Summary

מודל של שיפוץ כלי דם הפוכים ביתר לחץ דם ריאתי עקב מחלת לב שמאלית על ידי התייבשות אבי העורקים בחולדות

Published: March 01, 2022
doi:

Summary

הפרוטוקול הנוכחי מתאר הליך כירורגי להסרת פסים עולים-אבי העורקים במודל של חולדה של יתר לחץ דם ריאתי עקב מחלת לב שמאלית. טכניקה זו חוקרת מנגנונים אנדוגניים של שיפוץ הפוך במחזור הדם הריאתי ובלב הימני, ובכך מודיעה על אסטרטגיות להיפוך יתר לחץ דם ריאתי ו/או תפקוד לקוי של החדר הימני.

Abstract

יתר לחץ דם ריאתי עקב מחלת לב שמאלית (PH-LHD) הוא הצורה הנפוצה ביותר של PH, אך הפתופיזיולוגיה שלו מאופיינת בצורה גרועה מאשר יתר לחץ דם עורקי ריאתי (PAH). כתוצאה מכך, חסרות התערבויות טיפוליות מאושרות לטיפול או מניעה של PH-LHD. תרופות המשמשות לטיפול ב- PH בחולי PAH אינן מומלצות לטיפול ב- PH-LHD, שכן עמידות מופחתת של כלי הדם הריאתיים (PVR) וזרימת דם ריאתית מוגברת בנוכחות לחצי מילוי מוגברים בצד שמאל עלולים לגרום לפירוק לב שמאל ובצקת ריאתית. יש לפתח אסטרטגיות חדשות כדי להפוך את PH בחולי LHD. בניגוד ל-PAH, PH-LHD מתפתח עקב עומס מכני מוגבר הנגרם על ידי גודש דם במחזור הדם של הריאות במהלך אי ספיקת לב שמאלית. מבחינה קלינית, פריקה מכנית של החדר השמאלי (LV) על ידי החלפת מסתם אבי העורקים בחולי היצרות אבי העורקים או על ידי השתלת מכשירי סיוע LV בחולי אי ספיקת לב סופנית מנרמלת לא רק את הלחצים העורקיים הריאתיים והחדר הימני (RV) אלא גם את PVR, ובכך מספקת ראיות עקיפות לשיפוץ הפוך בכלי הדם הריאתיים. באמצעות מודל חולדות מבוסס של PH-LHD עקב אי ספיקת לב שמאלית המופעלת על ידי עומס יתר בלחץ עם התפתחות נוספת של PH, פותח מודל לחקר המנגנונים המולקולריים והתאיים של תהליך שיפוץ הפוך פיזיולוגי זה. באופן ספציפי, בוצע ניתוח פירוק אבי העורקים, שהביא לשיפוץ הפוך של שריר הלב LV ופריקתו. במקביל, ניתן היה לזהות נורמליזציה מלאה של לחץ סיסטולי RV והיפוך משמעותי אך לא שלם של היפרטרופיה של RV. מודל זה עשוי להציג כלי רב ערך לחקר המנגנונים של שיפוץ הפוך פיזיולוגי במחזור הדם הריאתי וב- RV, במטרה לפתח אסטרטגיות טיפוליות לטיפול ב- PH-LHD וצורות אחרות של PH.

