Perkutan kontrast ekokardiografi-guidad Intramyocardial injektion och Cell leverans i en stor preklinisk modell
Summary
Nya terapeutiska strategier i hjärt regenerativ medicin kräver omfattande och detaljerade studier i stora prekliniska djurmodeller innan de kan anses för användning på människa. Här visar vi en perkutan kontrast ekokardiografi-guidad intramyocardial injektionsteknik i kaniner, vilket är värdefullt för hypotesprövning effekten av sådana nya terapier.
Abstract
Cell och genterapi är spännande och lovande strategier i syfte att hjärtats förnyelse i inställningen av hjärtsvikt med nedsatt ejektionsfraktion (HFrEF). Innan de kan använda, och genomföras i människor, krävs omfattande prekliniska studier i stora djurmodeller att utvärdera säkerhet, effekt och ödet av injectate (t.ex., stamceller) en gång levereras i myokardiet. Små gnagare modeller erbjuder fördelar (t.ex., kostnadseffektivitet, föredragandens för genetisk manipulation); men översätta med tanke på inneboende begränsningar av dessa modeller, resultaten i dessa sällan till kliniken. Omvänt, stora djurmodeller såsom kaniner, har fördelar (t.ex., liknande hjärtats elektrofysiologi jämfört med människor och andra stora djur), samtidigt som de behåller en bra kostnadseffektivt balans. Här visar vi hur du utför en perkutan kontrast ekokardiografi-guidad intramyocardial injektion (IMI) teknik, som är minimalt invasiv, säker, tolererades väl och mycket effektiv i riktade leveransen av injectates, inklusive celler, till flera platser inom myokardiet av en kanin-modell. För genomförandet av denna teknik, har vi också tagit fördel av ett allmänt tillgängliga kliniska ekokardiografi system. Efter att sätta i praktiken i protokollet som beskrivs här, en forskare med grundläggande ultraljud kunskap blir behöriga i utförandet av denna mångsidiga och minimalinvasiv teknik för rutinmässig användning i experiment, som syftar till att hypotesprövning av den funktionerna i hjärtats regenerativa therapeutics i kanin modellen. När kompetens uppnås, kan hela förfarandet utföras inom 25 min efter bedöva kaninen.
Introduction
Cell och genterapi terapier spännande och ständigt utveckla strategier för regenererande/reparera skadade hjärtmuskeln i HFrEF. Ett fåtal studier har jämfört effektiviteten (t.ex., cell avdragssatsen) av de olika administreringsvägar cell leverans, som konsekvent har uppvisat IMI överlägsenhet över intracoronary eller intravenös rutter1,2 , 3 , 4 , 5. det är således inte förvånande att en stor del av studierna på translationella modeller av stamcellsterapi skadade hjärtmuskeln, levererar injectate via IMI utförs under direkt Visa i en öppen kista förfarande6,7 . Detta tillvägagångssätt har dock flera begränsningar, inklusive invasiva arten av förfarandet, som bär risken för peri-processuella dödlighet (ofta underrapporterade)8. En IMI under direkt Visa eliminerar dessutom inte möjligheten för oavsiktlig injektion i ventrikulära kaviteten. I klinisk praxis skulle kunna en IMI under öppna bröst operation vara en lämplig metod för terapeutisk cell leverans, t.ex., under koronar bypassoperation (CABG); Detta tillvägagångssätt kan dock inte lämpliga för cell leverans i globala kardiomyopati av icke-ischemisk ursprung (t.ex., HFrEF sekundärt till antracyklin-inducerad kardiomyopati (AICM)).
Det finns ingen tvekan om att ischemisk hjärtsjukdom (IHD) är den vanligaste orsaken till HFrEF (~ 66%)9,10; icke-ischemisk kardiomyopati, inklusive AICM, påverkar dock fortfarande en betydande andel av patienter med HFrEF (33%)9 . Ja, senaste framstegen inom klinisk onkologi har resulterat i mer än 10 miljoner överlevande av cancer i USA ensam11, med uppskattningar av ett liknande nummer i Europa, konsekvent med en övergripande trend mot bättre överlevnad för cancerpatienter12 ,13. Således, att utforska fördelarna med romanen terapier såsom stamcellstransplantation för icke-ischemisk kardiomyopati, samt trialing av en effektiv och minimalinvasiv väg av stamceller leverans är av yttersta vikt, med tanke på det ökande antalet patienter påverkas av kardiotoxicitet sekundärt till cytostatika.
