Summary
Vi presenterar en minimalinvasiv leporinmodell av långsiktig hjärtstimulering som kan användas för artificiell stimulering och hjärtsviktsutveckling i prekliniska studier.
Abstract
Djurmodeller av hjärtstimulering är fördelaktiga för att testa nya enheter, studera patofysiologin för artificiellt tempo hjärtrytmer och studera arytmiinducerade kardiomyopatier och efterföljande hjärtsvikt. För närvarande finns endast ett fåtal sådana modeller tillgängliga, och de kräver oftast omfattande resurser. Vi rapporterar en ny experimentell hjärtstimuleringsmodell hos små däggdjur med potential att studera arytmiinducerad hjärtsvikt.
Hos sex nyzeeländska vita kaniner (medelvikt: 3,5 kg) under generell inhalationsanestesi dissekerades halsregionen och en enda pacingledning infördes via den högra yttre halsvenen. Med hjälp av fluoroskopisk vägledning avancerade ledningen ytterligare till höger ventrikulär topp, där den stabiliserades med passiv fixering. En pacemaker kopplades sedan in och begravdes i en subkutan ficka.
Pacemakerimplantationen lyckades med god läkning; Kaninanatomin är gynnsam för blyplaceringen. Under 6 månaders uppföljning med intermittent stimulering var den genomsnittliga avkända myokardpotentialen 6,3 mV (min: 2,8 mV, max: 12 mV) och den genomsnittliga uppmätta blyimpedansen var 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). Stimuleringströskeln var initialt 0,8 V ± 0,2 V och förblev stabil under uppföljningen.
Denna aktuella studie är den första som presenterar framgångsrik transvenös hjärtstimulering i en liten däggdjursmodell. Trots storleken och vävnadens bräcklighet kan instrument i mänsklig storlek med justeringar säkert användas för kronisk hjärtstimulering, och därför är denna innovativa modell lämplig för att studera utvecklingen av arytmiinducerad kardiomyopati och därmed hjärtsviktspatofysiologi.
Introduction
Inom hjärtsviktsforskning och utveckling av hjärtstimulering krävs ofta translationella modeller för preklinisk testning1. Dessutom måste nya produkter, material och blyförfiningar testas för sina potentiella komplikationer innan de används kliniskt. Således har hjärtstimuleringsmodeller ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive analys av artificiellt tempo hjärtrytmer och studier av deras patofysiologiska effekter på hjärtfunktion 2,3. Hjärtstimulerings- eller takykardiinducerad kardiomyopati experiment kan använda modeller av olika djurstorlekar, med utveckling av hjärtsvikt inom veckor efter hög takt 1,3,4,5.
Tidigare studier har rapporterat användningen av stora djurmodeller - svin, hund och får - i sådana applikationer 2,3,6. Tillgången på dessa modeller är dock begränsad och de kräver omfattande resurser för djurkirurgi och hantering. Däremot skulle användningen av små däggdjur kunna lösa ovannämnda problem och följaktligen fungera som en optimal och överkomlig forskningsmodell. Hjärtstimuleringsstudier på små däggdjur har dock sällan rapporterats, och detta kan bero på deras känsliga anatomi, vävnadsbräcklighet och den högre takthastigheten som krävs 7,8,9,10,11,12.
Endast kirurgiska modeller av delvis implanterade pacemakerledningar med externa pacemakers11,12 eller trådlösa mikroskopiska pacemakeranordningar 5,7,8,9 har använts i pacemakerstudier för små däggdjur, men såvitt vi vet har användningen av helt implanterade, mänskliga storlekar, transvenösa pacemakersystem hittills inte rapporterats. Tidigare bevis i leporinmodeller visar att pacing vid snabb hjärtfrekvens över veckor leder till myokarddepression11,12. Detta dokument presenterar den första praktiskt genomförbara smådäggdjursmodellen, som visar framgångsrik implantation av en pacemaker i mänsklig storlek hos kaniner. Den beskrivna metodiken syftar till att presentera en kliniskt relevant modell av hjärtstimulering och kan nära översättas till humanstudier av takykardi- eller pacinginducerad kardiomyopati och den därav följande hjärtsviktspatofysiologin 2,11,12.