Introduction

אי ספיקת לב היא סיבת המוות המובילה במדינות המפותחות וצפויה לגדול ב-25% בעשור הקרוב. יתר לחץ דם ריאתי (PH) – עלייה פתולוגית של לחץ הדם במחזור הדם הריאתי – משפיע על כ -70% מהחולים עם אי ספיקת לב סופנית; ארגון הבריאות העולמי מסווג PH כיתר לחץ דם ריאתי עקב מחלת לב שמאלית (PH-LHD)1. PH-LHD יזם על ידי תפקוד לקוי של החדר השמאלי הסיסטולי ו/או הדיאסטולי (LV) שמביא ללחץ מילוי גבוה וגודש פסיבי של דם למחזור הדםהריאתי 2. למרות שבתחילה הוא הפיך, PH-LHD מתקבע בהדרגה עקב שיפוץ פעיל של כלי הדם הריאתיים בכל התאים של מחזור הדם הריאתי, כלומר עורקים, נימים וורידים 3,4. גם PH הפיך וגם PH קבוע מגבירים את עומס ה-RV, ובתחילה מניעים היפרטרופיה אדפטיבית של שריר הלב, אך בסופו של דבר גורמים להתרחבות RV, היפוקינזיס, פיברוזיס ופירוק שמובילים בהדרגה לכשל RV 1,2,5,6. ככזה, PH מאיץ את התקדמות המחלה בחולי אי ספיקת לב ומגביר את התמותה, במיוחד בחולים העוברים טיפול כירורגי על ידי השתלת מכשירי סיוע לחדר שמאל (LVAD) ו/או השתלת לב 7,8,9. נכון לעכשיו, לא קיימים טיפולים מרפאים שיכולים להפוך את התהליך של שיפוץ כלי דם ריאתיים, ולכן יש צורך במחקר מכניסטי בסיסי במערכות מודל מתאימות.

חשוב לציין כי מחקרים קליניים מראים כי PH-LHD כסיבוך שכיח בחולים עם היצרות אבי העורקים יכול להשתפר במהירות בתקופה המוקדמת שלאחר הניתוח לאחר הניתוח לאחר החלפת מסתם אבי העורקים10. באופן אנלוגי, עמידות גבוהה (>3 יחידות עץ) טרום ניתוחית לכלי דם ריאתיים (PVR) שהייתה, עם זאת, הפיכה על ניטרופוסיד מנורמלת באופן בר קיימא לאחר השתלת לב במחקר מעקב של 5 שנים11. באופן דומה, הפחתה נאותה של PVR הפיך וקבוע כאחד ושיפור תפקוד ה-RV בחולי LHD יכולים להתממש תוך מספר חודשים על ידי פריקת החדר השמאלי באמצעות מכשירי עזר חדריים מושתלים ובלתי פולסים 12,13,14. נכון לעכשיו, המנגנונים התאיים והמולקולריים המניעים שיפוץ הפוך במחזור הריאתי ובבית הלב RV אינם ברורים. עם זאת, הבנתם עשויה לספק תובנה חשובה לגבי מסלולים פיזיולוגיים שעשויים להיות מנוצלים מבחינה טיפולית כדי להפוך את שיפוץ כלי הדם והקרוואנים של הריאות ב-PH-LHD ובצורות אחרות של PH.

מודל פרה-קליני מתאים המשכפל כראוי את התכונות הפתופיזיולוגיות והמולקולריות של PH-LHD יכול לשמש למחקרים תרגומיים באי ספיקת לב גודשת הנגרמת על ידי עומס יתר בלחץ עקב פסים כירורגיים של אבי העורקים (AoB) בחולדות 4,15,16. בהשוואה לאי ספיקת לב דומה עקב עומס יתר בלחץ במודל מורין של התכווצות אבי העורקים הרוחבי (TAC)17, פסים של אבי העורקים העולה מעל שורש אבי העורקים בחולדות AoB אינם מייצרים יתר לחץ דם בעורק הצוואר השמאלי מכיוון שאתר הפסים הוא פרוקסימלי של יציאת עורק הצוואר השמאלי מאבי העורקים. כתוצאה מכך, AoB אינו גורם לפגיעה עצבית בצד שמאל בקליפת המוח כפי שהיא אופיינית ל-TAC18, ואשר עשויה להשפיע על תוצאות המחקר. בהשוואה למודלים אחרים של מכרסמים של PH-LHD המושרה בניתוח, מודלים של חולדות בכלל, ו-AoB בפרט, מוכיחים שהם חזקים יותר, ניתנים לשחזור ומשכפלים את השיפוץ של מחזור הדם הריאתי האופייני לחולי PH-LHD. יחד עם זאת, קטלניות פריאופרטיבית נמוכה19. לחצי LV מוגברים ותפקוד לקוי של LV בחולדות AoB גורמים להתפתחות PH-LHD, וכתוצאה מכך לחצי RV גבוהים ושיפוץ קרוואנים. ככזה, מודל עכברוש AoB הוכח כיעיל ביותר בסדרה של מחקרים קודמים על ידי קבוצות עצמאיות, כולל את עצמנו, כדי לזהות פתומכניזמים של שיפוץ כלי דם ריאתיים ולבחון אסטרטגיות טיפול פוטנציאליות עבור PH-LHD 4,15,20,21,22,23,24,25.