Notera innebär hypotesprövning studier med hjälp av stamcellsterapi som syftar till att reparera/regenerera skadade hjärtmuskeln ofta användning av smågnagare (t.ex., möss och råttor). Dessa modeller kräver ofta dyra högfrekvent ultraljud system för utvärdering av myokardiell funktion, oftast utrustade med linjär array givare som har vissa inneboende associerade begränsningar (t.ex., efterklang)14. Andra modeller såsom kaniner, som representerar en stor preklinisk modell, har dock några fördelar för hypotesprövning av stamceller terapier i HFrEF. Således, till skillnad från råttor och möss, kaniner upprätthålla en Ca+ 2 transportsystem och cellulär elektrofysiologi som påminner om människor och andra stora djur (t.ex., hundar och svin)15,16,17 ,18,19. En annan fördel, är deras föredragandens för ekokardiografi imaging använder relativt billig och allmänt tillgängliga kliniska ekokardiografi system utrustade med relativt hög frekvens fas array givare, t.ex., 12 MHz, såsom de som ofta används i neonatal och pediatrisk kardiologi. Dessa system låter utmärkt ekokardiografiska imaging med toppmodern teknik och de utnyttja överlägsenheten av harmonic imaging20. Dessutom omfattande hypotesprövning av hjärtats regenerativa behandlingar (t.ex., stamcellsterapi) potential, sin säkerhet, effekt, cardiomyogenic potential, samt utvärdering av ödet för injectate en gång levereras till den hjärtmuskeln, är obligatoriskt innan de kan anses för humant bruk, och de kräver användning av stora prekliniska djurmodeller, såsom kanin17,19. Här, beskriver vi en minimalinvasiv teknik för cell leverans via perkutan kontrast-ekokardiografi guidade IMI med hjälp av en klinisk ekokardiografi system, vars syfte är att transplantation-baserade stamcellsterapi för icke-ischemisk kardiomyopati20 . Vi beskriver också fördelarna med tusch (InI, även känd som Kina bläck) som ett ultraljud kontrast agent och i situ tracer av injectate i kanin hjärtat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det primära målet var att utveckla en minimalinvasiv teknik som kan användas för distribution av stamceller i myokardiet kaniner (en stor storlek prekliniska djurmodeller)17,18, medan du tar fördel av användningen av en relativt billig imaging system lätt tillgänglig i många kliniska och forskningscentra. Här visar vi att, med hjälp av en klinisk ekokardiografi system, och med hjälp av InI, ett allmänt tillgängliga medel, med både i situ s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Sheila Monfort, Brenda Martínez, Carlos Micó, Alberto Muñoz och Manuel Molina för utmärkt support under insamling av data och Carlos Bueno föreskrivs att tillhandahålla EGFP(+) HEK-293 cellerna. Detta arbete var stöds delvis av: Fundación Séneca, Agencia de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia, Spanien (JT) (bevilja nummer: 11935/PI/09); Red de Terapia Celular, ISCIII-Sub. Gral. Rades, VI PN de jag + D + jag 2008-2011 (bevilja nr. RD12/0019/0001) (JMM), medfinansieras med strukturell finansiering av Europeiska unionen (FEDER) (JMM); och, universitetet i Reading, Storbritannien (AG, GB) (Central finansiering). Finansiärerna hade ingen roll i studiedesign, datainsamling och analys, beslut om att offentliggöra eller beredning av manuskriptet.