Protocol
Detta experimentella protokoll granskades och godkändes av den institutionella djurexpertkommittén vid den första medicinska fakulteten, Karlsuniversitetet, och utfördes vid universitetets experimentella laboratorium, fysiologiska institutionen, första medicinska fakulteten, Karlsuniversitetet i Prag, Tjeckien, i enlighet med lag nr 246/1992 Coll. om skydd av djur mot grymhet. Alla djuren behandlades och vårdades i enlighet med Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 8: e upplagan, publicerad av National Academies Press, 2011. Alla procedurer utfördes enligt vanliga veterinärkonventioner i närvaro och under ledning av en licensierad veterinär. Sex Nya Zeeland vita kaniner ingick i denna serie experiment. Deras genomsnittliga kroppsvikt var 3,5 kg ± 1 kg på dagen för pacemakerimplantation. Alla värden uttrycks som medelvärde ± SEM och, i tillämpliga fall, med intervall av lägsta och högsta uppmätta värden. Ett P-värde < 0,05 ansågs signifikant. För framgångsrik mastering av tekniken krävs grundläggande färdigheter i djurbedövning och kirurgi; Tidigare erfarenhet av hjärtstimulering rekommenderas men krävs inte.
1. Preoperativ vård
- Låt kaninerna acklimatisera sig till sin anläggning i minst 2 veckor och bli bekväma med mänsklig beröring och manipulation för att underlätta hantering och hantering av djuren på operationsdagen.
- Foder djuren hö och höbaserad pelleterad kanindiet. Ge färskt vatten med jämna mellanrum.
- Utför en kort daglig kontroll av deras vitala (kroppstemperatur, andningsfrekvens) och övergripande tillstånd, inklusive optimalt kostintag och frånvaro av nöd.
2. Anestesi, premedicinering och övervakning
- Efter 30 minuters fasta, administrera premedicinering: buprenorfin (0,01-0,04 mg/kg IM), midazolam (0,3-0,6 mg/kg IM), medetomidin (0,03-0,06 mg/kg IM) och ketamin (5-10 mg/kg IM).
- Sätt in en kanyl i den marginella öronvenen för intravenös läkemedelsapplikation. Samla blodprover med hjälp av lågvolymrör (0,5 ml) för hematologiska och biokemiska analyser.
- Raka kaninens hud med en rakapparat i rätt halsområde på nacken - operationsområdet - och på benen för att fästa elektroderna för EKG-övervakning. Raka med försiktighet, eftersom huden på kaniner lätt är mottaglig för irritation och små tårar ses ofta.
- Placera djuret på en värmepanna för att förhindra hypotermi.
- Övervaka vitala funktioner, inklusive EKG, rektal kroppstemperatur och syremättnad med en pulsoximeter, enligt anestesiprotokollet.
- Placera en mask över djurets mun och näsa och säkra den med en gummitätning runt djurets ansikte. Använd salva för att skydda djurets ögon mot torrhet.
- För att uppnå adekvat sedering, förse djuren med isofluran (blandat med syre) via ansiktsmasken. Börja med en koncentration på 3,5% och minska efter behov enligt djurets svar när det gäller en undertryckt hornhinnereflex och motorisk smärtrespons.
OBS: För att minska risken för lungskada under anestesin rekommenderas spontan ventilation, men en neonatal manuell eller automatisk ventilator måste hållas redo vid hypoventilation. - Förbered all steril instrumentering.
- Placera djuret på ett fluoroskopibord. Använd full röntgenskyddsutrustning.
3. Ventrikulär blyimplantation
- Leta reda på den yttre halsvenen och markera dess position på huden.
- Sterilisera hela regionen med povidonjod och fortsätt att täcka operationsstället med ett sterilt draperi med ett hål över det markerade halsområdet.
- Gör ett snitt på huden parallellt över den markerade halsvenen. Lokalisera den yttre halsvenen och isolera en längd av 1 cm från den intilliggande fibrösa vävnaden och kärlbunten. Hitta halspulsådern för orientering och för att förhindra skada.
- Skapa en ficka i den subkutana vävnaden för att rymma pacemakern. Använd sax för trubbig dissektion för att förhindra överdriven blödning och vävnadsskada.
- Säkra kärlet med ett gummiband i båda ändarna av det isolerade kärlsegmentet och täpp till blodflödet (figur 1).
- Använd standardnedskärningstekniken och gör ett snitt på ungefär 1/3 av kärlväggens omkrets med ett blad.
