Most studies involving the Langendorff apparatus use small animal models due to the increased complexity of systems for larger mammals. We describe a Langendorff system for large animal models that allows for use across a range of species, including humans, and relatively easy data acquisition.
Siden introduksjonen i slutten av 19-tallet, har den Langendorff isolert hjerte perfusjon apparat, og den påfølgende utvikling av arbeids hjertet modell, vært uvurderlig verktøy for å studere kardiovaskulær funksjon og sykdom 1-15. Selv om Langendorff hjerte preparatet kan anvendes for en hvilken som helst pattedyr hjertet, de fleste studier med denne anordningen å bruke små dyremodeller (for eksempel mus, rotte og kanin) på grunn av den økte kompleksitet av systemer for større pattedyr 1,3,11. En stor vanskelighet er å sikre en konstant koronar perfusjon trykket over et spekter av forskjellige hjerte størrelser – en viktig del av ethvert eksperiment utnytte denne enheten 1,11. Ved å erstatte den klassiske hydrostatisk afterload kolonne med en sentrifugalpumpe, er Langendorff Hjertet apparat som er beskrevet nedenfor, gjør det mulig for enkel justering og tett regulering av perfusjon trykk, betyr det samme oppsett kan benyttes for ulike species eller hjerte størrelser. Videre kan denne konfigurasjonen også sømløst bytte mellom konstant press eller konstant flyt under reperfusjon, avhengig av brukerens preferanser. Den åpne natur dette oppsettet, til tross for å lage temperaturregulering vanskeligere enn andre design, gjør det mulig for enkel innsamling av avløpsvann og ventrikulære trykket av store datamengder.
Mye av vår forståelse av grunnleggende hjerte-biologi og fysiologi er kommet fra eksperimenter som utnyttet den isolerte, retrograde-perfundert Langendorff hjerte og de isolerte arbeids hjerte-systemer. Disse eksperimentelle systemer er fortsatt mye brukt i dag for å utvide vårt hjerte kunnskap om viktige emner, inkludert iskemi-reperfusjon skade 2, prekondisjonering 4, cellebasert terapi for skadet myokard 5,7, de kardiale virkninger av rusmidler 6,9, og hjerte allograft bevaring teknikker 8,15-18.
Mens begge isolerte hjerte-systemer kan brukes for alle pattedyrarter, er de først og fremst anvendes på små pattedyr, slik som marsvin, rotte eller kanin 3,12,13. Større dyremodeller, slik som gris og menneske, gi mer klinisk relevante data, men er sjeldnere brukt på grunn av høyere kostnader, større biologisk variasjon, større mengder blod perfusjon oppløsninger, og biggeh deler av utstyret 1,12-15. Videre er datainnsamling mer vanskelig, spesielt for isolerte arbeids hjerter 1,3,12-15. Som et resultat av denne kompleksiteten, er klinisk-relevante isolerte hjerte modeller sjelden brukt, store begrensninger fremdriften av hjerte-translasjonell forskning.
I et forsøk på å løse disse kompleksiteten, ble den isolerte Hjertet forberedelse endret for å opprette et system som enkelt kan tilpasses hjerter av ulike arter, inkludert mennesker, enten under konstant press eller konstant flyt Langendorff forhold. Den afterload samsvar kammeret ble erstattet med en sentrifugalpumpe for å forenkle prosessen med å justere perfusjon trykket i Langendorff modus og afterload i arbeidsmodus. I stedet for en lukket, med kappe reservoar for å inneholde hjertet, benytter dette systemet et åpent kammer for å gjøre datainnsamlingen enklere, ved å muliggjøre bruken av transapical tilnærming for konduktans kateterisering. Moreoveh, kan dette åpne konstruksjonen tilgang for ekkokardiografivurdering av hjertet, ytterligere utvide de fysiologiske parametere som kan måles i løpet av disse eksperimentene. Disse forbedringene vil forhåpentligvis oppmuntre andre til å bruke dette systemet for stort dyr translasjonell forskning.