במחקר הנוכחי, מודל חולדות AoB שימש להקמת הליך כירורגי של פירוק אבי העורקים כדי לחקור מנגנונים של שיפוץ הפוך בכלי הדם הריאתיים וב- RV. בעבר פותחו מודלים של שיפוץ הפוך שריר הלב כגון פירוק אבי העורקים בעכברים26 וחולדות27 כדי לחקור את המנגנונים התאיים והמולקולריים המווסתים את הרגרסיה של היפרטרופיה של החדר השמאלי ולבחון אפשרויות טיפוליות פוטנציאליות לקידום שריר הלב שחזור. יתר על כן, מספר מוגבל של מחקרים קודמים בחנו את ההשפעות של פירוק אבי העורקים על PH-LHD בחולדות והראו כי פירוק אבי העורקים עשוי להפוך היפרטרופיה מדיאלית בעורקי ריאות, לנרמל את הביטוי של טרום-פרו-אנדותלין 1 ולשפר את ההמודינמיקה הריאתית27,28, מה שמספק עדות להיפוך של PH בחולדות עם אי ספיקת לב. כאן, ההליכים הטכניים של ניתוח ההדבקה ממוטבים ומתוקננים, למשל על ידי החלת קנה הנשימה במקום אינטובציה אנדוטרכאלית או על ידי שימוש בקליעי טיטניום בקוטר פנימי מוגדר לפסים אבי העורקים במקום תפרים פוליפרופילן עם מחט קהה26,27, ובכך לספק שליטה טובה יותר על ההליכים הכירורגיים, יכולת שכפול מוגברת של המודל ושיעור הישרדות משופר.

מנקודת מבט מדעית, המשמעות של מודל פירוק PH-LHD אינה טמונה רק בהדגמת ההיפוך של הפנוטיפ הקרדיווסקולרי והריאותי באי ספיקת לב, אלא חשוב מכך, בזיהוי מניעים מולקולריים המפעילים ו/או מקיימים שיפוץ הפוך בעורקים ריאתיים כמועמדים מבטיחים למיקוד טיפולי עתידי.

Protocol

כל ההליכים בוצעו בעקבות “המדריך לטיפול בחיות מעבדה ולשימוש בהן” (המכון למשאבי חיות מעבדה, מהדורה 8 2011) ואושרו על ידי הוועדה הממשלתית המקומית לטיפול בבעלי חיים ולשימוש בבעלי חיים של משרד המדינה הגרמני לבריאות ולעניינים חברתיים (Landesamt für Gesundheit und Soziales (LaGeSO), ברלין; פרוטוקול מס’. G0030/18). ראשית, אי ס…

Representative Results

ראשית, פירוק מוצלח של אבי העורקים אושר על ידי אקוקרדיוגרפיה טרנסתורקטית שבוצעה לפני ואחרי הליך ההארקה בחיות AoB (איור 6). לשם כך, קשת אבי העורקים הוערכה בתצוגת מצב B של ציר ארוך פארא-סטרנלי (PLAX). המיקום של הקליפ על אבי העורקים העולה בחיות AoB והיעדרו לאחר ניתוח דב הודגם (<strong class="xfi…

