Presentamos un modelo de leporina mínimamente invasivo de estimulación cardíaca a largo plazo que se puede utilizar para la estimulación artificial y el desarrollo de insuficiencia cardíaca en estudios preclínicos.
Los modelos animales de estimulación cardíaca son beneficiosos para probar nuevos dispositivos, estudiar la fisiopatología de los ritmos cardíacos de ritmo artificial y estudiar las miocardiopatías inducidas por arritmias y la insuficiencia cardíaca posterior. Actualmente, solo unos pocos modelos de este tipo están disponibles, y en su mayoría requieren amplios recursos. Informamos un nuevo modelo experimental de estimulación cardíaca en pequeños mamíferos con el potencial de estudiar la insuficiencia cardíaca inducida por arritmia.
En seis conejos blancos de Nueva Zelanda (peso medio: 3,5 kg) bajo anestesia inhalatoria general se diseccionó la región yugular y se insertó una sola derivación de estimulación a través de la vena yugular externa derecha. Usando guía fluoroscópica, el cable se avanzó aún más hasta el ápice ventricular derecho, donde se estabilizó mediante fijación pasiva. Luego se conectó un marcapasos cardíaco y se enterró en un bolsillo subcutáneo.
La implantación del marcapasos fue exitosa con una buena cicatrización; La anatomía del conejo es favorable para la colocación del plomo. Durante 6 meses de seguimiento con estimulación intermitente, el potencial miocárdico medio detectado fue de 6,3 mV (min: 2,8 mV, máx.: 12 mV), y la impedancia media de derivación medida fue de 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). El umbral de estimulación fue inicialmente de 0,8 V ± 0,2 V y se mantuvo estable durante el seguimiento.
Este estudio es el primero en presentar una estimulación cardíaca transvenosa exitosa en un modelo de mamífero pequeño. A pesar del tamaño y la fragilidad del tejido, la instrumentación de tamaño humano con ajustes se puede utilizar de forma segura para la estimulación cardíaca crónica y, por lo tanto, este modelo innovador es adecuado para estudiar el desarrollo de la miocardiopatía inducida por arritmias y la consiguiente fisiopatología de la insuficiencia cardíaca.
En la investigación de la insuficiencia cardíaca y el desarrollo de la estimulación cardíaca, los modelos traslacionales son frecuentemente requeridos para las pruebas preclínicas1. Además, los nuevos dispositivos, materiales y refinamientos de plomo deben probarse para detectar sus posibles complicaciones antes de su uso clínico. Así, los modelos de estimulación cardíaca tienen una amplia gama de aplicaciones, incluyendo el análisis de ritmos cardíacos estimulados artificialmente y el estudio de sus efectos fisiopatológicos sobre la función cardíaca 2,3. Los experimentos de miocardiopatía inducida por estimulación cardíaca o taquicardia pueden utilizar modelos de varios tamaños de animales, con el desarrollo de insuficiencia cardíaca dentro de las semanas de estimulación de alta frecuencia 1,3,4,5.
Estudios previos han reportado el uso de modelos animales grandes (porcinos, caninos y ovinos) en tales aplicaciones 2,3,6. Sin embargo, la disponibilidad de estos modelos es limitada y requieren amplios recursos para la cirugía y el manejo de animales. Por el contrario, el uso de pequeños mamíferos podría abordar las preocupaciones mencionadas y, en consecuencia, servir como un modelo de investigación óptimo y asequible. Sin embargo, rara vez se han reportado estudios de estimulación cardíaca en mamíferos pequeños, y esto podría deberse a su delicada anatomía, fragilidad tisular y la mayor tasa de estimulación requerida 7,8,9,10,11,12.
Sólo se han utilizado modelos quirúrgicos de derivaciones de estimulación parcialmente implantadas con marcapasos externos11,12 o dispositivos de estimulación microscópica inalámbricos 5,7,8,9 en estudios de marcapasos de mamíferos pequeños, pero hasta donde sabemos, hasta la fecha no se ha informado el uso de sistemas de marcapasos transvenosos completamente implantados, de tamaño humano. La evidencia previa en modelos de leporina muestra que la estimulación a frecuencias cardíacas rápidas durante semanas conduce a la depresión miocárdica11,12. Este artículo presenta el primer modelo de mamífero pequeño prácticamente viable, que demuestra la implantación exitosa de un marcapasos de tamaño humano en conejos. La metodología descrita tiene como objetivo presentar un modelo clínicamente relevante de estimulación cardíaca y puede ser trasladada estrechamente a estudios humanos de miocardia inducida por taquicardia o miocardia inducida por estimulación y la consiguiente fisiopatología de la insuficiencia cardíaca 2,11,12.
