Ein Modell für Langzeit-Kammerflimmern in isolierten Rattenherzen
Summary
Dieses Protokoll stellt ein Modell des Langzeit-Kammerflimmerns in Rattenherzen dar, das durch kontinuierliche Stimulation mit Niederspannungswechselstrom induziert wird. Dieses Modell hat eine hohe Erfolgsquote, ist stabil, zuverlässig und reproduzierbar, hat einen geringen Einfluss auf die Herzfunktion und verursacht nur leichte Herzmuskelverletzungen.
Abstract
Kammerflimmern (VF) ist eine tödliche Arrhythmie mit einer hohen Inzidenz bei Herzpatienten, aber der VF-Stillstand unter Perfusion ist eine vernachlässigte Methode des intraoperativen Stillstands im Bereich der Herzchirurgie. Mit den jüngsten Fortschritten in der Herzchirurgie ist die Nachfrage nach längeren VF-Studien unter Perfusion gestiegen. Es fehlen jedoch einfache, zuverlässige und reproduzierbare Tiermodelle für chronisches Kammerflimmern. Dieses Protokoll induziert eine langfristige VF durch elektrische Stimulation des Epikards mit Wechselstrom (AC). Es wurden verschiedene Bedingungen verwendet, um VF zu induzieren, einschließlich kontinuierlicher Stimulation mit einer niedrigen oder hohen Spannung, um eine langfristige VF zu induzieren, und Stimulation für 5 min mit einer niedrigen oder hohen Spannung, um eine spontane Langzeit-VF zu induzieren. Die Erfolgsraten der verschiedenen Erkrankungen sowie die Raten der Myokardschädigung und der Wiederherstellung der Herzfunktion wurden verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine kontinuierliche Niederspannungsstimulation eine Langzeit-VF induzierte und dass eine 5-minütige Niederspannungsstimulation eine spontane Langzeit-VF mit leichter Myokardschädigung und einer hohen Rate der Wiederherstellung der Herzfunktion induzierte. Das Niederspannungsmodell mit kontinuierlich stimuliertem Langzeit-VF hatte jedoch eine höhere Erfolgsquote. Die Hochspannungsstimulation führte zu einer höheren VF-Induktionsrate, zeigte aber eine geringe Defibrillationserfolgsrate, eine schlechte Wiederherstellung der Herzfunktion und eine schwere Myokardschädigung. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird die kontinuierliche epikardiale AC-Stimulation mit niedriger Spannung aufgrund ihrer hohen Erfolgsrate, Stabilität, Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit, geringen Auswirkungen auf die Herzfunktion und leichten Myokardschädigungen empfohlen.
Introduction
Herzoperationen werden in der Regel durch Thorakotomie durchgeführt, bei der die Aorta blockiert und mit einer kardioplegischen Lösung durchblutet wird, um das Herz zu stoppen. Wiederholte Herzoperationen können eine größere Herausforderung darstellen als die Erstoperation, mit höheren Komplikations- und Sterblichkeitsraten 1,2,3. Darüber hinaus kann die konventionelle mediane Sternotomie zu einer Schädigung der Brückengefäße hinter dem Brustbein, der aufsteigenden Aorta, des rechten Ventrikels und anderer wichtiger Strukturen führen. Ausgedehnte Blutungen durch die Durchtrennung des Bindegewebes, eine Infektion der sternalen Wunde und eine sternale Osteomyelitis aufgrund einer Sternotomie sind mögliche Komplikationen. Eine ausgedehnte Dissektion erhöht das Risiko von Läsionen und Blutungen in lebenswichtigen Herzstrukturen.
Mit der Entwicklung der minimalinvasiven Herzchirurgie sind die Schnitte kleiner geworden, und ein Herzstillstand ist manchmal schwer zu erreichen. Eine wiederholte Herzoperation unter Kammerflimmern (VF)4,5 ist sicher, durchführbar und kann einen besseren Myokardschutz bieten. Daher führt dieses Protokoll die Methode des VF-Herzstillstands in der Chirurgie mit minimalinvasiver extrakorporaler Zirkulation ein. Das Herz verliert während der VF an effektiver Kontraktion, so dass die aufsteigende Aorta während der Operation nicht genäht und blockiert werden muss, was den Eingriff vereinfacht. Doch selbst wenn das Herz kontinuierlich durchblutet wird, kann eine langfristige VF immer noch schädlich für das Herz sein.
Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Methode wird die Frage, wie das Herz während der VF geschützt werden kann, immer relevanter. Dies erfordert umfangreiche und eingehende Studien mit Tiermodellen von Langzeit-VF. In der Vergangenheit wurden in der Forschung auf diesem Gebiet meist große Tiereverwendet 6,7 und die Zusammenarbeit zwischen Chirurgen, Anästhesisten, Kardiotechnikern und anderen Forschern erfordert. Diese Studien dauerten zu lange, die Stichprobengrößen waren oft klein, und die Studien konzentrierten sich im Allgemeinen auf die Herzfunktion und weniger auf mechanistische und molekulare Bewertungen. Bis heute gibt es keine Studie, die über ein detailliertes Protokoll zur Etablierung eines langfristigen VF-Modells berichtet hat.
Dieses Protokoll liefert somit die Details, die für die Entwicklung eines Langzeitmodells der VF-Ratte unter Verwendung der Langendorff-Apparatur erforderlich sind. Das Protokoll ist einfach, wirtschaftlich, wiederholbar und stabil.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll etabliert ein Tiermodell für Langzeit-VF in isolierten Rattenherzen, über das bisher noch nicht berichtet wurde. Zusätzlich wurden in dieser Studie verschiedene elektrische Stimulationsbedingungen verglichen. Diese Studie bietet ein Modell für Studien im Zusammenhang mit dem Stillstand von Kammerflimmern während einer Herzoperation.