- Använd en kärlplock för att öppna snittet i stor utsträckning och införa en enda passiv stimuleringskabel i lumen.
- Under fluoroskopisk vägledning, fortsätt vidare spetsen till toppen av höger kammare (figur 2). Förforma en stylet i en kurva och använd den för att styra ledningen för att passera tricuspid annulus. Se till att spetsen på ledningen inte stöds av styletten så att ledningen förblir flexibel och atraumatisk vid beröring av vävnaden.
- Testa stimuleringsparametrarna. Den ventrikulära blyavkänningssignalen och impedansen måste vara stabil och stimuleringströskeln ska vara låg. Det bör inte finnas någon fascikulering av de intilliggande musklerna (figur 3).
- Säkra ledningspositionen genom att sy den över en skyddande gummihylsa till den underliggande fibrösa vävnaden och försegla kärllumen runt ledningen med ett sidenband (figur 4).
4. Implantation av pacemaker
- Anslut pacemakern till pacelinan och säkra IS-1-kontakten med en skruv. Om funktionen för icke-invasiv stimuleringsstudie (se steg 6) kommer att användas under uppföljningen, anslut pacemakern till förmakskanalens uttag.
- Begrav pacemakern och den extra längden på ledningen i den förformade subkutana fickan (figur 5).
- Spola fickan med povidon-jod. Suturera hudsåret med en monofilamenttråd.
- Ställ in önskat stimuleringsprogram och utför en slutlig kontroll av stimuleringsparametrarna (figur 3).
5. Postoperativ vård
- Dra tillbaka anestetika och observera djuret noggrant tills det återfår tillräckligt medvetande.
- Administrera atipamezol (0,01-0,03 mg/kg IM) för att återställa effekten av medetomidin.
- Efter att medvetandet har återställts och optimal kroppstemperatur uppnåtts, administrera meloxikam (0,4-0,6 mg/kg) subkutant för smärtlindring. Tillsätt buprenorfin efter 6-8 timmar om smärtlindringen inte är tillräcklig enligt en giltig smärtbedömningsskala (t.ex. kaningrimasskala).
- Administrera metoklopramid (0,5-1 mg / kg IV) för att förhindra ytterligare gastrointestinal stasis och för att stimulera gastrisk motilitet och fortsätt 3x per dag tills adekvat matintag och avföringsproduktion återställs.
- Följ en bredspektrum intravenös antibiotikabehandling tills såren har läkt (enrofloxacin vid 10-20 mg / kg 2x per dag i 3-7 dagar).
- Överför djuret till en bekväm och bekant miljö och observera det tills det återfår tillräckligt med medvetande. Återvänd inte kaninen till andra djur tills den har återhämtat sig helt.
- Upprätthåll administrering av meloxikam (0,4-0,6 mg/kg SC) dagligen i minst 5 dagar.
- Övervaka och klä såren regelbundet för att säkerställa säker och snabb läkning.
- När den är helt läkt, cirka 14 dagar efter proceduren, ta bort de icke-absorberbara hudsuturerna.
- Utför fjärrförhör och kontrollera pacingparametrarna regelbundet (dvs. pacing tröskel, myokardiell avkänning och blyimpedans).
OBS: De erhållna värdena bör följa en stabil trend.
6. Pacing-protokoll och datainsamling
- Fråga pacemakern och ställ in läget för säkerhetskopieringstempo genom att välja minimal bashastighet i menyn Parametrar.
OBS: På grund av den höga hjärtfrekvensen och dess höga variabilitet som är infödd hos små djur kan kontinuerlig artificiell stimulering uppnås med en hastighet av 300-400 slag per minut, enligt de angivna kraven. Intermittent stimulering kan uppnås under varje pacemakerförhör (följ steg 6.4 och figur 6). - Spela in pacing-blyimpedansen kontinuerligt; i menyn Diagnostik för pacemakerprogrammerare, starta datainsamling.
- Spela in myokardpotentialen kontinuerligt och kontrollera den manuellt varje vecka genom förhör av pacemakern; i pacemakerprogrammerarens testmeny under fliken Avkänning , mät de unipolära och bipolära myokardpotentialamplituderna.
