Nuovo approccio percutaneo per la distribuzione di impianti coronarici stampati in 3D in modelli suini di malattie cardiache ischemiche
Summary
Descriviamo una nuova tecnica, economica ed efficiente per la consegna percutanea di impianti coronarici stampati a dimensione tridimensionale per creare modelli di suini a tortura chiusa di cardiopatia ischemica. Gli impianti sono stati fissati in posizione utilizzando un catetere di estensione madre-figlio con alto tasso di successo.
Abstract
I metodi minimamente invasivi per la creazione di modelli di restringimento coronario focale in animali di grandi dimensioni sono impegnativi. La prototipazione rapida con impianti coronarici stampati tridimensionali (3D) può essere impiegata per creare percutaneamente una stenosi coronarica focale. Tuttavia, la consegna affidabile degli impianti può essere difficile senza l’uso di attrezzature ausiliarie. Descriviamo l’uso di un catetere coronarico madre-madre-bambino per la stabilizzazione dell’impianto e per la consegna efficace dell’impianto stampato in 3D in qualsiasi posizione desiderata lungo la lunghezza del vaso coronarico. Il restringimento coronario focale è stato confermato sotto la cineangiografia coronarica e il significato funzionale della stenosi coronarica è stato valutato utilizzando la risonanza magnetica per perfusione cardiaca del primo passaggio del gadolinio. Abbiamo dimostrato che la consegna affidabile di impianti coronarici stampati in 3D in modelli suini (n – 11) di cardiopatia ischemica può essere ottenuta attraverso il riutilizzo dei cateteri guida coronaria madre e figlio. La nostra tecnica semplifica la consegna percutanea di impianti coronarici per creare modelli di suini chiusi di stenosi coronaria focale e può essere eseguita rapidamente, con un basso tasso di fallimento procedurale.
Introduction
La cardiopatia ischemica continua ad essere la prima causa di morte negli Stati Uniti1. I grandi modelli animali sono stati utilizzati sperimentalmente per comprendere e caratterizzare i meccanismi che guidano la malattia coronarica (CAD) e le complicazioni associate (tra cui l’infarto miocardico, gli eventi aritmici e l’insufficienza cardiaca), nonché per testare nuove terapie o modalità diagnostiche. I risultati di questi studi hanno contribuito ad ampliare la comprensione, la diagnosi e il monitoraggio delle cardiopatie ischemiche e a far progredire la pratica clinica2. Sono stati utilizzati diversi modelli animali, tra cui conigli, cani e suini. Tuttavia, le stenosi coronariche, in particolare le lesioni discrete, si verificano molto raramente in questi animali e sono difficili da indurre riproducibilmente3. I lavori precedenti hanno descritto la creazione di stenosi coronarici artificiali utilizzando legatura, occludi o morsetti esterni. Recentemente, abbiamo descritto come utilizzare la tecnologia di stampa 3D per produrre impianti coronarici che possono essere utilizzati per creare percutaneamente restringimento coronario artificiale4. Utilizzando un software di progettazione assistita da computer, abbiamo progettato impianti di arteria coronaria come tubi cavi con diametri interni ed esterni variabili, nonché lunghezze dell’impianto, quindi li abbiamo fabbricati utilizzando materiali additivi disponibili in commercio. Gli impianti sono tubi stampati in 3D lisci, vuoti e con bordi arrotondati. Abbiamo progettato una libreria di dimensioni dell’impianto con una gamma di diametro interno, diametro esterno e lunghezza. Il diametro esterno dell’impianto si basa sulle dimensioni del catetere guida coronarica. Il diametro interno si basa sulle dimensioni di un palloncino di angioplastica coronarica sgonfio. Abbiamo variato la lunghezza dell’impianto per adattare la gravità desiderata della perfusione. Tuttavia, la consegna percutanea sicura di tali dispositivi può essere difficile a causa della mancanza di fili e cateteri fabbricati specificamente per l’uso di grandi animali. Al contrario, una vasta collezione di cateteri, fili e attrezzature di supporto sono disponibili per l’uso clinico nelle arterie coronarie umane. In questo lavoro, mostriamo come riutilizzare un catetere coronarica madre e bambino di grado clinico per la consegna degli impianti coronarici stampati in 3D.