Den Langendorff isolerte hjerte perfusjon apparater og arbeider hjerte modellen har ført til noen av de mest grunnleggende funn i hjertefysiologi, patologi og farmakologi. Denne modellen allsidighet gjør det mulig for sitt bruk med en rekke arter under en rekke normale og patologiske tilstander 1-18. Imidlertid er den isolerte hjertemodellen ikke vanligvis anvendes for store pattedyr, spesielt menneskehjerter, delvis på grunn av den økte kompleksitet både innretningsutformingen og datainnsamling. Derfor er den protokoll som presenteres her viser et forsøk på å forbedre disse komplikasjoner som resulterer i en relativt reproduserbar måte å studere isolerte svin hjerter.
En viktig del av vår oppsettet er utskifting av arteriell compliance / afterload kammer med en sentrifugalpumpe. Denne utvekslingen gir mulighet for økt kontroll av koronar perfusjon trykket og afterload i Langendorff og arbeidshjerte moduser henholdsvis, lar dette oppsettet for å være lett tilpasses hjerter av forskjellige størrelser og arter. For eksempel, i denne utformingen, er svin hjerter reperfusert ved 40-45 mmHg, mens humane hjerter reperfusert ved 60-65 mm Hg. Denne endringen i trykket oppnås bare ved å justere innstillingene for sentrifugalpumpe; ingen komponent i systemet må være fysisk justert. Videre, å plassere en trykkgiver i aortaroten å overvåke liggende trykk muliggjør enkel overgang mellom konstant strøm og konstant trykk i løpet av Langendorff-modus. Selv om denne endring fjerner den klassiske samsvar kammeret, sentrifugalpumpen, ved å tillate toveis strømning finner sted på bakgrunn av trykkgradienten, kan tjene som en compliance kammer. Med systole og kastet ut slagvolum, retrograd flyt over pumpen tjener til å redusere afterload trykket, replikere aorta elastisitet.
Den åpne utformingen av denne anordningen er også viktig. Etter å ha hjertet henger i en åpen enrea, i stedet for en delvis lukket kammer eller trakt, gir enklere instrumentering for trykk-volum-målinger. Den åpne designen gjør bruk av en transapical snittet for LV kateteriseringen, unngå av transvalvular tilnærming. Den transvalvular tilnærmingen er mer teknisk vanskelig, og krever vanligvis gjennomlysning for riktig plassering. Videre kan denne tilnærmingen også indusere valvulær insuffisiens. Som bruker transapical tilnærming, vi trygt og enkelt plassere kateteret i venstre ventrikkel, mens de eliminerer ekstra kostnader og ulemper av gjennomlysning. Den åpne designen gir også enkel tilgang for ekkokardiografi og avløps samling, ytterligere utvide de funksjonelle og biokjemiske parametere som kan vurderes når du er på dette systemet.
Den åpne designen, mens tilrettelegging datainnsamling, gjør hjerteinfarkt temperaturregulering vanskeligere. Opprettholde fysiologisk temperatur er en av de kjente problemene med en Langendorffeller arbeider hjerte system 1,3,11,13. Den Langendorff-systemet inneholder typisk en termisk kammeret som bidrar til å opprettholde en riktig temperatur, men dette kammer også gjør innsetting av et ventrikulært trykk-volum kateter vanskeligere. For å løse dårligere temperaturregulering av den åpne konstruksjonen, ble en oxygenator / varmeveksler plassert etter reservoaret. Den minimale avstand mellom varmeveksleren og den aortiske kanylen reduserer varmetapet, og myokardisk temperatursonde sikrer normothermia. Bruken av rør med kappe eller ytre oppvarmingskilder kan også brukes til å hjelpe til med temperatur-kontroll.
Et annet unikt element av denne protokollen er å vaske den autologe blod av grisen som studeres og rekonstituere den med vanlig saltvann. Selv om bruk av enten fullblod perfusates eller røde blodceller utvidet med krystalloide buffere er ikke uvanlig, gjør det til stede med problemer. Den tidligere vanligvis krever en donor dyr, som legger substantial kostnader til forsøket, mens den sistnevnte kan ha immunogenisitet problemer, siden det vanligvis er avledet fra bovint blod 1,11-13. Ved å vaske den opprinnelige gris eget blod, protokollen krever bare et enkelt dyr og immunogenisitet problemene er ablateres. Dessuten fjerner vaskeprosessen meste av elektrolytter, som betyr at de lett kan manipuleres per eksperimentelle parametre. Til slutt, ved hjelp av en blodkonserverings enhet fjerner det meste av proteinene i blodet, noe som både er en fordel, og ulempen ved denne prosessen. Fordelen er at en koagulering og immunologiske / infeksiøse proteiner er fjernet, redusere sannsynligheten for klumper eller forurensning. Ulempen er at denne blanding har et lavt kolloidosmotiske trykk, noe som kan føre til myokardialt ødem og eventuelt tap av hjertefunksjonen over tid. Dette problemet kan løses imidlertid ved tilsetning av albumin eller et annet kolloid.
