We presenteren een minimaal invasief leporinemodel van langdurige cardiale pacing dat kan worden gebruikt voor kunstmatige pacing en de ontwikkeling van hartfalen in preklinische studies.
Diermodellen van cardiale pacing zijn gunstig voor het testen van nieuwe apparaten, het bestuderen van de pathofysiologie van kunstmatig getemporeerde hartritmes en het bestuderen van aritmie-geïnduceerde cardiomyopathieën en daaropvolgend hartfalen. Momenteel zijn er slechts een paar van dergelijke modellen beschikbaar en ze vereisen meestal uitgebreide middelen. We rapporteren een nieuw experimenteel cardiale pacingmodel bij kleine zoogdieren met het potentieel om aritmie-geïnduceerd hartfalen te bestuderen.
Bij zes Nieuw-Zeelandse witte konijnen (gemiddeld gewicht: 3,5 kg) werd onder algemene inhalatie-anesthesie het jugulaire gebied ontleed en werd een enkele pacinglood ingebracht via de rechter externe halsader. Met behulp van fluoroscopische geleiding werd het lood verder naar de rechter ventriculaire apex gebracht, waar het werd gestabiliseerd met behulp van passieve fixatie. Een pacemaker werd vervolgens aangesloten en begraven in een onderhuidse zak.
De pacemakerimplantatie was succesvol met een goede genezing; De konijnenanatomie is gunstig voor de loodplaatsing. Gedurende 6 maanden follow-up met intermitterende pacing was de gemiddelde waargenomen myocardiale potentiaal 6,3 mV (min: 2,8 mV, max: 12 mV) en de gemiddelde gemeten loodimpedantie was 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). De pacingdrempel was aanvankelijk 0,8 V ± 0,2 V en bleef stabiel tijdens de follow-up.
Deze huidige studie is de eerste die succesvolle transveneuze cardiale pacing presenteert in een model van kleine zoogdieren. Ondanks de grootte en weefselkwetsbaarheid kan instrumentatie op menselijke grootte met aanpassingen veilig worden gebruikt voor chronische cardiale pacing, en daarom is dit innovatieve model geschikt voor het bestuderen van de ontwikkeling van aritmie-geïnduceerde cardiomyopathie en de daaruit voortvloeiende pathofysiologie van hartfalen.
In onderzoek naar hartfalen en de ontwikkeling van cardiale pacing zijn vaak translationele modellen nodig voor preklinisch onderzoek1. Bovendien moeten nieuwe apparaten, materialen en loodverfijningen worden getest op hun mogelijke complicaties voordat ze klinisch worden gebruikt. Cardiale pacingmodellen hebben dus een breed scala aan toepassingen, waaronder de analyse van kunstmatig getemporeerde hartritmes en de studie van hun pathofysiologische effecten op de hartfunctie 2,3. Cardiale pacing- of tachycardie-geïnduceerde cardiomyopathie-experimenten kunnen modellen van verschillende diergroottes gebruiken, met de ontwikkeling van hartfalen binnen enkele weken van high-rate pacing 1,3,4,5.
Eerdere studies hebben het gebruik van grote diermodellen – varkens, honden en schapen – in dergelijke toepassingen gemeld 2,3,6. De beschikbaarheid van deze modellen is echter beperkt en ze vereisen uitgebreide middelen voor dierchirurgie en -behandeling. Het gebruik van kleine zoogdieren zou daarentegen de bovengenoemde problemen kunnen aanpakken en bijgevolg als een optimaal en betaalbaar onderzoeksmodel kunnen dienen. Cardiale pacingstudies op kleine zoogdieren zijn echter zelden gemeld, en dit kan te wijten zijn aan hun delicate anatomie, weefselkwetsbaarheid en de hogere pacingsnelheid die 7,8,9,10,11,12 vereist.
Alleen chirurgische modellen van gedeeltelijk geïmplanteerde pacing-leads met externe pacemakers11,12 of draadloze microscopische pacing-apparaten 5,7,8,9 zijn gebruikt in pacemakerstudies met kleine zoogdieren, maar voor zover wij weten, is het gebruik van volledig geïmplanteerde, mensgrote, transveneuze pacemakersystemen tot op heden niet gemeld. Eerder bewijs in leporinemodellen toont aan dat pacing bij snelle hartslagen gedurende weken leidt tot myocardiale depressie11,12. Dit artikel presenteert het eerste praktisch levensvatbare model voor kleine zoogdieren, dat de succesvolle implantatie van een pacemaker op mensenmaat bij konijnen aantoont. De beschreven methodologie heeft tot doel een klinisch relevant model van cardiale pacing te presenteren en kan nauw worden vertaald naar menselijke studies van tachycardie- of pacing-geïnduceerde cardiomyopathie en de daaruit voortvloeiende pathofysiologie van hartfalen 2,11,12.