A pesar de sus limitaciones específicas, los modelos de pequeños mamíferos ofrecen ventajas para la investigación clínica13. Con una metodología establecida, los modelos de estimulación cardíaca pueden proporcionar una plataforma óptima para la simulación de una amplia gama de enfermedades cardiovasculares y estados patológicos circulatorios 7,14 con requisitos de recursos significativamente menores en comparación con modelos animales grandes o ensayos clínicos. Este artículo presenta un modelo innovador y mínimamente invasivo de estimulación cardíaca de larga duración en conejos. Al seguir este protocolo, es factible utilizar un sistema de marcapasos humano de tamaño completo completamente implantado, incluido un cable de estimulación de longitud completa, en un modelo de mamífero pequeño.
En el momento de la implantación del marcapasos, pudimos colocar el cable en una ubicación estable y óptima en el vértice del ventrículo derecho en todos los animales. Los parámetros de estimulación medidos de forma invasiva estaban dentro de los rangos normales, similares a los valores comunes en experimentos con animales grandes o medicina humana 2,3. El potencial miocárdico medio medido de 6,5 mV ± 1,9 mV en el ventrículo derecho del conejo se reconoce claramente mediante un marcapasos implantable estándar. El umbral de estimulación máximo medido fue de 2,5 V, con una duración del estímulo de 0,4 ms, y la impedancia se mantuvo dentro de los rangos normales durante el seguimiento. En general, estos representan parámetros de ritmo óptimos.
Durante el seguimiento, los parámetros de estimulación se verificaron de forma no invasiva mediante el interrogatorio del marcapasos implantado, y estos parámetros se resumen en la Figura 7, Figura 9 y Tabla 1. La detección ventricular y la impedancia de derivación no demostraron ningún cambio significativo durante 6 meses. A pesar de una tendencia creciente en el umbral de estimulación promediado en todos los sujetos, no se observaron cambios significativos, lo que permitió que la estimulación se realizara de manera segura durante todo el estudio. La pequeña fluctuación en los parámetros de estimulación puede atribuirse a respuestas inflamatorias locales o fibrosis y podría mitigarse mediante la utilización de materiales liberadores de esteroides. Para su uso en estudios de estimulación a largo plazo, los parámetros de estimulación deben monitorizarse y ajustarse con frecuencia.
El análisis de sangre no sugirió inflamación sistémica o anemia durante la primera semana después de la implantación. La tendencia al aumento del recuento de plaquetas antes del procedimiento puede atribuirse al estrés agudo causado por la manipulación de animales y la sedación, ya que los valores se mantuvieron estables durante el seguimiento. Una complicación temida de la implantación de marcapasos es la penetración de plomo. Especialmente con la fragilidad de los tejidos de mamíferos pequeños, se debe sospechar la penetración cuando los parámetros de estimulación cambian abruptamente, y se debe enfatizar que el plomo siempre debe manipularse cuidadosamente en su posición correcta. Una imagen de rayos X puede confirmar la penetración del plomo. Una infección bacteriana aguda asociada a dispositivos electrónicos implantables cardíacos (CIED) es otra complicación potencialmente grave que contribuye significativamente a las tasas de mortalidad y morbilidad15. Por lo tanto, es extremadamente importante estudiar nuevos materiales, técnicas de estimulación y refinamientos de plomo para reducir las tasas de infección y extender la durabilidad de los sistemas de estimulación. La metodología presentada proporciona un modelo animal apropiado para una investigación experimental tan vital.
Ryu et al. indujeron miocardiopatía con insuficiencia cardíaca progresiva utilizando derivaciones de estimulación auricular implantadas quirúrgicamente y un generador de pulsos externo12. Del mismo modo, Freeman et al. concluyeron que la estimulación ventricular sostenida conduce a la depresión miocárdica en conejos durante 3-4 semanas11. Debido a la alta frecuencia cardíaca nativa de los animales pequeños, el marcapasos debe ser capaz de marcar frecuencias de ritmo alrededor de 300-400 lpm para mantener un ritmo completo. Como estas frecuencias de estimulación más altas conducen a insuficiencia cardíaca progresiva durante las semanas11,12, el modelo de leporina presentado es óptimo para el desarrollo e investigación de la miocardiopatía resultante. Teniendo en cuenta su tamaño, estos pequeños modelos son ideales para aplicaciones específicas como la evaluación de cambios en el tejido humoral o miocárdico11,16. La ecocardiografía puede ser utilizada además para evaluar las dimensiones y la contractilidad del corazón de leporina12,17. En comparación, los modelos animales más grandes de insuficiencia cardíaca tienen otras ventajas, como la posibilidad de una evaluación hemodinámica invasiva detallada, incluidas las evaluaciones de circulación coronaria o presión-volumen2.
