Un modèle porcin ex vivo pour les essais hydrodynamiques de procédures expérimentales de valvules aortiques et de nouveaux dispositifs médicaux
Summary
Nous présentons une méthode de montage d’une valve aortique porcine sur un duplicateur d’impulsions afin de tester ses propriétés hydrodynamiques. Cette méthode peut être utilisée pour déterminer le changement de l’hydrodynamique après l’application d’une procédure expérimentale ou d’un nouveau dispositif médical avant son utilisation dans un modèle animal de grande taille.
Abstract
Les options pour tester de nouvelles procédures cardiaques et de nouveaux dispositifs médicaux d’investigation avant leur utilisation dans un modèle animal sont limitées. Dans cette étude, nous présentons une méthode de montage d’une valve aortique porcine dans un duplicateur d’impulsions afin d’évaluer ses propriétés hydrodynamiques. Ces propriétés peuvent ensuite être évaluées avant et après l’exécution de la procédure à l’étude et/ou l’application du dispositif médical d’investigation. La fixation du segment d’entrée présente une certaine difficulté en raison de l’absence de myocarde circonférentiel dans la voie d’écoulement ventriculaire gauche. Cette méthode résout ce problème en fixant le segment d’entrée à l’aide du feuillet antérieur de la valve mitrale, puis en suturant la paroi libre ventriculaire gauche autour de l’appareil d’entrée. Le segment d’écoulement est sécurisé simplement en insérant le dispositif dans une incision dans la face supérieure de l’arc aortique. Nous avons constaté que les spécimens avaient des propriétés hydrodynamiques significativement différentes avant et après la fixation tissulaire. Cette découverte nous a incités à utiliser des échantillons frais dans nos tests et devrait être prise en compte lors de l’utilisation de cette méthode. Dans notre travail, nous avons utilisé cette méthode pour tester de nouveaux matériaux de patchs intracardiaques à utiliser en position valvulaire en effectuant une procédure de néocuspidisation de la valve aortique (procédure d’Ozaki) sur les valves aortiques porcines montées. Ces vannes ont été testées avant et après la procédure afin d’évaluer le changement des propriétés hydrodynamiques par rapport à la vanne native. Nous présentons ici une plate-forme d’essais hydrodynamiques de procédures expérimentales de valve aortique qui permet la comparaison avec la valve native et entre différents dispositifs et techniques utilisés pour la procédure à l’étude.
Introduction
La valvulopathie aortique représente un fardeau important pour la santé publique, en particulier la sténose aortique, qui touche 9 millions de personnes dans le monde1. Les stratégies pour traiter cette maladie sont en cours d’évolution et comprennent la réparation de la valve aortique et le remplacement de la valve aortique. Dans la population pédiatrique en particulier, il existe une incitation importante à réparer plutôt qu’à remplacer la valve, car les prothèses actuellement disponibles sont sujettes à la dégénérescence valvulaire structurelle (SVD) et ne sont pas tolérantes à la croissance, nécessitant une réintervention pour un remplacement au fur et à mesure que le patient grandit. Même la procédure de Ross, qui consiste à remplacer la valve aortique (AV) malade par la valve pulmonaire native (PV), nécessite une prothèse ou un greffon en position pulmonaire qui est également sujet à la SVD et à une tolérance de croissance souvent limitée2. De nouvelles approches de la valvulopathie aortique sont en cours de développement, et il est nécessaire de les tester dans un contexte biologiquement pertinent avant de les appliquer dans un grand modèle animal.
Nous avons mis au point une méthode de test d’un VA porcin qui peut fournir des informations sur la fonction de la valve avant et après une procédure expérimentale ou l’application d’un nouveau dispositif médical. En montant l’AV porcin sur une machine à duplication d’impulsions disponible dans le commerce, nous sommes en mesure de comparer les caractéristiques hydrodynamiques couramment utilisées dans l’étude et, finalement, l’approbation des prothèses valvulaires, y compris la fraction de régurgitation (RF), la surface effective de l’orifice (EOA) et la différence de pression positive moyenne (PPD)3,4. L’intervention peut ensuite être affinée dans un contexte biologiquement pertinent avant d’être utilisée dans un grand modèle animal, limitant ainsi le nombre d’animaux nécessaires à la production d’une procédure ou d’une prothèse pouvant être utilisée chez l’homme. Les cœurs utilisés pour cette expérience peuvent être obtenus à partir de l’abattoir local ou de déchets de tissus provenant d’autres expériences, il n’est donc pas nécessaire de sacrifier un animal uniquement pour les besoins de cette expérience.