Ondanks hun specifieke beperkingen bieden kleine zoogdiermodellen voordelen voor klinisch onderzoek13. Met een gevestigde methodologie kunnen cardiale pacingmodellen een optimaal platform bieden voor de simulatie van een breed scala aan hart- en vaatziekten en pathologische toestandenvan de bloedsomloop 7,14 met aanzienlijk lagere middelenvereisten in vergelijking met grote diermodellen of klinische onderzoeken. Dit artikel presenteert een innovatief, minimaal invasief model van langdurige cardiale pacing bij konijnen. Door dit protocol te volgen, is het mogelijk om een volledig geïmplanteerd, full-size menselijk pacemakersysteem te gebruiken, inclusief een full-length pacing lead, in een model van kleine zoogdieren.
Op het moment van de implantatie van de pacemaker konden we het lood bij alle dieren op een stabiele, optimale locatie in de top van de rechterkamer plaatsen. De invasief gemeten pacingparameters lagen binnen normale bereiken, vergelijkbaar met de waarden die gebruikelijk zijn in grote dierproeven of menselijke geneeskunde 2,3. De gemeten gemiddelde myocardiale potentiaal van 6,5 mV ± 1,9 mV in de rechter konijnenkamer wordt duidelijk herkend door een standaard implanteerbare pacemaker. De maximaal gemeten pacingdrempel was 2,5 V, met een stimulusduur van 0,4 ms, en de impedantie bleef binnen het normale bereik tijdens de follow-up. Over het algemeen vertegenwoordigen deze optimale pacingparameters.
Tijdens de follow-up werden de pacingparameters niet-invasief geverifieerd door de geïmplanteerde pacemaker te ondervragen, en deze parameters zijn samengevat in figuur 7, figuur 9 en tabel 1. De ventriculaire detectie en loodimpedantie vertoonden geen significante veranderingen gedurende 6 maanden. Ondanks een stijgende trend in de pacingdrempel gemiddeld over alle proefpersonen, werden er geen significante veranderingen waargenomen, waardoor pacing veilig kon worden uitgevoerd gedurende het hele onderzoek. De kleine fluctuatie in de pacingparameters kan worden toegeschreven aan lokale ontstekingsreacties of fibrose en kan worden verzacht door steroïde-eluterende materialen te gebruiken. Voor gebruik in langetermijnpacingstudies moeten de pacingparameters regelmatig worden gecontroleerd en aangepast.
De bloedanalyse suggereerde geen systemische ontsteking of bloedarmoede tijdens de eerste week na implantatie. De trend van verhoogde aantallen bloedplaatjes vóór de procedure kan worden toegeschreven aan de acute stress veroorzaakt door het hanteren en sedatie van dieren, aangezien de waarden stabiel bleven tijdens de follow-up. Een gevreesde complicatie van pacemakerimplantatie is loodpenetratie. Vooral met de kwetsbaarheid van weefsels van kleine zoogdieren, moet penetratie worden vermoed wanneer de pacingparameters abrupt veranderen, en er moet worden benadrukt dat het lood altijd zorgvuldig in de juiste positie moet worden gemanipuleerd. Een röntgenfoto kan de penetratie van lood bevestigen. Een acuut cardiaal implanteerbaar elektronisch apparaat (CIED)-geassocieerde bacteriële infectie is een andere potentieel ernstige complicatie die aanzienlijk bijdraagt aan sterfte- en morbiditeitscijfers15. Daarom is het uiterst belangrijk om nieuwe materialen, pacingtechnieken en loodverfijningen te bestuderen om de infectiepercentages te verminderen en de duurzaamheid van de pacingsystemen te verlengen. De gepresenteerde methodologie biedt een geschikt diermodel voor dergelijk vitaal experimenteel onderzoek.