La selección específica del modelo de leporina para los estudios de estimulación se basó en sus múltiples ventajas. Los conejos toleran bien el procedimiento, son uno de los mamíferos más pequeños para demostrar la capacidad de recibir un sistema de marcapasos de tamaño humano y requieren el despliegue de menos recursos que otros animales más grandes. Algunos autores18 creen que la fisiología de los pequeños mamíferos puede no reflejar la de los humanos, sin embargo, encontramos que los parámetros de estimulación observados en estos pequeños mamíferos son bastante similares a los observados en humanos o animales grandes 1,2,3,19, lo que significa que pueden ser fácilmente utilizados para la investigación traslacional.
Durante la colocación de plomo y la implantación de marcapasos en este modelo de mamíferos pequeños, encontramos similitudes con experimentos previos en modelos animales grandes, pero se deben señalar las diferencias significativas. Los tejidos de leporina son frágiles y los vasos y las paredes ventriculares son delgados. La manipulación suave es necesaria durante todo el procedimiento; La punta de plomo siempre debe estar no apoyada por el estilete y, por lo tanto, flexible. Especialmente al pasar a través del anillo tricúspide y colocar la punta del cable en el ápice del ventrículo derecho, la manipulación debe realizarse con extremo cuidado y bajo guía fluoroscópica para evitar lesiones. También debería ser posible colocar la punta en otros lugares. Hemos probado las posiciones del apéndice auricular derecho y del tracto de salida ventricular con parámetros periprocedimentales óptimos, pero la estabilidad del plomo puede ser limitada y los datos actuales no pueden apoyar sitios de estimulación alternativos. La vena yugular externa del conejo tiene el tamaño adecuado para la inserción de un solo cable de paso. Si se pretende la implantación de múltiples derivaciones, se puede recomendar el uso de un animal más grande.
La fijación de plomo en la trabeculación miocárdica se logró pasivamente con dientes de silicio en la punta del plomo. Según nuestra experiencia, se debe evitar el uso de la fijación activa por una hélice atornillada en la capa delgada del miocardio para prevenir lesiones tisulares debidas a taponamiento o sangrado torácico. A pesar del pequeño tamaño del ventrículo derecho del conejo, el par de electrodos de estimulación espaciados en 25 mm permitió configuraciones de detección y estimulación unipolares y bipolares (Figura 10). Esto puede ofrecer versatilidad para estudios de estimulación cardíaca.
Debido a la alta frecuencia cardíaca nativa de los pequeños mamíferos18, se puede lograr una estimulación continua mediante la programación personalizada del marcapasos implantable. Alternativamente, el método de modificación interna simple de un sistema de estimulación común certificado por humanos se puede utilizar para obtener frecuencias de estimulación de alta velocidad, como se describió en detalle anteriormente 2,20. La pérdida de captura se evaluó utilizando la función de estudio de estimulación no invasiva, que es un enfoque único que permite realizar pruebas incluso en la condición de una frecuencia cardíaca nativa alta. Los parámetros de estimulación informados se midieron regularmente. El marcapasos implantado fue capaz de registrar la detección de potenciales miocárdicos y la impedancia de derivación de forma automática y continua, pero el umbral de estimulación tuvo que medirse manualmente debido a la alta frecuencia cardíaca nativa. Por lo tanto, si se requiere un ritmo continuo, se recomiendan evaluaciones frecuentes para evitar la pérdida de captura.
Gutruf et al. informaron previamente el uso de marcapasos altamente miniaturizados, inalámbricos y sin batería en modelos de animales pequeños7. En comparación con sus estudios, la implantación de un marcapasos de tamaño humano descrito aquí representa un enfoque diferente que brinda la posibilidad de pruebas innovadoras de plomo, una traducción cercana a la investigación clínica y aplicaciones más amplias con materiales generalmente disponibles. Zhou et al. presentaron el desarrollo de un marcapasos cardíaco en miniatura diseñado para ser implantado percutáneamente en el corazón fetal para tratar el bloqueo auriculoventricular. Informaron el uso de experimentos con conejos adultos para confirmar la viabilidad de tal dispositivo9. Otros han informado previamente las ventajas de la intubación de conejos para procedimientos invasivos. Según nuestra experiencia, el enfoque de mantener la respiración espontánea con una máscara oronasal tiene más beneficios para procedimientos tan cortos, ya que minimiza el riesgo de complicaciones causadas por la manipulación de las vías respiratorias. Además, las lesiones pulmonares por presión también se pueden prevenir.
