af 3D trykte koronar implantater. Da implantaterne er monteret over balloner, der skal indsættes som en enhed over en koronartråd i beholderen (figur 1B,1C),giver kateteret ekstra støtte til at levere implantatet til det ønskede sted. Ved at placere mor-og-barn kateterbare proksimale til ballonen, implantatet forbliver på det ønskede sted under ballon deflation og tilbagetrækning. På trods af at have en vis fasthed på sin struktur, mor-og-barn kateter unikke evne til at blive avanceret dybt ind kranspulsårer over en guidewire og den røntgenfaste markør på kateteret spidsen var væsentlige egenskaber for implantation.
Vores samlede leveringsapparat bestod af et typisk koronarguidekateter, mor-og-barnkateteret og et 3D-printet implantat fastgjort på en deflateret koronarballon (figur 1B). Som funktionel fødeenhed ydede mor-og-barnkateteret ikke kun stabil ekstra støtte til levering af udstyret, men blev også entydigt anvendt som en klipningsanordning for at holde implantaterne på plads under deflation og fjernelse af ballonen. Den røntgenfaste markør ved kateterspidsen fungerede som en positionsingsvejledning til det samlede apparat og sidder proksimale til ballonen i gioplastik. Disse egenskaber gjorde det muligt at implementere de flowbegrænsende implantater nøjagtigt. Processen var designet til at være reproducerbar, effektiv og human for dyreforsøgspersonerne.
I vores ansøgning blev mor-og-barn perkutan levering teknik brugt til at skabe svin modeller med brændvidde stenose til evaluering af kontrast-forstærket stress hjerteperfusion magnetisk resonans imaging (MR). Teknikken kan dog anvendes i andre undersøgelser, herunder vaskulære systemer uden for koronarkarrene.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette arbejde fokuserede vi på en ny perkutan implementeringsstrategi for koronarstenosefremkaldende implantater og viste, at et mor-og-barnkateter kan repurposed for effektiv perkutan levering af 3D trykte koronar implantater. Diskrete kunstige koronar stenoses af variabel sværhedsgrad kan oprettes hurtigt i svin modeller med en høj succesrate og på en minimalt invasiv måde ved hjælp af standard menneskelige perkutan koronar interventionale teknikker og udstyr. Disse implantater viste sig at være sikre i den ak…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker medarbejdere på UCLA Translational Research Imaging Center og Institut for Laboratory Animal Medicine ved University of California, Los Angeles, CA, USA for deres hjælp. Dette arbejde er støttet til dels af Institut for Radiologi og Medicin på David Geffen School of Medicine på UCLA, American Heart Association (18TPA34170049), og af Clinical Science Research, Development Council of the Veterans Health Administration ( VA-MERIT I01CX001901).
Materials
| 3D-Printed coronary implants | Study Site Manufactured | ||
| Amiodarone IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| Amplatz Left-2 (AL-2) guide catheter (8F) | Boston Scientific, Marlborough, Massachusetts, USA | ||
| Balance Middleweight coronary wire (0.014" 300cm) | Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA | ||
| COPILOT Bleedback Control valve | Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA | ||
| Esmolol IV solution (1 mg/kg) | Study Site Pharmacy | ||
| Formlabs Form 2 3D-printer with a minimum XY feature size of 150 µm | Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA | ||
| Formlabs Grey Resin (implant material) | Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA | ||
| Gadobutrol 0.1 mmol/kg | Gadvist, Bayer Pharmaceuticals, Wayne, NJ | ||
| GuideLiner catheter (6F) | Vascular Solutions Inc., Minneapolis, Minnesota, USA | ||
| Heparin IV solution | Surface Solutions Laboratories Inc., Carlisle, Massachusetts, USA | ||
| Ketamine IM solution (10 mg/kg) | Study Site Pharmacy | ||
| Lidocaine IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| Male Yorkshire swine (30-45 kg) | SNS Farms | ||
| Midazolam IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| NC Trek over-the-wire coronary balloon | Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA | ||
| Oxygen-isoflurane 1-2% inhaled mixture | Study Site Pharmacy | ||
| Rocuronium IV solution | Study Site Pharmacy | ||
| Sodium Pentobarbital IV solution (100mg/kg) | Study Site Pharmacy | ||
| Triphenyltetrazolium chloride stain | Institution Pathology Lab |
References
- The US Burden of Disease Collaborators. The State of US Health, 1990-2016: Burden of Diseases, Injuries, and Risk Factors Among US States. The Journal of the American Medical Association. 319 (14), 1444-1472 (2018).