Ryu et al. geïnduceerden cardiomyopathie met progressief hartfalen met behulp van chirurgisch geïmplanteerde atriale pacing-kabels en een externe pulsgenerator12. Evenzo concludeerden Freeman et al. dat aanhoudende ventriculaire pacing leidt tot myocardiale depressie bij konijnen gedurende 3-4 weken11. Vanwege de hoge inheemse hartslag van kleine dieren, moet de pacemaker in staat zijn om frequenties rond 300-400 bpm te pacen om een volledig temporitme te behouden. Aangezien deze hogere pacingfrequenties leiden tot progressief hartfalen gedurende week11,12, is het gepresenteerde leporinemodel optimaal voor de ontwikkeling en het onderzoek van de resulterende cardiomyopathie. Gezien hun grootte zijn deze kleine modellen ideaal voor specifieke toepassingen zoals de evaluatie van humorale of myocardiale weefselveranderingen11,16. Echocardiografie kan verder worden gebruikt om de afmetingen en contractiliteit van het leporinehart te evalueren12,17. Ter vergelijking: grotere diermodellen van hartfalen hebben andere voordelen, zoals de mogelijkheid voor gedetailleerde invasieve hemodynamische evaluatie, inclusief coronaire circulatie of drukvolumebeoordelingen2.
De specifieke selectie van het leporinemodel voor pacingstudies was gebaseerd op de vele voordelen. Konijnen verdragen de procedure goed, zijn een van de kleinste zoogdieren om de capaciteit voor het ontvangen van een pacemakersysteem op mensenmaat aan te tonen en vereisen de inzet van minder middelen dan andere grotere dieren. Sommige auteurs18 geloven dat de fysiologie van kleine zoogdieren mogelijk niet die van mensen weerspiegelt, maar we ontdekten dat de pacingparameters die bij deze kleine zoogdieren worden waargenomen, vrij gelijkaardig zijn aan die bij mensen of grote dieren 1,2,3,19, wat betekent dat ze gemakkelijk kunnen worden gebruikt voor translationeel onderzoek.
Tijdens loodplaatsing en pacemakerimplantatie in dit model van kleine zoogdieren kwamen we overeenkomsten tegen met eerdere experimenten in grote diermodellen, maar de significante verschillen moeten worden opgemerkt. Leporine weefsels zijn kwetsbaar en de vaat- en ventriculaire wanden zijn dun. Zachte manipulatie is noodzakelijk tijdens de hele procedure; De loodpunt moet altijd niet worden ondersteund door de stylet en dus flexibel zijn. Vooral bij het passeren van de tricuspidalis-annulus en het positioneren van de loodpunt naar de top van de rechterventrikel, moet manipulatie met uiterste zorg en onder fluoroscopische begeleiding worden uitgevoerd om letsel te voorkomen. Het plaatsen van de tip op andere locaties moet ook mogelijk zijn. We hebben de juiste posities van het atriale aanhangsel en ventriculaire uitstroomkanaal getest met optimale periprocedurale parameters, maar de loodstabiliteit kan beperkt zijn en de huidige gegevens kunnen geen alternatieve pacing-sites ondersteunen. De externe halsader van het konijn heeft de juiste grootte voor het inbrengen van een enkele pacing-lead. Als de implantatie van meerdere leads is bedoeld, kan het gebruik van een groter dier worden geadviseerd.
De loodfixatie in de myocardiale trabeculatie werd passief bereikt met siliciumtanden aan de loodpunt. Op basis van onze ervaring moet het gebruik van actieve fixatie door een helix die in de dunne myocardiale laag is geschroefd, worden vermeden om weefselbeschadiging als gevolg van tamponade of borstbloedingen te voorkomen. Ondanks de kleine omvang van de rechterkamer van het konijn, maakte het paar pacing-elektroden met een afstand van 25 mm zowel unipolaire als bipolaire detectie- en pacingconfiguraties mogelijk (figuur 10). Dit kan veelzijdigheid bieden voor cardiale pacingstudies.