Die Erfolgsquote des Modells ist ein sehr wichtiger Indikator, der sich auf Personal-, Zeit- und wirtschaftliche Kosten bezieht. Bei VF-Model…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeiten wurden mit Unterstützung der Herz-Kreislauf-Chirurgie, des First Medical Center, des Chinese PLA General Hospital und des Laboratory Animal Center, Chinese PLA General Hospital, durchgeführt.
Materials
| 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 |
References
- Kilic, A., et al. Clinical outcomes of mitral valve reoperations in the United States: An analysis of the society of thoracic surgeons national database. The Annals of Thoracic Surgery. 107 (3), 754-759 (2019).
- Akins, C. W., et al. Risk of reoperative valve replacement for failed mitral and aortic bioprostheses. The Annals of Thoracic Surgery. 65 (6), 1551-1542 (1998).
- Jamieson, W. R., et al. Reoperation for bioprosthetic mitral structural failure: risk assessment. Circulation. 108 (Suppl 1), 98 (2003).
- Seeburger, J., et al. Minimally invasive mitral valve surgery after previous sternotomy: Experience in 181 patients. The Annals of Thoracic Surgery. 87 (3), 709-714 (2009).
- Arcidi, J. M., et al. Fifteen-year experience with minimally invasive approach for reoperations involving the mitral valve. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 143 (5), 1062-1068 (2012).
- Cox, J. L., et al. The safety of induced ventricular fibrillation during cardiopulmonary bypass in nonhypertrophied hearts. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 74 (3), 423-432 (1977).
- Schraut, W., Lamberti, J. J., Kampman, K., Glagov, S. Ventricular fibrillation during cardiopulmonary bypass: Long-term effects on myocardial morphology and function. The Annals of Thoracic Surgery. 27 (3), 230-234 (1979).
- Li, L., et al. Pravastatin attenuates cardiac dysfunction induced by lysophosphatidylcholine in isolated rat hearts. European Journal of Pharmacology. 640 (1-3), 139-142 (2010).
- Lang, S., et al. CXCL10/IP-10 neutralization can ameliorate lipopolysaccharide-induced acute respiratory distress syndrome in rats. PLoS One. 12 (1), e0169100 (2017).
- Lubbe, W. F., Bricknell, O. L., Marzagao, C. Ventricular fibrillation threshold and vulnerable period in the isolated perfused rat heart. Cardiovascular Research. 9 (5), 613-620 (1975).
- Hottentrott, C. E., Towers, B., Kurkji, H. J., Maloney, J. V., Buckberg, G. The hazard of ventricular fibrillation in hypertrophied ventricles during cardiopulmonary bypass. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 66 (5), 742-753 (1973).
- Hottenrott, C., Maloney, J. V., Buckberg, G. Studies of the effects of ventricular fibrillation on the adequacy of regional myocardial flow. I. Electrical vs. spontaneous fibrillation. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 68 (4), 615-625 (1974).
- Buckberg, G. D., et al. Studies of the effects of hypothermia on regional myocardial blood flow and metabolism during cardiopulmonary bypass. I. The adequately perfused beating, fibrillating, and arrested heart. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 73 (1), 87-94 (1977).
- Gazmuri, R. J., Berkowitz, M., Cajigas, H. Myocardial effects of ventricular fibrillation in the isolated rat heart. Critical Care Medicine. 27 (8), 1542-1550 (1999).
- Clasen, L., et al. A modified approach for programmed electrical stimulation in mice: Inducibility of ventricular arrhythmias. PLoS One. 13 (8), e0201910 (2018).
- Diaz-Maue, L., et al. Advanced cardiac rhythm management by applying optogenetic multi-site photostimulation in murine hearts. Journal of Visualized Experiments. (174), e62335 (2021).
- Jungen, C., et al. Impact of intracardiac neurons on cardiac electrophysiology and arrhythmogenesis in an ex vivo Langendorff system. Journal of Visualized Experiments. 135, e57617 (2018).
- Koretsune, Y., Marban, E. Cell calcium in the pathophysiology of ventricular fibrillation and in the pathogenesis of postarrhythmic contractile dysfunction. Circulation. 80 (2), 369-379 (1989).
- Brazier, J. R., Cooper, N., McConnell, D. H., Buckberg, G. D. Studies of the effects of hypothermia on regional myocardial blood flow and metabolism during cardiopulmonary bypass. III. Effects of temperature, time, and perfusion pressure in fibrillating hearts. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 73 (1), 102-109 (1977).
- von Planta, I., et al. Cardiopulmonary resuscitation in the rat. Journal of Applied Physiology. 65 (6), 2641-2647 (1988).
- Luo, X., et al. Ageing increases cardiac electrical remodelling in rats and mice via NOX4/ROS/CaMKII-mediated calcium signalling. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2022, 8538296 (2022).
- Hohnloser, S., Weirich, J., Antoni, H. Influence of direct current on the electrical activity of the heart and on its susceptibility to ventricular fibrillation. Basic Research in Cardiology. 77 (3), 237-249 (1982).
- Xie, J., et al. High-energy defibrillation increases the severity of postresuscitation myocardial dysfunction. Circulation. 96 (2), 683-688 (1997).
- Manoach, M., Netz, H., Erez, M., Weinstock, M. Ventricular self-defibrillation in mammals: Age and drug dependence. Age and Ageing. 9 (2), 112-116 (1980).
- Filippi, S., Gizzi, A., Cherubini, C., Luther, S., Fenton, F. H. Mechanistic insights into hypothermic ventricular fibrillation: The role of temperature and tissue size. Europace. 16 (3), 424-434 (2014).