- Liao, J., Huang, W., Lium, G. Animal models of coronary heart disease. The Journal of Biomedical Research. 31 (1), 3-10 (2017).
- Lee, K. T., et al. Production of advanced coronary atherosclerosis, myocardial infarction and “sudden death” in swine. Experimental and Molecular Pathology. 15 (2), 170-190 (1971).
- Colbert, C. M., et al. A Swine Model of Selective Coronary Stenosis using Transcatheter Delivery of a 3D Printed Implant: A Feasibility MR Imaging Study. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine 27th Scientific Sessions. , (2019).
- Kovacic, J., et al. GuideLiner Mother-and-Child Guide Catheter Extension: A Simple Adjunctive Tool in PCI for Balloon Uncrossable Chronic Total Occlusions. Journal of Interventional Cardiology. 26 (4), 343-350 (2013).
- Fabris, E., et al. Guide Extension, Unmissable Tool in the Armamentarium of Modern Interventional Cardiology. A Comprehensive Review. International Journal of Cardiology. 222, 141-147 (2016).
- Gálvez-Montón, C., et al. Comparison of two preclinical myocardial infarct models: coronary coil deployment versus surgical ligation. Journal of Translational Medicine. 12 (1), 137 (2014).
- Koudstaal, S., et al. Myocardial Infarction and Functional Outcome Assessment in Pigs. Journal of Visualized Experiments. (86), 51269 (2014).
- Rissanen, T. T., et al. The bottleneck stent model for chronic myocardial ischemia and heart failure in pigs. American Journal of Physiology. 305 (9), 1297-1308 (2013).
- Bamberg, F., et al. Accuracy of dynamic computed tomography adenosine stress myocardial perfusion imaging in estimating myocardial blood flow at various degrees of coronary artery stenosis using a porcine animal model. Investigative Radiology. 47 (1), 71-77 (2012).
- Schwitter, J., et al. MR-IMPACT: comparison of perfusion-cardiac magnetic resonance with single-photon emission computed tomography for the detection of coronary artery disease in a multicentre, multivendor, randomized trial. European Heart Journal. 29, 480-489 (2008).
- Mahrholdt, H., Klem, I., Sechtem, U. Cardiovascular MRI for detection of myocardial viability and ischaemia. Heart. 93 (1), 122-129 (2007).
- Herr, M. D., McInerney, J. J., Copenhaver, G. L., Morris, D. L. Coronary artery embolization in closed-chest canines using flexible radiopaque plugs. Journal of Applied Physiology. 64, 2236-2239 (1988).
- Rochitte, C. E., Kim, R. J., Hillenbrand, H. B., Chen, E. L., Lima, J. A. Microvascular integrity and the time course of myocardial sodium accumulation after acute infarction. Circulation Research. 87, 648-655 (2000).
- Krombach, G. A., Kinzel, S., Mahnken, A. H., Günther, R. W., Buecker, A. Minimally invasive close-chest method for creating reperfused or occlusive myocardial infarction in swine. Investigative Radiology. 40 (1), 14-18 (2005).
- Suzuki, Y., Yeung, A. C., Ikeno, F. The representative porcine model for human cardiovascular disease. Journal of Biomedical Biotechnology. 2011, 195483 (2010).
- Eldar, M., et al. A closed chest pig model of sustained ventricular tachycardia. Pacing Clinical Electrophysiology. 17, 1603-1609 (1994).
- Reffelmann, T., et al. A novel minimal-invasive model of chronic myocardial infarction in swine. Coronary Artery Disease. 15 (1), 7-12 (2004).
- Haines, D. E., Verow, A. F., Sinusas, A. J., Whayne, J. G., DiMarco, J. P. Intracoronary ethanol ablation in swine: characterization of myocardial injury in target and remote vascular beds. Journal of Cardiovascular Electrophysiology. 5, 422-431 (1994).
- Kraitchman, D., Bluemke, D., Chin, B., Heldman, A. W., Heldman, A. W. A minimally invasive method for creating coronary stenosis in a swine model for MRI and SPECT imaging. Investigative Radiology. 35 (7), 445-451 (2000).