Discussion

כאן, דווח על טכניקה כירורגית מפורטת לפירוק אבי העורקים במודל AoB של חולדה שניתן להשתמש בה כדי לחקור את ההיפוך של PH-LHD ואת המנגנונים התאיים והמולקולריים המניעים שיפוץ הפוך בכלי הדם הריאתיים וב-RV. שלושה שבועות של התכווצות אבי העורקים בחולדות צעירות גורמים ל-PH-LHD הניכרים כלחצי LV מוגברים, היפרטר?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

מחקר זה נתמך על ידי מענקים של DZHK (המרכז הגרמני לחקר הלב וכלי הדם) ל- CK ו- WMK, ה- BMBF (משרד החינוך והמחקר הגרמני) ל- CK במסגרת VasBio, ול- WMK במסגרת VasBio, SYMPATH ו- PROVIDE, וקרן המחקר הגרמנית (DFG) ל- WMK (SFB-TR84 A2, SFB-TR84 C9, SFB 1449 B1, SFB 1470 A4, KU1218/9-1 ו- KU1218/11-1).

Materials

Amoxicillin Ratiopharm PC: 04150075615985 Antibiotic
Anti-BNP antibody Abcam ab239510 Western Blotting
Aquasonic 100 Ultrasound gel Parker Laboratories BT-025-0037L Echocardiography consumables
Bepanthen Bayer 6029009.00.00 Eye ointment
eye ointment
Carprosol (Carprofen) CP-Pharma 401808.00.00 Analgesic
Clip holder Weck stainless USA 523140S Surgical instruments
Fine scissors Tungsten carbide Fine Science Tools 14568-12 Surgical scissors
Fine scissors Tungsten carbide Fine Science Tools 14568-09 Surgical scissors
High-resolution imaging system FUJIFILM VisualSonics, Amsterdam, Netherlands VeVo 3100 Echocardiography machine. Images were acquired with pulse-wave Doppler mode, M-mode and B-mode
Isoflurane CP-Pharma 400806.00.00 Anesthetic
Ketamine CP-Pharma 401650.00.00 Anesthetic
Mathieu needle holder Fine Science Tools 12010-14 Surgical instruments
Mechanical ventilator (Rodent ventilator) UGO Basile S.R.L. 7025 Volume controlled respirator
Metal clip Hemoclip 523735 Surgical consumables
Microscope Leica M651 Manual surgical microscope for microsurgical procedures
Millar Mikro-Tip pressure catheters ADInstruments SPR-671 Hemodynamics assessment
Moria Iris forceps Fine Science Tools 11373-12 Surgical forceps
Noyes spring scissors Fine Science Tools 15013-12 Surgical scissors
Povidone iodine/iodophor solution B/Braun 16332M01 Disinfection
PowerLab ADInstruments 4_35 Hemodynamics assessment
Prolene Suture, 4-0 Ethicon EH7830 Surgical consumables
Rib spreader (Alm selfretaining retractor blunt, 70 mm, 2 3/4″) Austos AE-BV010R Surgical instruments
Serrated Graefe forceps Fine Science Tools 11052-10 Surgical forceps
Silk Suture, 4-0 Ethicon K871 Surgical consumables
Skin disinfiction solution (colored) B/Braun 19412M07 Disinfection
Spectra 360 Elektrode gel Parker Laboratories TB-250-0241H Echocardiography consumables
Sponge points tissue Sugi REF 30601 Surgical consumables
Sprague-Dawley rat Janvier Labs, Le Genest-Saint-Isle, France Study animals
Tracheal cannula Outer diameter 2 mm
Xylazin CP-Pharma 401510.00.00 Anesthetic

