我们提出了一种长期心脏起搏的微创麻比林模型,可用于临床前研究中的人工起搏和心力衰竭发展。
心脏起搏的动物模型有利于测试新型设备,研究人工起搏心律的病理生理学,以及研究心律失常引起的心肌病和随后的心力衰竭。目前,只有少数这样的模型可用,它们大多需要大量资源。我们报告了一种新的小型哺乳动物实验性心脏起搏模型,该模型有可能研究心律失常引起的心力衰竭。
在全身吸入麻醉下的六只新西兰大白兔(平均体重:3.5公斤)中,解剖颈静脉区域,并通过右颈外静脉 插入 单个起搏导线。使用透视引导,导联线进一步推进到右心室心尖,在那里使用被动固定稳定导联。然后将心脏起搏器连接并埋在皮下口袋中。
起搏器植入成功,愈合良好;兔子的解剖结构有利于铅的放置。在间歇起搏随访 6 个月期间,平均感测心肌电位为 6.3 mV(最小值:2.8 mV,最大值:12 mV),测得的平均导联阻抗为 744 Ω(最小值:370 Ω,最大值:1014 Ω)。起搏阈值最初为0.8 V±0.2 V,并在随访期间保持稳定。
本研究首次在小型哺乳动物模型中成功提出经静脉心脏起搏。尽管尺寸和组织脆弱,但经过调整的人体大小的仪器可以安全地用于慢性心脏起搏,因此,这种创新模型适用于研究心律失常引起的心肌病的发展以及随之而来的心力衰竭病理生理学。
在心力衰竭研究和心脏起搏开发中,临床前测试经常需要转化模型1。此外,新型设备、材料和先导化合物改进在临床使用前需要测试其潜在的并发症。因此,心脏起搏模型具有广泛的应用,包括分析人工起搏的心律及其对心脏功能的病理生理影响2,3。心脏起搏或心动过速诱导的心肌病实验可以利用各种动物大小的模型,在高速起搏的几周内发生心力衰竭1,3,4,5。
以前的研究报告了大型动物模型 – 猪,犬和绵羊 – 在这些应用中的使用2,3,6。然而,这些模型的可用性是有限的,它们需要大量的资源来进行动物手术和处理。相比之下,使用小型哺乳动物可以解决上述问题,因此可以作为最佳和负担得起的研究模型。然而,对小型哺乳动物的心脏起搏研究很少有报道,这可能是由于它们的解剖结构精细、组织脆性以及所需的较高起搏率7,8,9,10,11,12。
只有部分植入起搏导联体与外部起搏器11,12或无线显微起搏装置5,7,8,9的手术模型已用于小型哺乳动物起搏器研究,但据我们所知,迄今为止尚未报告使用完全植入的,人体大小的经静脉起搏器系统。来波林模型中的先前证据表明,在数周内以快速心率起搏会导致心肌抑制11,12。本文提出了第一个实际可行的小型哺乳动物模型,展示了人类大小的起搏器在兔子中的成功植入。所描述的方法旨在提出临床相关的心脏起搏模型,并且可以紧密地转化为心动过速或起搏引起的心肌病的人体研究以及随之而来的心力衰竭病理生理学2,11,12。
尽管存在特定的限制,但小型哺乳动物模型为临床研究提供了优势13。通过既定的方法,心脏起搏模型可以为模拟各种心血管疾病和循环病理状态7,14 提供最佳平台,与大型动物模型或临床试验相比,资源需求显着降低。本文提出了一种创新的、微创的家兔持久心脏起搏模型。通过遵循该协议,在小型哺乳动物模型中使用完全植入的全尺寸人类起搏器系统(包括全长起搏导联线)是可行的。
在植入起搏器时,我们能够将导联线放置在所有动物右心室顶点的稳定最佳位置。侵入性测量的起搏参数在正常范围内,类似于大型动物实验或人类医学中常见的值2,3。右兔心室中测得的平均心肌电位为 6.5 mV ± 1.9 mV,标准植入式起搏器可以清楚地识别。测得的最大起搏阈值为2.5 V,刺激持续时间为0.4 ms,随访期间阻抗保持在正常范围内。总体而言,这些代表最佳起搏参数。
在随访期间,通过询问植入的起搏器非侵入性地验证起搏参数,这些参数总结在 图7、 图9和 表1中。心室感应和导联阻抗在6个月内未显示任何显着变化。尽管所有受试者的平均起搏阈值呈上升趋势,但没有观察到显着变化,从而在整个研究中安全地进行起搏。起搏参数的微小波动可归因于局部炎症反应或纤维化,可以通过使用类固醇洗脱材料来减轻。为了用于长期起搏研究,应经常监测和调整起搏参数。
血液分析未显示植入后第一周的全身炎症或贫血。手术前血小板计数增加的趋势可归因于动物处理和镇静引起的急性应激,因为在随访期间该值保持稳定。起搏器植入的一个令人恐惧的并发症是导线穿透。特别是对于小型哺乳动物组织的脆弱性,当起搏参数突然变化时,应怀疑穿透,并且必须强调应始终小心地将铅操纵到其适当位置。X 射线图像可以确认导线穿透。急性心脏植入式电子设备 (CIED) 相关的细菌感染是另一种潜在的严重并发症,可显著降低死亡率和发病率15。因此,研究新型材料、起搏技术和铅改进以降低感染率并延长起搏系统的耐用性非常重要。所提出的方法为这种重要的实验研究提供了适当的动物模型。