- Bedöm tempotröskeln regelbundet (varje vecka) genom förhör. Använd funktionen icke-invasiv stimuleringsstudie (välj NIPS under Test-menyn) för att mäta stimuleringströskeln med tillräcklig stimuleringshastighet (figur 6). Bedöm stimuleringströskeln för olika stimulansvaraktigheter (från 0,1 ms till 1,5 ms) och uttrycka den i volt. Använd de intrakardiella elektrogrammen eller yt-EKG för bestämning av infångningsförlusten när stimuleringsstimulansutgången blir subtröskel.
- Utför alla procedurer enligt vanliga veterinärkonventioner, offra djuret enligt de institutionella bestämmelserna vid slutförandet av varje studie och utför en obduktion. Explanta pacemakern och led och undersök dem för inflammatoriska svar, biofilmbildning och fibros.
OBS: En kaliumöverdos gavs under djupbedövning för att avliva djuren i detta protokoll.
Representative Results
Totalt ingick sex djur i studien. Hos alla djuren implanterades stimuleringsledningen framgångsrikt via den yttre halsvenen i höger ventrikulär topp (kompletterande figur S1). Positionen verifierades med fluoroskopi, och ledningen sys till de intilliggande vävnaderna över en gummihylsa. Enligt röntgenavbildningen behöll ledningen sin position under hela pacingprotokollperioden. Den bifogade pacemakern var påtaglig i den laterala nackregionen, vilket inte orsakade några uppenbara problem för djuret. Alla sår läkte helt och utan lokala komplikationer.
Blyspetsen var utrustad med två titan-platinaelektroder - en distal halvsfärisk ring och en proximal cylindrisk ringelektrod - med ett interelektrodavstånd på 25 mm (figur 2). Ledningarna fördes fritt in i spetsen och fästes passivt där av sina kiselfixeringspinnar. Detta möjliggjorde unipolär stimulering från spetselektroden och för bipolär stimulering mellan båda elektroderna belägna i höger kammare.
En representativ ventrikulär myokardpotentialavkänningssignal visas i figur 3 och de uppmätta stimuleringsparametrarna anges i detalj i tabell 1 och figur 7. Vid tidpunkten för proceduren var den genomsnittliga avkända myokardpotentialen 5,6 V ± 0,8 mV (min: 2,8 mV, max: 8 mV), blyimpedansen var 675 Ω ± 74 Ω (min: 468 Ω, max: 951 Ω) och pacingtröskeln var 0,8 V ± 0,26 V (min: 0,2 V, max: 2,2 V), med stimulansdurationen inställd på standard 0,4 ms.
Efter uppföljning på 3 månader och 6 månader med intermittent stimulering var den genomsnittliga avkända myokardpotentialen 7,4 mV ± 1,2 mV (min: 4,0 mV, max: 12,0 mV) respektive 6,3 mV ± 1,0 mV (min: 4,2 mV, max: 10,3 mV). Den genomsnittliga uppmätta blyimpedansen var 869 Ω ± 32 Ω (min: 760 Ω, max: 975 Ω) respektive 725 Ω ± 96 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω), och pacingtröskeln ändrades till 1,2 V ± 0,3 V (min: 0,2 V, max: 2,2 V) och till 1,4 V ± 0,3 V (min: 0,5 V, max: 2,3 V), respektive. Alla parameterförändringar var inte statistiskt signifikanta under denna period (P > 0,05), och de bipolära och unipolära parametrarna följde jämförbara trender (figur 7 och tabell 1).
Ett fall avslutades tidigt på grund av partiell blypenetration, som uppvisade ett plötsligt impedansfall som observerades den andra dagen efter implantationen. Senare, under den andra uppföljningsmånaden, noterades en gradvis tröskelökning, och pacing på hög produktion orsakade muskulär fascikulering. Djuret förblev asymptomatiskt, men under obduktion befanns spetsen av pacingledningen ha trängt igenom myokardiell underlägsen vägg in i perikardiet med en längd av cirka 3 mm. Ingen blödning och inga tecken på infektion observerades.