References

  1. Rosenkranz, S., et al. Pulmonary hypertension due to left heart disease: Updated recommendations of the cologne consensus conference 2011. International Journal of Cardiology. 154, 34-44 (2011).
  2. Rosenkranz, S., et al. Left ventricular heart failure and pulmonary hypertension. European Heart Journal. 37 (12), 942-954 (2016).
  3. Fayyaz, A. U., et al. Global Pulmonary vascular remodeling in pulmonary hypertension associated with heart failure and preserved or reduced ejection fraction. Circulation. 137 (17), 1796-1810 (2018).
  4. Hunt, J. M., et al. Pulmonary veins in the normal lung and pulmonary hypertension due to left heart disease. The American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology. 305 (10), 725-736 (2013).
  5. Bursi, F., et al. Pulmonary pressures and death in heart failure: A community study. Journal of the American College of Cardiology. 59 (3), 222-231 (2012).
  6. Ryan, J. J., et al. Right ventricular adaptation and failure in pulmonary arterial hypertension. Canadian Journal of Cardiology. 31 (4), 391-406 (2015).
  7. Miller, W. L., Mahoney, D. W., Enriquez-Sarano, M. Quantitative Doppler-echocardiographic imaging and clinical outcomes with left ventricular systolic dysfunction: Independent effect of pulmonary hypertension. Circulation: Cardiovascular Imaging. 7 (2), 330-336 (2014).
  8. Kjaergaard, J., et al. Prognostic importance of pulmonary hypertension in patients with heart failure. The American Journal of Cardiology. 99 (8), 1146-1150 (2007).
  9. Shah, R., et al. Pulmonary hypertension after heart transplantation in patients bridged with the total artificial heart. ASAIO Journal. 62 (1), 69-73 (2016).
  10. Tracy, G. P., Proctor, M. S., Hizny, C. S. Reversibility of pulmonary artery hypertension in aortic stenosis after aortic valve replacement. The Annals of Thoracic Surgery. 50 (1), 89-93 (1990).
  11. Lindelow, B., Andersson, B., Waagstein, F., Bergh, C. H. High and low pulmonary vascular resistance in heart transplant candidates. A 5-year follow-up after heart transplantation shows continuous reduction in resistance and no difference in complication rate. European Heart Journal. 20 (2), 148-156 (1999).
  12. Martin, J., et al. Implantable left ventricular assist device for treatment of pulmonary hypertension in candidates for orthotopic heart transplantation-a preliminary study. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 25 (6), 971-977 (2004).
  13. Gallagher, R. C., et al. Univentricular support results in reduction of pulmonary resistance and improved right ventricular function. ASAIO Transactions. 37 (3), 287-288 (1991).
  14. Beyersdorf, F., Schlensak, C., Berchtold-Herz, M., Trummer, G. Regression of "fixed" pulmonary vascular resistance in heart transplant candidates after unloading with ventricular assist devices. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 140 (4), 747-749 (2010).
  15. Hoffmann, J., et al. Mast cells promote lung vascular remodelling in pulmonary hypertension. European Respiratory Journal. 37 (6), 1400-1410 (2011).
  16. Litwin, S. E., et al. Serial echocardiographic-Doppler assessment of left ventricular geometry and function in rats with pressure-overload hypertrophy. Chronic angiotensin-converting enzyme inhibition attenuates the transition to heart failure. Circulation. 91 (10), 2642-2654 (1995).
  17. Rockman, H. A., et al. Segregation of atrial-specific and inducible expression of an atrial natriuretic factor transgene in an in vivo murine model of cardiac hypertrophy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 88 (18), 8277-8281 (1991).
  18. de Montgolfier, O., et al. High Systolic blood pressure induces cerebral microvascular endothelial dysfunction, neurovascular unit damage, and cognitive decline in mice. Hypertension. 73 (1), 217-228 (2019).