Dans le cadre de notre travail, nous avons utilisé cette méthode pour développer un nouveau matériau de patch pour la réparation et le remplacement des valves. Nous avons testé la fonction hydrodynamique d’une variété de matériaux de patch en effectuant une procédure de néocuspidisation de la valve aortique (procédure d’Ozaki 5,6,7) sur des AV porcins et en les testant dans le duplicateur d’impulsions avant et après la procédure. Cela nous a permis d’affiner le matériau en fonction de ses performances hydrodynamiques. Ainsi, cette méthode fournit une plate-forme pour les essais hydrodynamiques de procédures expérimentales et de nouveaux dispositifs médicaux destinés à être utilisés sur l’AV avant d’être appliqués dans un modèle animal de grande taille.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode présentée ici fournit une plate-forme pour les essais hydrodynamiques de l’AV afin d’examiner l’effet d’une procédure expérimentale ou d’un nouveau dispositif médical. En montant la valve aortique native sur une machine à duplication d’impulsions, nous sommes en mesure de déterminer l’effet de la procédure expérimentale sur tous les paramètres hydrodynamiques utilisés dans la recherche et l’approbation de nouvelles prothèses valvulaires (ISO 5840). Cela permet d’affiner les proc?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier le laboratoire de la Dre Gordana Vunjak-Novakovic, y compris Julie Van Hassel, Mohamed Diane et Panpan Chen, de nous avoir permis d’utiliser les déchets de tissus cardiaques issus de leurs expériences. Ce travail a été soutenu par la Congenital Heart Defect Coalition à Butler, NJ, et les National Institutes of Health à Bethesda, MD (5T32HL007854-27).
Materials
| 3D Printer | Ultimaker | Ultimaker S5 | Used for printing custom fixtures for hydrodynamic testing |
| Crile-Wood Needle Driver | Emerald Instruments | 2.0638.15 | Used for suturing ventricle |
| Debakey Forceps | Jarit | 320-110 | Used for dissection and sample preparation (can use multiple if working with an assistant) |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs Inc. | DSP-MD.43 | Used for fixed tissue storage |
| Formalin 10% | Epredia | 5701 | Used for tissue fixation |
| Gerald Forceps | Jarit | 285-126 | Used for dissection and sample preparation |
| Glass jars | QAPPDA | B07QCP54Z3 | Used for tissue storage |
| Glutaraldehyde 25% | Electron Microscopy Sciences | 16400 | Used for tissue fixation |
| HEPES 1 M buffer solution | Fisher | BP299-100 | Used to make glutaraldehyde 0.6% |
| Mayo Scissors | Jarit | 099-200 | Used for cutting suture |
| Metzenbaum Scissors | Jarit | 099-262 | Used for dissection and sample preparation |
| O-ring | Sterling Seal & Supply Inc. | AS568-117 | Used as a gasket on the end of the 3D printed fixtures |
| Polylactic acid resin | Ultimaker | 1609 | Used for 3D printing fixtures |
| Polyproplene suture | Covidien | VP-762-X | Used for suturing ventricle, tapered needle |
| Pulse Duplicator | BDC Laboratories | HDTi-6000 | Used for hydrodynamic testing |
| Silk ties | Covidien | S-193 | Used for ligating coronary arteries |
| Tonsil Clamp | Aesculap | BH957R | Used for coronary artery dissection |
| Zip ties (6 inch) | Advanced Cable Ties, Inc. | AL-06-18-9-C | Used for securing sample to fixtures, 157.14 mm long (6 inches), 2.5 mm wide |
| Zip ties (8 inch) | GTSE | GTSE-20025B.1000 | Used for securing sample to fixtures, 203 mm long (8 inches), 2.5 mm wide |
References
- Aluru, J. S., Barsouk, A., Saginala, K., Rawla, P., Barsouk, A. Valvular heart disease epidemiology. Medical Science. 10 (2), 32 (2022).