Ryu等人使用手术植入的心房起搏导联线和外部脉冲发生器12诱导进行性心力衰竭的心肌病。同样,Freeman等人得出结论,持续的心室起搏会导致兔子在3-4周内出现心肌抑制11。由于小动物的高原生心率,起搏器必须能够在 300-400 bpm 左右起搏频率,以保持完全起搏的节奏。由于这些较高的起搏频率导致第11,12 周的进行性心力衰竭,因此所提出的来波林模型最适合发展和研究由此产生的心肌病。考虑到它们的大小,这些小型模型非常适合特定应用,例如评估体液或心肌组织变化11,16。超声心动图可进一步用于评估来波林心脏的尺寸和收缩力12,17。相比之下,较大的心力衰竭动物模型具有其他优点,例如可以进行详细的侵入性血流动力学评估,包括冠状动脉循环或压力 – 容量评估2。
用于起搏研究的来波林模型的具体选择基于其多种优势。兔子对手术的耐受性很好,是最小的哺乳动物之一,可以证明接受人类大小的起搏器系统的能力,并且需要比其他大型动物部署更少的资源。一些作者18认为小型哺乳动物的生理学可能无法反映人类的生理学,但我们发现在这些小型哺乳动物中观察到的起搏参数与在人类或大型动物中看到的起搏参数非常相似1,2,3,19,这意味着它们可以很容易地用于转化研究。
在这个小型哺乳动物模型中放置导线和植入起搏器的过程中,我们遇到了与之前大型动物模型中的实验的相似之处,但应指出显着差异。来孢林组织脆弱,血管和心室壁薄。在整个过程中需要轻柔的操作;引线尖端应始终不受探针的支撑,因此具有灵活性。特别是在穿过三尖瓣环并将导线尖端定位到右心室顶点时,必须格外小心地进行操作,并在透视引导下进行,以避免受伤。也可以将吸头放置在其他位置。我们已经用最佳的围手术期参数测试了正确的心耳和心室流出道位置,但导联稳定性可能有限,目前的数据无法支持其他起搏部位。兔的颈外静脉大小合适,以便插入单个起搏导联线。如果打算植入多个导线,则可能建议使用较大的动物。
心肌小梁中的铅固定是被动完成的,导线尖端有硅齿。根据我们的经验,必须避免使用螺旋旋入薄心肌层的主动固定,以防止由于填塞或胸出血引起的组织损伤。尽管兔子右心室的尺寸很小,但一对间隔为 25 mm 的起搏电极允许单极和双极感应和起搏配置(图 10)。这可以为心脏起搏研究提供多功能性。
由于小型哺乳动物18的高原生心率,可以通过植入式起搏器的定制编程来实现连续起搏。或者,可以使用对常见的人类认证的起搏系统进行简单的内部修改的方法来获得高速率起搏频率,如前面详细描述的2,20。使用非侵入性起搏研究功能评估捕获损失,这是一种独特的方法,即使在高原生心率的条件下也可以进行测试。定期测量报告的起搏参数。植入式起搏器能够自动连续地记录心肌电位和导联阻抗的感应,但由于原生心率高,必须手动测量起搏阈值。因此,如果需要连续起搏,建议经常评估以防止捕获丢失。
Gutruf等人此前报道了在小动物模型中使用高度小型化,无线,无电池的起搏器7。与他们的研究相比,这里描述的植入人类大小的起搏器代表了一种不同的方法,为创新的先导测试、与临床研究的密切转化以及普遍可用的材料的广泛应用提供了可能性。Zhou等人介绍了一种微型心脏起搏器的开发,该起搏器旨在经皮植入胎儿心脏以治疗房室传导阻滞。他们报告使用成年兔实验来确认这种装置的可行性9。其他人之前已经报道了兔插管在侵入性手术中的优势。根据我们的经验,使用口鼻面罩保持自主呼吸的方法对于这种短程序有更多好处,因为它最大限度地减少了由气道操纵引起的并发症的风险。此外,压力性肺损伤也可以预防。
尽管研究方案是精心准备的,并且纳入的动物总数是足够的,但必须指出一些局限性。兔子右心室的小尺寸不允许多次放置导联线。虽然我们尝试测试导线尖端在右心室流出道中的位置,但我们对其稳定性的了解有限,预计它相当有限。起搏阻抗趋势在引线放置后的第一周内出现下降。这可能是由于局部炎症和轻度纤维化,但不久之后,铅阻抗恢复,并持续保持稳定趋势。本研究使用了单腔起搏系统。在未来的研究中,还应研究通过单侧颈静脉推进一对起搏导联。虽然这在这项研究中没有经过测试,但我们相信可以在右心房引入并稳定第二个导联。
一般来说,心脏起搏的动物模型在心血管研究中有许多应用。首先,如先前报道的那样,在几周内以非生理性高频起搏会导致心动过速诱发的心肌病,并允许研究慢性心力衰竭的病理生理学和治疗2,3,11,12。此外,对精制材料和技术的研究可以利用所提出的来波林模型,该模型可以建议用于中期起搏研究。据我们所知,这项研究首次证明了这种小型哺乳动物模型对复杂心脏起搏实验的好处21。总之,通过所描述的方法,尽管组织脆弱和解剖结构精细,但人类大小的起搏系统可以成功地植入小型哺乳动物中。经过训练,该技术易于重现,为起搏性心动过速模型提供了基础,在心血管研究中具有广泛的应用。
The authors have nothing to disclose.
作者衷心感谢Maria Kim、Jana Bortelová、Alena Ehrlichová、Matěj Hrachovina、Leoš Tejkl、Jana Míšková和Tereza Vavříková的建议和帮助,感谢他们的灵感、工作和技术支持。这项工作由MH CZ-DRO(NNH,00023884),IG200501资助。
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 |