  19. Breitling, S., Ravindran, K., Goldenberg, N. M., Kuebler, W. M. The pathophysiology of pulmonary hypertension in left heart disease. American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology. 309 (9), 924-941 (2015).
  20. Ranchoux, B., et al. Metabolic syndrome exacerbates pulmonary hypertension due to left heart disease. Circulation Research. 125 (4), 449-466 (2019).
  21. Zhang, H., Huang, W., Liu, H., Zheng, Y., Liao, L. Mechanical stretching of pulmonary vein stimulates matrix metalloproteinase-9 and transforming growth factor-beta1 through stretch-activated channel/MAPK pathways in pulmonary hypertension due to left heart disease model rats. PLoS One. 15, 0235824 (2020).
  22. Yin, J., et al. Sildenafil preserves lung endothelial function and prevents pulmonary vascular remodeling in a rat model of diastolic heart failure. Circulation: Heart Failure. 4 (2), 198-206 (2011).
  23. Yin, N., et al. Inhaled nitric oxide versus aerosolized iloprost for the treatment of pulmonary hypertension with left heart disease. Critical Care Medicine. 37 (3), 980-986 (2009).
  24. Breitling, S., et al. The mast cell-B cell axis in lung vascular remodeling and pulmonary hypertension. American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology. 312 (5), 710-721 (2017).
  25. Kerem, A., et al. Lung endothelial dysfunction in congestive heart failure: Role of impaired Ca2+ signaling and cytoskeletal reorganization. Circulation Research. 106 (6), 1103-1116 (2010).
  26. Goncalves-Rodrigues, P., Miranda-Silva, D., Leite-Moreira, A. F., Falcao-Pires, I. Studying left ventricular reverse remodeling by aortic debanding in rodents. Journal of Visualized Experiments. (173), e60036 (2021).
  27. Miranda-Silva, D., et al. Characterization of biventricular alterations in myocardial (reverse) remodelling in aortic banding-induced chronic pressure overload. Scientific Reports. 9, 2956 (2019).
  28. Chou, S. H., et al. The effects of debanding on the lung expression of ET-1, eNOS, and cGMP in rats with left ventricular pressure overload. Experimental Biology and Medicine. 231 (6), 954-959 (2006).
  29. Hentschel, T., et al. Inhalation of the phosphodiesterase-3 inhibitor milrinone attenuates pulmonary hypertension in a rat model of congestive heart failure. Anesthesiology. 106 (1), 124-131 (2007).
  30. Gs, A. K., Raj, B., Santhosh, K. S., Sanjay, G., Kartha, C. C. Ascending aortic constriction in rats for creation of pressure overload cardiac hypertrophy model. Journal of Visualized Experiments. (88), e50983 (2014).
  31. Angermann, C. E., Ertl, G. Natriuretic peptides–new diagnostic markers in heart disease. Herz. 29 (6), 609-617 (2004).
  32. Ordodi, V. L., Paunescu, V., Mic, F. A. Optimal access to the rat heart by transverse bilateral thoracotomy with double ligature of the internal thoracic arteries. American Association for Laboratory Animal Science. 47 (5), 44-46 (2008).
  33. Fay, D. S., Gerow, K. A biologist’s guide to statistical thinking and analysis. WormBook. , 1-54 (2013).
  34. Etz, C. D., et al. Medically refractory pulmonary hypertension: treatment with nonpulsatile left ventricular assist devices. The Annals of Thoracic Surgery. 83 (5), 1697-1705 (2007).
  35. Mikus, E., et al. Reversibility of fixed pulmonary hypertension in left ventricular assist device support recipients. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 40 (4), 971-977 (2011).
  36. Zelt, J. G. E., Chaudhary, K. R., Cadete, V. J., Mielniczuk, L. M., Stewart, D. J. Medical therapy for heart failure associated with pulmonary hypertension. Circulation Research. 124 (11), 1551-1567 (2019).
check_url/63502?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Sang, P., Kucherenko, M. M., Yao, J., Li, Q., Simmons, S., Kuebler, W. M., Knosalla, C. A Model of Reverse Vascular Remodeling in Pulmonary Hypertension Due to Left Heart Disease by Aortic Debanding in Rats. J. Vis. Exp. (181), e63502, doi:10.3791/63502 (2022).

View Video