Det overordnede målet med den nåværende studien er å presentere teknikker for induksjon av hjerteinfarkt (MI) og post-myokardinfarkt hjertesvikt (post-MI HF) i lukket bryst, voksne Göttingen minipigs og karakterisering av post-MI HF-modellen i Göttingen minipigs sammenlignet med Landrace griser.
Utviklingen av hjertesvikt er den kraftigste prediktoren for langtidsdødelighet hos pasienter som overlever akutt hjerteinfarkt (MI). Det er et udekket klinisk behov for forebygging og behandling av post-myokardinfarkt hjertesvikt (post-MI HF). Klinisk relevante grismodeller av post-MI HF er forutsetninger for endelige konseptgodkjenningsstudier før de inngår kliniske studier i utvikling av legemidler og medisinsk utstyr.
Her hadde vi som mål å karakterisere en lukket brystpocinmodell av post-MI HF hos voksne Göttingen-minipigs med langsiktig oppfølging, inkludert seriell hjertemagnetisk resonansavbildning (CMRI) og å sammenligne den med den ofte brukte Landrace grisemodellen.
MI ble indusert av intraluminal ballong okklusjon av venstre fremre synkende koronar arterie i 120 min i Göttingen minipigs og i 90 min i Landrace griser, etterfulgt av reperfusjon. CMRI ble utført for å vurdere hjertemorfologi og funksjon ved baseline i begge raser og ved henholdsvis 3 og 6 måneder i Göttingen minipigs og ved 2 måneder i Landrace griser.
Arrstørrelser var sammenlignbare i de to rasene, men MI resulterte i en betydelig reduksjon av venstre ventrikulær ejeksjonsfraksjon (LVEF) bare i Göttingen-minipigs, mens Landrace griser ikke viste en reduksjon av LVEF. Høyre ventrikulær (RV) ejeksjonsfraksjon økte i begge raser til tross for de ubetydelige RV-arrstørrelsene. I motsetning til den betydelige økningen av venstre ventrikulær endediastolisk (LVED) masse i Landrace griser på 2 måneder, viste Göttingen minipigs en liten økning i LVED-massen bare på 6 måneder.
Oppsummert er dette den første karakteriseringen av post-MI HF i Göttingen minipigs i forhold til Landrace griser, som viser at Göttingen minipig-modellen gjenspeiler post-MI HF-parametere som kan sammenlignes med den menneskelige patologien. Vi konkluderer med at Göttingen minipig-modellen er overlegen Landrace grisemodellen for å studere utviklingen av post-MI HF.
Til tross for den synkende dødeligheten av akutt hjerteinfarkt (MI), har forekomsten av post-myokardinfarkt hjertesvikt (post-MI HF) ikke endret seg over tid1. Hjertesvikt (HF) er en av de kraftigste prediktorene for død hos MI-pasienter2. Til dags dato er reperfusjonsterapi det eneste tilgjengelige behandlingsalternativet for å begrense hjerteinfarktstørrelse og redusere risikoen for en påfølgende HF3,4,5. HF og andre komplikasjoner kan oppstå som følge av reperfusjonsskade; Derfor er det fortsatt et udekket behov for utvikling av kardiobeskyttende terapier utover rettidig reperfusjon6,7,8. Tallrike kardiobeskyttende terapier effektive selv i store dyremodeller har blitt beskrevet, men bare fjerntliggende iskemiske kondisjonering (RIC) syntes å forbedre kliniske resultater av post-MI HF i en liten klinisk studie9. Dette oppmuntrende resultatet på effekten av RIC ble imidlertid stilt spørsmål ved i en enkeltblind, randomisert kontrollert studie (CONDI-2/ERIC-PPCI) utført ved 33 sentre over hele Europa hos STEMI-pasienter, der RIC ikke klarte å forbedre kliniske resultater10. Potensielle årsaker til den mislykkede oversettelsen av de prekliniske dataene kan være bruk av suboptimale post-MI HF dyremodeller med lav klinisk relevans11.