Före proceduren, dag 1 efter proceduren och dag 7 efter proceduren, var medelvärdet av antalet vita blodkroppar 5,9 × 10 9/l, 7,37 × 10 9/l respektive 7,42 × 10 9/l, de genomsnittliga hemoglobinnivåerna var 105 g/l, 113 g/l respektive 110 g/l, och det genomsnittliga trombocytantalet var 317 × 10 9/l, 274 × 109/L respektive 219 × 109/L. Laboratorievärdena visade inga signifikanta förändringar under den första veckan efter ingreppet (P > 0,05 för alla). Under mikroskopisk utvärdering täcktes pacingblykiselytan av fibrös vävnad (med en ungefärlig tjocklek på 100 μm), men inga celler hittades (figur 8).
Figur 1: Kirurgisk halsvensdissektion. Efter att huden har skurits bildas en subkutan ficka och halsvenen exponeras, ligeras distalt och stöds av ett blått gummiband proximalt. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Fluoroskopi under implantation av pacemakerbly. En pacing-ledning introduceras via den yttre halsvenen, och med hjälp av en förformad stylet avancerade ledningen till höger ventrikulär topp, där den säkras genom passiv fixering av dess kiselpinnar. En bifogad pacemaker är begravd i en subkutan ficka i nackregionen. Pilen pekar på den distala halvsfäriska ringen (grön) och de proximala cylindriska ringelektroderna (röda). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Representativa mätningar av avkända ventrikulära myokardpotentialer. Ventrikulär avkänning och dess amplitudmätningar visas under den akuta fasen efter stimulering av ledningspositionering (vänster) och efter pacemakerimplantation (höger). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Säkra taktledningen. Att fixera ledningen med två icke-absorberbara suturer över en gummihylsa (pil) till den underliggande vävnaden säkrar den på plats och förhindrar dess förskjutning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Pacemakerns placering. Pacemakern är begravd i den subkutana fickan och spolas med povidonjod. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Mätning av pacingtröskel. Med hjälp av pacemakerns icke-invasiva pacingstudiefunktion utförs pacing vid högre än den ursprungliga hjärtfrekvensen. Stimuleringsstimuli markeras med P. Stimuleringströskeln utvärderas med varierande stimulansresultat. (A) Ett representativt exempel på endokardpotentialen för ventrikulär infångning visas för en utgång på 0,8 V vid 0,4 ms, (B) men en förlust av infångning ses med utgången reducerad till 0,6 V vid 0,4 ms. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Uppföljning av parametrarna för leporinstimuleringsmodellen. Trenderna för (A) pacingtröskeln, (B) pacingimpedansen och (C) myokardavkänningen för alla ämnen plottas. De genomsnittliga unipolära (hela linjen) och bipolära värdena (prickad linje) visas i fetstil. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Explanterad pacing blyprov. Ventrikulär del av den explanterade pacingledningen. (A) Den makroskopiska bilden och (B) mikroskopiska bilden färgad med toluidinblått avslöjar kiselytan täckt av ett lager av fibrös vävnad. Skalstreck = (A )1 cm, (B) 10 μm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 9: Ventrikulär avkänning och blyimpedanstrender. Ett representativt exempel på (A) kontinuerlig och stabil ventrikulär myokardavkänning och (B) ventrikulär blyimpedanstrender under en uppföljning av 236 dagar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 10: Ventrikulära endomyokardiella elektrogram. Pacemakerförhöret kände av ventrikulära potentialer avbildas med (A) unipolära och (B) bipolära anslutningar. T-vågpotentialen är mer distinkt med den unipolära anslutningen men orsakar inte överavkänning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Unipolär | periprocedur | uppföljning | |||||||
| 3 månader | 6 månader | ||||||||
| Känd myokardpotential [mV] | 5.6 ± 0.8 | 7.4 ± 1.2 | 6.3 ± 1.0 | ||||||
| Tröskelvärde för tempo [V vid 0,4 ms] | 0,8 ± 0,3 | 1.2 ± 0.3 | 1.4 ± 0.3 | ||||||
| Blyimpedans [Ω] | 675 ± 74 | 869 ± 32 | 725 ± 96 | ||||||
Tabell 1: Uppföljning av parametrarna för leporinstimuleringsmodellen. Värdena för den avkända myokardpotentialen, stimuleringströskeln och blyimpedansen uttrycks som medelvärde ± SEM under 3 månader och 6 månaders uppföljning.