Aunque el protocolo de estudio se preparó cuidadosamente y el número total de animales incluidos fue adecuado, deben señalarse varias limitaciones. El pequeño tamaño del ventrículo derecho del conejo no permitió múltiples colocaciones de derivaciones. Aunque intentamos probar el posicionamiento de la punta de plomo en el tracto de salida del ventrículo derecho, tenemos un conocimiento limitado sobre su estabilidad y esperamos que sea bastante limitado. La tendencia de impedancia de ritmo mostró una caída dentro de la primera semana después de la colocación del plomo. Esto podría deberse a una inflamación local y fibrosis leve, pero poco después, se restableció la impedancia del plomo y se mantuvo continuamente una tendencia de estabilidad. En este estudio se utilizó un sistema de estimulación de una sola cámara. En estudios futuros, también se debe investigar el avance de un par de derivaciones de estimulación a través de la vena yugular unilateral. Aunque esto no se probó en este estudio, creemos que se podría introducir y estabilizar una segunda derivación en la aurícula derecha.
En general, los modelos animales de estimulación cardíaca tienen numerosas aplicaciones en la investigación cardiovascular. En primer lugar, la estimulación a altas frecuencias no fisiológicas durante varias semanas conduce a la miocardiopatía inducida por taquicardia, como se informó anteriormente, y permite el estudio de la fisiopatología y el tratamiento de la insuficiencia cardíaca crónica 2,3,11,12. Además, la investigación sobre materiales y tecnologías refinadas puede utilizar el modelo de leporina presentado, que podría sugerirse para estudios de estimulación a mediano plazo. Hasta donde sabemos, este estudio es el primero en demostrar los beneficios de un modelo de mamífero tan pequeño para experimentos complejos de estimulación cardíaca21. En conclusión, con la metodología descrita, un sistema de estimulación de tamaño humano puede implantarse con éxito en pequeños mamíferos, a pesar de la fragilidad del tejido y la delicada anatomía. Después del entrenamiento, esta técnica es fácilmente reproducible, y proporciona una base para modelos de taquicardia rítmica con amplias aplicaciones en la investigación cardiovascular.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer el consejo y la asistencia de Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková y Tereza Vavříková por su inspiración, trabajo y apoyo técnico. Este trabajo fue financiado por MH CZ-DRO (NNH, 00023884), subvención IG200501.
Medication | |||
atipamezole | Eurovet Animal Health, B.V. | Atipam | anesthetic |
buprenorphine | Vetoquinol | Bupaq | analgetic |
enrofloxacin | Krka | Enroxil | antibiotic |
isoflurane | Baxter | Aerrane | anesthetic |
ketamine hydrochloride | Richter Gedeon | Calypsol | anesthetic |
medetomidine | Orion Corp. | Domitor | anesthetic |
meloxicam | Cymedica | Melovem | analgetic |
povidone iodine | Egis Praha | Betadine | disinfection |
Silver Aluminium Aerosol | Henry Schein | 9003273 | tincture |
Surgical materials | |||
2-0 Perma-Hand Silk | Ethicon | A185H | silk tie suture |
2-0 Vicryl | Ethicon | V323H | absorbable braided suture |
4-0 Monocryl | Ethicon | MCP494G | monofilament |
BearHugger | 3M | BearHugger | heating pad |
cauterizer | |||
Metzenbaum scissors, lancet with #22 blade, DeBakey forceps, needle driver | basic surgical equipment | ||
sterile drapes | |||
Diagnostic devices | |||
Acuson VF10-5 | Siemens Healthcare | sonographic vascular probe | |
Acuson x300 | Siemens Healthcare | ultrasound system | |
ESP C-arm | GE Healthcare | ESP | X-ray fluoro C-arm |
Pacing devices | |||
400 | Medico | CAT400 | bipolar pacing lead |
Effecta DR | Biotronic | 371199 | implantable pacemaker |
ERA 3000 | Biotronic | 128828 | external pacemaker |
ICS 3000 | Biotronic | 349528 | pacemaker programmer |