Kardiovaskulær (pato)morfologi og (pato)fysiologi av grismodellene ligner menneskelige forhold; Dermed er det mye brukt og akseptert i translasjonell kardiovaskulær forskning12,13,14. Grisraser som brukes i kardiovaskulær forskning tilhører den svært varierte grisen (Sus scrofa domestica) som inkluderer svin som varierer i størrelse, utseende og genetisk bakgrunn15,16. Selv om post-MI HF har blitt forsket mye på griser, ble det ikke publisert noen studie med sikte på å karakterisere og sammenligne effekten av MI på utfallet av post-MI HF hos Landrace griser og Göttingen minipigs. Den intensive vekstraten til Landrace griser kan påvirke hjertemorfofunksjonelle utfall; Göttingen-minipigs med begrensede vekstmønstre kan imidlertid overvinne disse bekymringene og kan fungere som en gjennomførbar modell for langsiktig oppfølging i vurderingen av post-MI HF. Videre anbefaler en retningslinje om relevansen av strenghet og reproduserbarhet i prekliniske studier på kardiobeskyttelse bruk av hjertemagnetisk resonansavbildning (CMRI) som en klinisk relevant modell for måling av ventrikkelfunksjon hos griser12.
For å analysere den vitenskapelige interessen for post-MI HF hos griser utførte vi litteratursøk på PubMed ved hjelp av følgende søkestreng: “(gris ELLER svin ELLER svin ELLER sus-scrofa ELLER minipig ELLER mini-gris ELLER miniatyr-gris ELLER miniatyr OG (infarkt* ELLER iskemisk* ELLER ischaem* ELLER reperfus*) OG (hjerte ELLER kardium* ELLER myokard*) OG (GUTT ELLER venstre fremre* ELLER LCX ELLER venstre- circumflex OR RCA) OG (hjertesvikt ELLER lvef ELLER ejeksjonsfraksjon ELLER infarktstørrelse ELLER infarktstørrelse)” og fant at grismodeller av hjerte iskemi/reperfusjon ofte brukes til å studere MI og post-MI HF, men bare 17% (71 av 425 artikler) av studier involverte minipigs og 7% (30 av 425 artikler) brukte Göttingen minipigs. Bare om lag 1% (5 av 425) av studiene brukte Göttingen minipigs og klinisk relevante protokoller med langsiktig oppfølging (1-9 måneder med reperfusjon) og CMRI for å analysere hjertefunksjon. Det lille antallet klinisk relevante studier fremhever det translasjonelle gapet mellom grunnforskning og kliniske studier. Derfor er det nødvendig med en omfattende karakterisering av de lukkede post-MI HF-modellene i Göttingen-minipigs og Landrace griser med gjentatt vurdering av venstre og høyre ventrikkelfunksjon og anatomi ved bruk av CMRI under langsiktig oppfølging. Her hadde vi som mål å fokusere på den tekniske gjennomførbarheten og kliniske relevansen av to post-MI HF-modeller for å beskrive standardiserte og reproduserbare eksperimentelle protokoller for post-MI HF-studier som kan brukes til å vurdere kardiobeskyttende legemiddel- og / eller medisinsk utstyrsterapi.
Den nåværende studien er den første i litteraturen som karakteriserer en klinisk relevant modell av post-MI HF ved hjelp av voksne Göttingen minipigs og å sammenligne morfologiske og hjerte venstre og høyre ventrikulære funksjonelle parametere med ungdommen Landrace griser.
Her beskrev vi en detaljert protokoll som fremhever de kritiske trinnene i en teknikk for induksjon av akutt MI og evaluering av post-MI HF i en lukket brystmodell av voksne Göttingen-minipigs. Vi beskrev også metoden for intrakoronær legemiddeladministrasjon, BARI-skåring og rapporterte venstre og høyre ventrikulære hjertemorfofunksjonelle endringer i en translasjonell post-MI HF-modell. Dette er den første karakteriseringen av post-MI HF i Göttingen minipigs i forhold til Landrace griser, som viser at Göttingen minipig-modellen gjenspeiler post-MI HF-parametere som kan sammenlignes med mennesker. Vi konkluderer med at Göttingen minipig-modellen er overlegen Landrace-grisen for å følge opp utviklingen av post-MI HF. Klinisk relevante grismodeller av post-MI HF er forutsetninger for endelige konseptgodkjenningsstudier før de inngår kliniske studier i de fleste kardiovaskulære legemiddel- og medisinsk utstyrsutviklingsprosjekter6,7,12. Faktisk ligner grismodeller mennesker i anatomi, fysiologi og biokjemiske egenskaper spesielt innen MI-forskning når de utvikler transmaleriinfarkter på grunn av mangel på sikkerhetsperfusjon14. Derfor kan grismodeller tjene som modeller for analyse av kardiobeskyttende terapier og deres mekanismer24,25,26,27,28,29.