Vanwege de hoge inheemse hartslag van kleine zoogdieren18, kan continue pacing worden bereikt door aangepaste programmering van de implanteerbare pacemaker. Als alternatief kan de methode van eenvoudige interne modificatie van een gemeenschappelijk door mensen gecertificeerd pacingsysteem worden gebruikt om hoge pacingfrequenties te verkrijgen, zoals eerder in detail beschreven 2,20. Het verlies van vangst werd beoordeeld met behulp van de niet-invasieve pacing-studiefunctie, een unieke benadering die testen mogelijk maakt, zelfs in de toestand van een hoge native hartslag. De gerapporteerde pacingparameters werden regelmatig gemeten. De geïmplanteerde pacemaker was in staat om de detectie van myocardiale potentialen en leadimpedantie automatisch en continu te registreren, maar de pacingdrempel moest handmatig worden gemeten vanwege de hoge native hartslag. Daarom, als continue pacing vereist is, worden frequente beoordelingen aanbevolen om verlies van vangst te voorkomen.
Gutruf et al. rapporteerden eerder het gebruik van sterk geminiaturiseerde, draadloze, batterijvrije pacemakers in kleine diermodellen7. In vergelijking met hun studies vertegenwoordigt de implantatie van een hier beschreven pacemaker op mensenmaat een andere benadering die de mogelijkheid biedt voor innovatieve loodtesten, nauwe vertaling naar klinisch onderzoek en bredere toepassingen met algemeen beschikbare materialen. Zhou et al. presenteerden de ontwikkeling van een miniatuur pacemaker die is ontworpen om percutaan in het foetale hart te worden geïmplanteerd om atrioventriculaire blokkades te behandelen. Ze rapporteerden het gebruik van experimenten met volwassen konijnen om de haalbaarheid van een dergelijk apparaat te bevestigen9. Anderen hebben eerder de voordelen van konijnenintubatie voor invasieve procedures gemeld. Op basis van onze ervaring heeft de aanpak van het handhaven van spontane ademhaling met een oro-neusmasker meer voordelen voor dergelijke korte procedures, omdat het het risico op complicaties veroorzaakt door manipulatie van de luchtwegen minimaliseert. Bovendien kunnen ook decubituslongletsels worden voorkomen.
Hoewel het onderzoeksprotocol zorgvuldig is opgesteld en het totale aantal opgenomen dieren toereikend was, moeten verschillende beperkingen worden aangegeven. De kleine omvang van de rechterkamer van het konijn liet niet toe om meerdere loodplaatsingen te plaatsen. Hoewel we hebben geprobeerd de positionering van de loodpunt in het rechterventrikeluitstroomkanaal te testen, hebben we beperkte kennis over de stabiliteit ervan en verwachten we dat deze vrij beperkt zal zijn. De pacing impedantie trend liet een daling zien binnen de eerste week na de leadplaatsing. Dit kan te wijten zijn aan lokale ontsteking en milde fibrose, maar kort daarna werd de loodimpedantie hersteld en werd een trend van stabiliteit voortdurend gehandhaafd. In deze studie werd een pacingsysteem met één kamer gebruikt. In toekomstige studies moet ook het bevorderen van een paar pacing-leads door de unilaterale halsader worden onderzocht. Hoewel dit in deze studie niet is getest, geloven we dat een tweede lood kan worden geïntroduceerd en gestabiliseerd in het rechter atrium.
Over het algemeen hebben diermodellen van cardiale pacing tal van toepassingen in cardiovasculair onderzoek. Ten eerste leidt pacing bij niet-fysiologische hoge frequenties gedurende enkele weken tot tachycardie-geïnduceerde cardiomyopathie, zoals eerder gemeld, en maakt het de studie van de pathofysiologie en behandeling van chronisch hartfalenmogelijk 2,3,11,12. Verder kan onderzoek naar verfijnde materialen en technologieën gebruik maken van het gepresenteerde leporinemodel, dat kan worden voorgesteld voor pacingstudies op middellange termijn. Voor zover wij weten, is deze studie de eerste die de voordelen van zo’n klein zoogdiermodel voor complexe cardiale pacing-experimenten aantoont21. Kortom, met de beschreven methodologie kan een pacingsysteem op mensenmaat met succes worden geïmplanteerd in kleine zoogdieren, ondanks de kwetsbaarheid van het weefsel en de delicate anatomie. Na de training is deze techniek gemakkelijk reproduceerbaar en biedt het een basis voor modellen van tempotachycardie met brede toepassingen in cardiovasculair onderzoek.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen het advies en de hulp van Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková en Tereza Vavříková dankbaar bedanken voor hun inspiratie, werk en technische ondersteuning. Dit werk werd gefinancierd door MH CZ-DRO (NNH, 00023884), IG200501 subsidie.
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 |