Il catetere GuideLiner (Figura 1A) è stato sviluppato per l’intervento coronario percutaneo (PCI) per consentire posti a sedere con catetere profondo e un maggiore supporto per i casi complessi5. Nella nostra indagine, il catetere GuideLiner è stato scelto per familiarità di utilizzo e disponibilità, ma possono essere presi in considerazione cateteri simili, ove disponibili. Considerato un catetere guida “madre e figlio” (Figura 1B), il dispositivo si inserisce all’interno di un tipico catetere coronarica (“madre”) ed è un tubo flessibile coassiale (“figlio”). Questo catetere può essere inserito su un filo guida e allunga efficacemente la portata di un tipico catetere coronarica estendendosi oltre la fine della guida coronarica. Il GuideLiner o un catetere madre-figlio simile può essere utilizzato come supporto aggiuntivo per la distribuzione degli impianti coronarici stampati in 3D. Poiché gli impianti sono montati su palloncini di angioplastica da inserire come unità su un filo coronarica nel vaso (Figura 1B,1C), il catetere offre un supporto aggiuntivo per consegnare l’impianto al sito desiderato. Posizionando il catetere madre-bambino solo prossima al palloncino, l’impianto rimane nella posizione desiderata durante la deflazione e la ritrazione del palloncino. Pur avendo una certa fermezza alla sua struttura, la capacità unica del catetere madre-bambino di essere avanzata in profondità nelle arterie coronarie su un filo guida e il marcatore radiopaque alla punta del catetere erano caratteristiche essenziali per l’impianto.
Il nostro apparato di consegna assemblato consisteva in un tipico catetere coronarica, il catetere madre-madre-e-bambino, e un impianto stampato in 3D fissato su un palloncino di angioplastica coronarica sgonfio (Figura 1B). Come unità di consegna funzionale, il catetere madre-madre-bambino non solo ha fornito un supporto aggiuntivo stabile per la consegna dell’apparecchiatura, ma è stato anche applicato in modo univoco come dispositivo di tosatura per mantenere gli impianti in posizione durante la deflazione e la rimozione del palloncino. Il marcatore radiopaque sulla punta del catetere fungeva da guida di posizionamento per l’apparato assemblato e si edequile al palloncino di angioplastica. Queste caratteristiche hanno permesso una distribuzione precisa degli impianti che limitano il flusso. Il processo è stato progettato per essere riproducibile, efficiente e umano per i soggetti animali.
Nella nostra applicazione, la tecnica di consegna percutanea madre e bambino è stata utilizzata per creare modelli suini con stenosi coronarica focale per la valutazione della risonanza magnetica della perfusione cardiaca (RMI) di perfusione cardiaca (RM). Tuttavia, la tecnica può essere impiegata in altre indagini, compresi i sistemi vascolari al di fuori dei vasi coronarici.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo lavoro, ci siamo concentrati su una nuova strategia di implementazione percutanea per gli impianti coronarici che inducono la stenosi e abbiamo dimostrato che un catetere madre-bambino può essere riutilizzato per una consegna percutanea efficace di impianti coronarici stampati in 3D. Le stenose coronarie artificiali discrete di gravità variabile possono essere create rapidamente in modelli suini con un alto tasso di successo e in modo minimamente invasivo utilizzando tecniche e attrezzature interventistiche p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo i membri del personale dell’UCLA Translational Research Imaging Center e del Department of Laboratory Animal Medicine presso l’Università della California, Los Angeles, CA, USA per la loro assistenza. Questo lavoro è supportato in parte dal Dipartimento di Radiologia e Medicina della David Geffen School of Medicine dell’UCLA, l’American Heart Association (18TPA34170049), e dal 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).