Her har vi funnet ut at til tross for like arrstørrelser, dødelighet og BARI score i de to raser, venstre ventrikulær dysfunksjon preget av redusert LVEF ble observert bare i Göttingen minipigs. Her observerte vi en akutt dødelighet på 15,4 % i Göttingen-minipigs og ingen dødelighet i oppfølgingsperioden, sistnevnte kan sammenlignes med den i kliniske studier. Faktisk fant en metaanalyse på pasientnivå av 10 randomiserte kliniske studier at Kaplan-Meier anslo at 1-års dødelighet av alle årsaker var så lav som 2,2% etter hjerteinfarkt30. Arrstørrelser rapportert her er sammenlignbare med de i kliniske studier. I kliniske studier utført av Lonborg et al og Stone et al hos pasienter som overlevde ST-høyde hjerteinfarkt median arrstørrelser, målt som % av venstre ventrikulær myokardmasse var henholdsvis 9,5% og 17,9%30,31. Videre er arrstørrelser i den nåværende studien i samsvar med de som er rapportert i tidligere publikasjoner i Göttingen minipigs (12-25%)32,33,34,35,36,37 og hos Landrace griser (14-18%)38,39,40. Det nåværende funnet på baseline LVEF i Landrace svin er ifølge data rapportert av andre i store svin13,41,42. Disse verdiene i stort svin er mindre sammenlignet med sunne humane LVEF-referanseområder (58-61%)43 og baseline-verdier (pre-infarkt) i Göttingen-minipigs (55-73 %)33,44,45. Likevel er det verdt å merke seg at bare post-infarktdata eller deltaendringer av LVEF rapporteres i de fleste publikasjoner.46,47,48,49,50. I samsvar med de nåværende resultatene har tidligere studier av enten post-MI HF indusert av 45 til 90 min LAD okklusjon etterfulgt av reperfusjon eller ved permanent LAD-okklusjon vist enten ingen reduksjon eller beskjeden reduksjon av LVEF i Landrace eller Yorkshire svin etter 4-6 ukers oppfølging sammenlignet med baseline (pre-infarkt) LVEF51,52,53. Imidlertid sammenlignet Schuleri et al. morphofunctional parametere mellom Göttingen minipigs og Yorkshire svin og fant at begge raser viste en nedgang på LVEF 8 uker etter induksjon av MI med 120 til 150 min LAD okklusjon-reperfusjon; Baseline LVEF-verdier i Yorkshire svin ble imidlertid ikke rapportert54. I andre eksperimenter hos kvinnelige Dalland Landrace griser etter MI ble negativ ombygging indusert av 90 min LAD okklusjon, men LVEF ble ikke rapportert etter 4 ukers oppfølging55. I motsetning til våre funn, i en studie av de Jong et al., gikk LVEF markant ned i Landrace griser utsatt for åpen bryst LAD okklusjon og etterfulgt av en 12-ukers oppfølging56. Denne forskjellen kan tilskrives vesentlig lengre iskemisk periode (150 min), noe som resulterte i større infarktstørrelse (23,4 ± 2,1% av LV). Andre steder førte 120-min lukket bryst okklusjon av venstre circumflex (LCX) koronararterie hos tyske Landrace griser til en betydelig reduksjon i LVEF etter åtte uker med reperfusjon, noe som tyder på at den forskjellige plasseringen av MI også kan påvirke global venstre ventrikkelfunksjon.57. Våre nåværende funn samsvarer med andre som viser betydelig reduksjon i LVEF i etter-MI HF i Göttingen-minipigs etter langsiktig oppfølging33,44,45.
Reduksjonen av LVEF i Göttingen minipigs etter MI er i samsvar med kliniske data som viser hjertedysfunksjon som følge av ventrikulær ombygging hos pasienter etter AMI58. Til slutt etterligner Göttingen minipigs bedre de menneskelige forholdene, siden pre-infarkt LVEF, arrstørrelse, post-infarkt LVEF og dødelighet er alle sammenlignbare med disse parametrene som finnes hos mennesker.