Materials
| HD11 XE Ultrasound System | Philips | 10670267 | Echocardiography system. |
| S12-4 | Philips | B01YgG | 4-12 MHz phase array transducer |
| Ultrasound Transmision Gel (Aquasone) | Parket laboratories Inc | N 01-08 | |
| Vasovet 24G | Braun | REF 381212 | over-the-needle catheter |
| Omnifix-F 1 ml syringe | Braun | 9161406V | |
| Imalgene (Ketamine) | Merial | RN 9767 | Veterinary prescription is necessary |
| Domtor (Medetomidine) | Esteve | CN 570686.3 | Veterinary prescription is necessary |
| Heating Pad | |||
| Faber-Castel TG1 | Faber-Castel | 16 33 99 | India (China) Ink |
| Holter Syneflash | Ela medical | SF0003044S | 24 h Holter ECG system. |
| Electrodes Blue Sensor® | Ambu (NUMED) | VLC-00-S | Holter ECG electrodes. |
| Microtome | Leica Biosystems | RM2155 | |
| Microscope | Olimpus | CO11 | |
| ABC Vector Elite | Vector Laboratories | PK-6200 | Avidin Biotin Complex Kit. |
| Chicken anti-GFP antibody | Invitrogen | A10262 | Primary antibody. |
| Biotinylated goat-anti-chicken IgG Antibody | Vector Laboratories | BA-9010 | Secondary Antibody. |
| 3,30-diaminobenzidine tetrahydrochloride (DAB) | DAKO (Agilent) | S3000 | |
| Fluorescence Microscope | Carl Zeiss MicroImaging |
Zeiss AX10 Axioskop | |
| Holter ECG | Elamedical | Syneflash SF0003044S | |
| Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) | Fisher Scientific | 11965084 | |
| 10% fetal calf serum (FCS) | Fisher Scientific | 11573397 | |
| 0.05% Trypsin-Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Fisher Scientific | 25300054 | |
| Lipofectamine 2000 (Lipid transfection reagent) | Fisher Scientific | 11668019 | |
| Reduced serum medium (Opti-MEM) | Fisher Scientific | 31985070 | |
| Hygromycin B | Calbiochem (MERCK) | 400051 | |
| Xylene (histological) | Fisher Scientific | X3S-4 | |
| Hydrogen Peroxide Solution (H2O2) | Sigma | H1009 | |
| Pronase | Fisher Scientific | 53-702-250KU |
Riferimenti
- Hou, D., et al. Radiolabeled cell distribution after intramyocardial, intracoronary, and interstitial retrograde coronary venous delivery: implications for current clinical trials. Circulation. 112, I150-I156 (2005).
- Freyman, T., et al. A quantitative, randomized study evaluating three methods of mesenchymal stem cell delivery following myocardial infarction. Eur Heart J. 27, 1114-1122 (2006).
- Perin, E. C., et al. Comparison of intracoronary and transendocardial delivery of allogeneic mesenchymal cells in a canine model of acute myocardial infarction. J Mol Cell Cardiol. 44, 486-495 (2008).
- Dib, N., Khawaja, H., Varner, S., McCarthy, M., Campbell, A. Cell therapy for cardiovascular disease: a comparison of methods of delivery. J Cardiovasc Transl Res. 4, 177-181 (2011).
- Li, S. H., et al. Tracking cardiac engraftment and distribution of implanted bone marrow cells: Comparing intra-aortic, intravenous, and intramyocardial delivery. J Thorac Cardiovasc Surg. 137, 1225-1233 (2009).
- Shiba, Y., et al. Human ES-cell-derived cardiomyocytes electrically couple and suppress arrhythmias in injured hearts. Nature. 489, 322-325 (2012).
- Chong, J. J., et al. Human embryonic-stem-cell-derived cardiomyocytes regenerate non-human primate hearts. Nature. 510, 273-277 (2014).
- Lu, C., et al. Autologous bone marrow cell transplantation improves left ventricular function in rabbit hearts with cardiomyopathy via myocardial regeneration-unrelated mechanisms. Heart vessels. 21, 180-187 (2006).