Sikre at en riktig størrelse enimal og kateter er valgt ut er like viktig som å bruke riktig arbeidshjerteapparat. Ideelt sett vil kateteret plasseres med alle føle elektroder inne i ventrikkel plass, med to eksitasjon elektroder (dvs. de mest proksimale elektroder) utenfor ventrikkel plass. Hvis dyrets ventrikulære hulrom er for lite, eller at avstanden mellom elektrodene er for stor, så vil alle segmentene vil ikke passe inn i LV plass. Selv om plasseringen av magnetisering elektrodene kan reguleres, kan en liten LV hulrom også føre kateteret til å bøye eller kurve, slik at datainnsamlingen vanskelig. Derfor, for funksjonell analyse av store dyrehjerter, er en dyrestørrelse på minst 60 kg anbefalt. Med et dyr av denne størrelse, elektrodeavstand på 7 mm gir vanligvis for fullstendig innsetting av kateteret.
I konklusjonen, beskriver en isolert Hjertet system som forenkler perfusjon trykkregulering, data col dette manuskriptetlection, og generelle design, samtidig som temperaturkontroll bare litt vanskeligere. Disse modifikasjoner på den isolerte Hjertet vil forhåpentligvis gi rom for den økte bruken med store pattedyr hjerter, inkludert mennesker, fremme vår forståelse av hjertestans patologi og muliggjør mer klinisk relevante behandlingsalternativer for å bli oppdaget.
The authors have nothing to disclose.
There are no acknowledgments.
PowerLab 16/35 with LabChart Pro | ADInstruments | PL3516/P | |
MPVS Ultra Pressure-Volume Unit | ADInstruments | 880-0168 | |
Ventri-Cath Catheter (5F, 12E, 7mm, DField, Straight, 122cm) | Millar | VENTRI-CATH-507s | |
Pressure Catheter (3.5F, Single, Straight, 100cm, Ny, Non Repairable) | Millar | SPR-524 | |
PV Extension Cable (10ft) | ADInstruments | CEC-10PV | |
Catheter Interface Cable (10ft) | ADInstruments | PEC-10D | |
Rho Calibration Cuvette | ADInstruments | 910-1060 | |
MPVS Ultra BNC Cable Pack | ADInstruments | 880-0172 | |
Autotransfusion system | Sorin | 7320000 | |
Bowl Set with Low Volume (135 ml) Centrifuge Bowl | Sorin | 7135100 | |
Oxygenator/Heat Exchanger | Terumo | 3CXSX18RX | |
Perivascular flow probe | Transonic Systems | PAU Series | Size of flow probe will depend on animal size; for 60 kg pig, recommend 20 or 24 mm probe |
Perivascular flowmeter module | Transonic Systems | TS420 | |
Myocardial temerpature sensor | Smiths Medical | MTS-40015 | |
16 G 1" Regular needle | BD Inc. | 305197 | |
4-0 polypropylene suture (double-arm) | Ethicon | 8526H | For purse-string stitches |
2-0 polypropylene suture (single-arm) | Ethicon | 8833H | |
Cable ties | ULINE | S-1021 | |
Cable tie gun | ULINE | H-241 | |
Clear, Flexible PVC Tubing | VWR International | 89068 | Inner diameter depends on cannulas, pumps and other equipment used; most commonly use 1/4", 3/8" tubing |
Straight Tubing Connectors | VWR International | 46600 | |
Y-Shaped Tubing Connectors | Thermo Scientific | 6152 | |
Jacketed Bubble Trap | Radnoti | 14040 | For preload chamber |
Centrifugal pump | Maquet | 70105 | The centrifugal pump and roller pumps were obtained used from perfusion department after clinical use. |
Roller pumps | Maquet | HL-20 | |
Hemostasis Valve | Merit Medical | MAP150 | |
Blood gas analyzer | Instrumentation Laboratory | 570001000 |