Her observerte vi en 8% økning i LVED masse etter seks måneder i Göttingen minipigs og en markant høyere (97%) økning i LVED-masser i Landrace griser etter to måneder. Lignende data ble rapportert av Schuleri et al. i Yorkshire griser, hvor en 40% økning i hjertevekt ble observert etter to måneder. I andre eksperimenter med lukket bryst etter MI HF i Göttingen minipigs ble det derimot ikke observert noen signifikante endringer i venstre ventrikkelmasser33,44. Derfor kan forskjeller mellom de to raser angående LVEF tilskrives en intensiv hjertevekstrate hos Landrace griser og dermed endret hjerteoppussing.
I kliniske omgivelser, foruten LVEF, gir venstre ventrikulært volum verdifull innsikt i langsiktig prognose og dødelighet hos post-MI-pasienter59. LVESV er den primære determinanten for både tidlig og sen dødelighet hos pasienter etter AMI60,61. Her har vi vist at ventrikulært volum vurdert av CMRI økte betydelig i begge raser. Ombygging etter MI førte til en mer markert økning i LVESV enn i LVEDV i Göttingen-minipigs, mens både LVESV og LVEDV ble økt med en tilsvarende rate hos Landrace griser. Følgelig ble venstre ventrikulær ejeksjonsfraksjon (LVEF) betydelig redusert på 3 og 6 måneder bare i Göttingen minipigs, men ikke hos Landrace griser etter 2 måneder. Disse resultatene må tolkes med forsiktighet hos Landrace griser, hvor økt LVESV, LVEDV og LVSV (beregnet som forskjellen mellom LVESV og LVEDV) er mer sannsynlig relatert til en intensiv økning i hjertemasse. Økt LVESV og LVEDV er i samsvar med kliniske data fra pasienter med post-MI HF62,63,64. Videre ble negativ venstre ventrikulær ombygging definert som en økning på 15% eller mer i LVEDV i kliniske studier65,66 og vi fant her en 28% økning etter 3 måneder og en 42% økning etter 6 måneder i LVEDV i Göttingen minipigs som viser en klinisk relevant negativ ombygging. I tillegg har vi her vist at LAVi bare økte i Göttingen minipigs, men ikke i Landrace griser. Økning av venstre atrievolum er en ekstra viktig strukturell endring i sammenheng med HF og er en uavhengig prediktor for død og HF-sykehusinnleggelse hos pasienter som overlever MI67.
Høyre ventrikulær funksjon studeres sjelden i post-MI HF-modeller. Her har vi funnet ut at høyre ventrikulær ejeksjonsfraksjon økte i begge raser. Selv om RV praktisk talt ikke var involvert i myokardnekrose, økte RVEF betydelig i begge raser som indikerer RV-volumoverbelastning og dermed venstre ventrikulær dysfunksjon. Tilsvarende viste en klinisk studie på 2008 pasienter med kronisk systolisk HF at 733 pasienter (37 %) tilhørte normal høyre ventrikkelfunksjonskategori med RVEF≥40%68.
Til slutt har vi her vist at den voksne Göttingen minipig-modellen med langsiktig oppfølging etterligner funksjonelle og morfologiske parametere av post-MI HF som kan sammenlignes med mennesker. Våre nåværende data viser også at Landrace griser ikke er egnet for evaluering av post-MI HF hovedsakelig på grunn av konsekvenser av den raske økningen i kropp og hjertevekt som ikke tillater langsiktig oppfølging og forstyrrer post-MI HF patologi. Landrace griser kan være egnet til å vurdere konsekvensene av akutt hjerteinfarkt. Den nåværende omfattende karakteriseringen av de lukkede brystinfarktmodellene i Landrace og Göttingen minipigs vil være nyttig for å velge de optimale store dyremodellene for å studere post-MI HF og utvikle nye terapier mot denne patologien.