- McMurray, J. J., et al. ESC guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure 2012: The Task Force for the Diagnosis and Treatment of Acute and Chronic Heart Failure 2012 of the European Society of Cardiology. Developed in collaboration with the Heart Failure Association (HFA) of the ESC . Eur J Heart Fail. 14, 803-869 (2012).
- Sueta, C. A. The life cycle of the heart failure patient. Curr Cardiol Rev. 11, 2-3 (2015).
- Carver, J. R., et al. American Society of Clinical Oncology clinical evidence review on the ongoing care of adult cancer survivors: cardiac and pulmonary late effects. J Clin Oncol. 25, 3991-4008 (2007).
- Verdecchia, A., et al. Recent cancer survival in Europe: a 2000-02 period analysis of EUROCARE-4 data. Lancet Oncol. 8, 784-796 (2007).
- De Angelis, R., et al. Cancer survival in Europe 1999-2007 by country and age: results of EUROCARE–5-a population-based study. Lancet Oncol. 15, 23-34 (2014).
- Abu-Zidan, F. M., Hefny, A. F., Corr, P. Clinical ultrasound physics. J Emerg Trauma Shock. 4, 501-503 (2011).
- Del, M. F., Mynett, J. R., Sugden, P. H., Poole-Wilson, P. A., Harding, S. E. Subcellular mechanism of the species difference in the contractile response of ventricular myocytes to endothelin-1. Cardioscience. 4, 185-191 (1993).
- Pogwizd, S. M., Bers, D. M. Rabbit models of heart disease. Drug Discov Today Dis Mod. 5, 185-193 (2008).
- Gandolfi, F., et al. Large animal models for cardiac stem cell therapies. Theriogenology. 75, 1416-1425 (2011).
- Harding, J., Roberts, R. M., Mirochnitchenko, O. Large animal models for stem cell therapy. Stem Cell Res Ther. 4, 23 (2013).
- Chong, J. J., Murry, C. E. Cardiac regeneration using pluripotent stem cells–progression to large animal models. Stem Cell Res. 13, 654-665 (2014).
- Talavera, J., et al. An Upgrade on the Rabbit Model of Anthracycline-Induced Cardiomyopathy: Shorter Protocol, Reduced Mortality, and Higher Incidence of Overt Dilated Cardiomyopathy. BioMed Res Int. 2015, 465342 (2015).
- Bueno, C., et al. Human adult periodontal ligament-derived cells integrate and differentiate after implantation into the adult mammalian brain. Cell Transplant. 22, 2017-2028 (2013).
- Sahn, D. J., DeMaria, A., Kisslo, J., Weyman, A. Recommendations regarding quantitation in M-mode echocardiography: results of a survey of echocardiographic measurements. Circulation. 58, 1072-1083 (1978).
- Thomas, W. P., et al. Recommendations for standards in transthoracic two-dimensional echocardiography in the dog and cat. Echocardiography Committee of the Specialty of Cardiology, American College of Veterinary Internal Medicine. J Vet Intern Med. 7, 247-252 (1993).
- Lang, R. M., et al. Recommendations for cardiac chamber quantification by echocardiography in adults: an update from the American Society of Echocardiography and the European Association of Cardiovascular Imaging. Eur Heart J Cardiovasc Imaging. 16, 233-270 (2015).
- Feldman, A. T., Wolfe, D. Tissue processing and hematoxylin and eosin staining. Methods Mol Biol. 1180, 31-43 (2014).
- Howat, W. J., Wilson, B. A. Tissue fixation and the effect of molecular fixatives on downstream staining procedures. Methods. 70, 12-19 (2014).
- Cohen, A. H. Masson’s trichrome stain in the evaluation of renal biopsies. An appraisal. Am J Clin Pathol. 65, 631-643 (1976).
- Corti, R., et al. Real time magnetic resonance guided endomyocardial local delivery. Heart. 91, 348-353 (2005).
- Springer, M. L., et al. Closed-chest cell injections into mouse myocardium guided by high-resolution echocardiography. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 289, H1307-H1314 (2005).