- Herrmann, J. L., Brown, J. W. Seven decades of valved right ventricular outflow tract reconstruction: The most common heart procedure in children. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 160 (5), 1284-1288 (2020).
- Rotman, O. M., Bianchi, M., Ghosh, R. P., Kovarovic, B., Bluestein, D. Principles of TAVR valve design, modelling, and testing. Expert Review of Medical Devices. 15 (11), 771-791 (2018).
- Pibarot, P., et al. Imaging for predicting and assessing prosthesis-patient mismatch after aortic valve replacement. JACC Cardiovascular Imaging. 12 (1), 149-162 (2019).
- Ozaki, S., et al. Aortic valve reconstruction using self-developed aortic valve plasty system in aortic valve disease. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 12 (4), 550-553 (2011).
- Krane, M., Amabile, A., Ziegelmüller, J. A., Geirsson, A., Lange, R. Aortic valve neocuspidization (the Ozaki procedure). Multimedia Manual of Cardiothoracic Surgery. , (2021).
- Ozaki, S., et al. A total of 404 cases of aortic valve reconstruction with glutaraldehyde-treated autologous pericardium. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 147 (1), 301-306 (2014).
- Vandecasteele, T., et al. The pulmonary veins of the pig as an anatomical model for the development of a new treatment for atrial fibrillation. Anatomia Histollogia Embryologia. 44 (1), 1-12 (2015).
- Góes, A. M. O., et al. Comparative angiotomographic study of swine vascular anatomy: contributions to research and training models in vascular and endovascular surgery. Journal Vascular Brasilerio. 20, 20200086 (2021).
- Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Piątek, K., Hołda, J. Influence of different fixation protocols on the preservation and dimensions of cardiac tissue. Journal of Anatomy. 229 (2), 334-340 (2016).
- Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Tyrak, K., Hołda, J. Penetration of formaldehyde based fixatives into heart. Folia Medica Cracoviensia. 57 (4), 63-70 (2017).
- Spampinato, R. A., et al. Grading of aortic regurgitation by cardiovascular magnetic resonance and pulsed Doppler of the left subclavian artery: harmonizing grading scales between imaging modalities. International Journal of Cardiovascular Imaging. 36 (8), 1517-1526 (2020).
- Capps, S. B., Elkins, R. C., Fronk, D. M. Body surface area as a predictor of aortic and pulmonary valve diameter. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 119 (5), 975-982 (2000).
- Baumgartner, H., et al. Recommendations on the echocardiographic assessment of aortic valve stenosis: a focused update from the European Association of Cardiovascular Imaging and the American Society of Echocardiography. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 18 (3), 254-275 (2017).
- Saisho, H., et al. An ex vivo evaluation of two different suture techniques for the Ozaki aortic neocuspidization procedure. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 33 (4), 518-524 (2021).
- Saisho, H., et al. Ex vivo evaluation of the Ozaki procedure in comparison with the native aortic valve and prosthetic valves. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 35 (3), (2022).
- Paulsen, M. J., et al. Comprehensive ex vivo comparison of 5 clinically used conduit configurations for valve-sparing aortic root replacement using a 3-dimensional-printed heart simulator. Circulation. 142 (14), 1361-1373 (2020).
- Al-Atassi, T., et al. Impact of aortic annular geometry on aortic valve insufficiency: Insights from a preclinical, ex vivo, porcine model. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 150 (3), 656-664 (2015).
- Sun, M., et al. A biomimetic multilayered polymeric material designed for heart valve repair and replacement. Biomaterials. 288, 121756 (2022).
- Waller, B. F., McKay, C., Van Tassel, J., Allen, M. Catheter balloon valvuloplasty of stenotic porcine bioprosthetic valves: Part I: Anatomic considerations. Clinical Cardiology. 14 (8), 686-691 (1991).
- Crick, S. J., Sheppard, M. N., Ho, S. Y., Gebstein, L., Anderson, R. H. Anatomy of the pig heart: comparisons with normal human cardiac structure. Journal of Anatomy. 193, 105-119 (1998).