Begrensninger
Det nåværende eksperimentet ble utført bare hos kvinnelige griser, derfor er den potensielle effekten av de forskjellige kjønnene på post-MI HF fortsatt ukjent i disse modellene69. Tegn på HF ble vurdert av CMRI, i henhold til anbefalinger fra en nylig retningslinje om relevansen av strenghet og reproduserbarhet i prekliniske studier på kardioproteksjon12. Imidlertid kan bruk av mer målrettet angulering av CMRI-bildeplan og mer målrettet sekvens føre til bedre estimering av venstre atrievolumer og lungeødem. Selv om vi ikke har målt biomarkører og histologiske tegn på post-MI HF i denne studien, er disse modellene egnet for analyse av biomarkører siden tilgjengeligheten av plasma- og vevsprøver. På grunn av den forskjellige følsomheten til de 2 raser til iskemi / reperfusjonsskade, ble forskjellige varigheter av koronar okklusjoner valgt her som kan, men begrense sammenligningen av de 2 modellene, men ved denne tilnærmingen oppnådde vi lignende infarktstørrelse. Oppfølgingstiden i de to rasene var forskjellig som i Landrace grisene bare 2 måneder oppfølgingstid kan oppnås på grunn av tekniske årsaker, det vil si rask økning i kroppsvekt som viser en stor begrensning av Landrace-modellen. En ytterligere begrensning er mangelen på forskjellige risikofaktorer og komorbiditeter, og dermed etterligner de nåværende store dyremodellene ikke helt den kliniske situasjonen når det gjelder tilstedeværelsen av flere risikofaktorer, inkludert ko-morbiditeter og deres medisiner. For tiden er det imidlertid ingen etablerte store dyremodeller med flere komorbiditeter for rutinemessig bruk. Disse store dyremodellene kan ikke drives for dødelighetsanalyse på grunn av animalske etiske årsaker og de høye kostnadene ved disse studiene.
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble finansiert av Quark Pharmaceuticals Inc hvor S.A. og E.F. er ansatte. Denne studien ble også støttet av National Research, Development and Innovation Office of Hungary (NKFIA; NVKP-16-1-2016-0017 National Heart Program), og av Higher Education Institutional Excellence Program av Ministry of Human Capacities i Ungarn, innenfor rammen av Therapeutic Development tematisk program av Semmelweis University. GB.B. ble støttet av EFOP-3.6.3-VEKOP-16-2017-00009 og Gedeon Richter Plc. Scholarship. Z.G. ble støttet av et János Bolyai-forskningsstipend fra det ungarske vitenskapsakademiet og av ÚNKP-19-4 New National Excellence Program fra Ministry of Human Capacities.
Special Diet Services pig chow | SDS, Witham, England, Hungarian distributor: Akronom Kft. | ||
maintenance minipig diet | no. 9023, Altromin | ||
pregnant sow chow | Bonafarm-Bábolna Takarmány Plc | ||
ketamine hydrochloride | Richter Pharma AG | ||
xylazine | Medicus Partner | ||
atropine | Egis | ||
endotracheal tube | Portex | ||
isoflurane | Abbot | ||
anesthetic machine | Dräger Julian | ||
18 G needle | Anhul Kangda Medical Products Co. Ltd. | ||
5% glucose in Ringer solution | B Braun | ||
atracurium besylate | GSK | ||
cardiac magnetic resonance machine | Siemens Healthineers Medical GmbH | ||
acetyl salicylic acid | Bayer | ||
clopidogrel | Zentiva | ||
meloxicam (meloxidyl) | Ceva | ||
antibiotic coctail (tardomyocel) comp III. | Norbrook | ||
ear vein cannula | B Braun Melsungen AG | ||
magnesium sulfate | Wörwag Pharma GmbH | ||
povidone-iodine | Egis | ||
ECG electrodes | Leonhard Lang GmbH | ||
6F-ACT introducer | St Jude Medical | ||
heparin | TEVA | ||
arterial pressure sensor and monitoring system | GE Healthcare | ||
guidewire | PT2MS Boston Scientific | ||
5F guiding catheter | Medtronic Launcher, 5F | ||
fluoroscope, C-bow | Siemens Medical GmbH | ||
Iobitridol (Xenetix) | Guerbet | ||
balloon catheter | Boston Scientific, EMERGE, 2.5mm x 12mm | ||
heating device | 3M | ||
rectal probe | Vatner Kft | ||
pulse oxymeter | Comen medical | ||
epinephrine | Richter Gedeon Rt. | ||
lidocaine | EGIS | ||
microcatheter | Caravel ASAHI | ||
defibrillator | GE Marquette Responder 1100 | ||
perfusion pump | TSE system | ||
antiseptic coating | Friedrich Huber aeronova GmbH&Co | ||
gadobutrol | Bayer | ||
MASS 7.6 analysis software | Medis Medical Imaging Software, Leiden |