- Aoki, M., et al. Efficient in vivo gene transfer into the heart in the rat myocardial infarction model using the HVJ (Hemagglutinating Virus of Japan)–liposome method. J Mol Cell Cardiol. 29, 949-959 (1997).
- Guzman, R. J., Lemarchand, P., Crystal, R. G., Epstein, S. E., Finkel, T. Efficient gene transfer into myocardium by direct injection of adenovirus vectors. Circ Res. 73, 1202-1207 (1993).
- Magovern, C. J., et al. Direct in vivo gene transfer to canine myocardium using a replication-deficient adenovirus vector. Ann Thorac Surg. 62, 425-433 (1996).
- Suzuki, K., et al. Role of interleukin-1beta in acute inflammation and graft death after cell transplantation to the heart. Circulation. 110, II219-II224 (2004).
- Fukushima, S., et al. Direct intramyocardial but not intracoronary injection of bone marrow cells induces ventricular arrhythmias in a rat chronic ischemic heart failure model. Circulation. 115, 2254-2261 (2007).
- Vela, D., Maximilian Buja, L., Miller, L. W., Taylor, D. A., Willerson, J. T. . Stem Cell and Gene Therapy for Cardiovascular Disease. , 13-23 (2016).
- Fargas, A., Roma, J., Gratacos, M., Roig, M. Distribution and effects of a single intramuscular injection of India ink in mice. Ann Anat. 185, 183-187 (2003).
- Dib, N., et al. Recommendations for successful training on methods of delivery of biologics for cardiac regeneration: a report of the International Society for Cardiovascular Translational Research. JACC Cardiovasc Interv. 3, 265-275 (2010).
- Mu, Y., Cao, G., Zeng, Q., Li, Y. Transplantation of induced bone marrow mesenchymal stem cells improves the cardiac function of rabbits with dilated cardiomyopathy via upregulation of vascular endothelial growth factor and its receptors. Exp Biol Med (Maywood). 236, 1100-1107 (2011).
- Giraldo, A., et al. Percutaneous intramyocardial injection of amniotic membrane-derived mesenchymal stem cells improves ventricular function and survival in non-ischaemic cardiomyopathy in rabbits. Eur Heart J. 36, 149 (2015).
- Giraldo, A., et al. Allogeneic amniotic membrane-derived mesenchymal stem cell therapy is cardioprotective, restores myocardial function, and improves survival in a model of anthracycline-induced cardiomyopathy. Eur J Heart Fail. 19, 594 (2017).
- Prendiville, T. W., et al. Ultrasound-guided transthoracic intramyocardial injection in mice. J Vis Exp. , e51566 (2014).
- Laakmann, S., et al. Minimally invasive closed-chest ultrasound-guided substance delivery into the pericardial space in mice. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 386, 227-238 (2013).
- Hasenfuss, G. Animal models of human cardiovascular disease, heart failure and hypertrophy. Cardiovasc Res. 39, 60-76 (1998).
- Ponikowski, P., et al. Depressed heart rate variability as an independent predictor of death in chronic congestive heart failure secondary to ischemic or idiopathic dilated cardiomyopathy. Am J Cardiol. 79, 1645-1650 (1997).
- Nolan, J., et al. Prospective study of heart rate variability and mortality in chronic heart failure: results of the United Kingdom heart failure evaluation and assessment of risk trial (UK-heart). Circulation. 98, 1510-1516 (1998).
- Galinier, M., et al. Depressed low frequency power of heart rate variability as an independent predictor of sudden death in chronic heart failure. Eur Heart J. 21, 475-482 (2000).
- Sheng, C. C., Zhou, L., Hao, J. Current stem cell delivery methods for myocardial repair. BioMed Res Int. 2013, 547902 (2013).
- Kim, R. J., et al. The use of contrast-enhanced magnetic resonance imaging to identify reversible myocardial dysfunction. N Engl J Med. 343, 1445-1453 (2000).
- Perin, E. C., et al. Transendocardial, autologous bone marrow cell transplantation for severe, chronic ischemic heart failure. Circulation. 107, 2294-2302 (2003).