Kompletterande figur S1: Schematisk bild av det implanterade transvenösa stimuleringssystemet i mänsklig storlek i en kanin. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Trots sina specifika begränsningar erbjuder små däggdjursmodeller fördelar för klinisk forskning13. Med en etablerad metodik kan hjärtstimuleringsmodeller ge en optimal plattform för simulering av ett brett spektrum av hjärt-kärlsjukdomar och cirkulationspatologiska tillstånd 7,14 med signifikant lägre resursbehov jämfört med stora djurmodeller eller kliniska prövningar. Denna artikel presenterar en innovativ, minimalt invasiv modell av långvarig hjärtstimulering hos kaniner. Genom att följa detta protokoll är det möjligt att använda ett helt implanterat, fullstort humant pacemakersystem, inklusive en stimuleringsledning i full längd, i en liten däggdjursmodell.
Vid tidpunkten för pacemakerimplantation kunde vi placera ledningen på en stabil, optimal plats i toppen av höger kammare i alla djur. De invasivt uppmätta pacingparametrarna låg inom normala intervall, liknande de värden som är vanliga i stora djurförsök eller humanmedicin 2,3. Den uppmätta genomsnittliga myokardpotentialen på 6,5 mV ± 1,9 mV i höger kaninkammare känns tydligt igen av en standard implanterbar pacemaker. Den maximala uppmätta pacingtröskeln var 2,5 V, med en stimulusvaraktighet på 0,4 ms, och impedansen förblev inom normala intervall under uppföljningen. Sammantaget representerar dessa optimala pacingparametrar.
Under uppföljningen verifierades stimuleringsparametrarna icke-invasivt genom att fråga den implanterade pacemakern, och dessa parametrar sammanfattas i figur 7, figur 9 och tabell 1. Ventrikulär avkänning och blyimpedans visade inga signifikanta förändringar under 6 månader. Trots en ökande trend i pacingtröskeln i genomsnitt för alla försökspersoner observerades inga signifikanta förändringar, vilket gjorde att pacing kunde genomföras säkert under hela studien. Den lilla fluktuationen i pacingparametrarna kan hänföras till lokala inflammatoriska svar eller fibros och kan mildras genom att använda steroideluerande material. För användning i långsiktiga stimuleringsstudier bör stimuleringsparametrarna övervakas och justeras ofta.
Blodanalysen tydde inte på systemisk inflammation eller anemi under den första veckan efter implantation. Trenden med ökat antal trombocyter före ingreppet kan hänföras till den akuta stress som orsakas av djurhantering och sedering, eftersom värdena förblev stabila under uppföljningen. En fruktad komplikation av pacemakerimplantation är blypenetration. Speciellt med bräckligheten hos vävnader från små däggdjur bör penetration misstänkas när pacingparametrarna ändras plötsligt, och det måste betonas att ledningen alltid ska manipuleras försiktigt till sin rätta position. En röntgenbild kan bekräfta blypenetration. En akut hjärtimplanterbar elektronisk enhet (CIED)-associerad bakteriell infektion är en annan potentiellt allvarlig komplikation som bidrar avsevärt till dödlighet och sjuklighet15. Därför är det oerhört viktigt att studera nya material, stimuleringstekniker och blyförfiningar för att minska infektionshastigheterna och förlänga hållbarheten hos stimuleringssystemen. Den presenterade metoden ger en lämplig djurmodell för sådan viktig experimentell forskning.
Ryu et al. inducerad kardiomyopati med progressiv hjärtsvikt med hjälp av kirurgiskt implanterade förmaksstimuleringsledningar och en extern pulsgenerator12. På liknande sätt drog Freeman et al. slutsatsen att ihållande ventrikulär pacing leder till myokardiell depression hos kaniner över 3-4 veckor11. På grund av små djurs höga inhemska hjärtfrekvens måste pacemakern kunna pacing frekvenser runt 300-400 bpm för att upprätthålla en full tempo rytm. Eftersom dessa högre taktfrekvenser leder till progressiv hjärtsvikt under vecka11,12, är den presenterade leporinmodellen optimal för utveckling och undersökning av den resulterande kardiomyopatin. Med tanke på deras storlek är dessa små modeller idealiska för specifika applikationer som utvärdering av humorala eller myokardvävnadsförändringar11,16. Ekokardiografi kan vidare användas för att utvärdera dimensionerna och kontraktiliteten hos leporinhjärtat12,17. I jämförelse har större djurmodeller av hjärtsvikt andra fördelar, såsom möjligheten till detaljerad invasiv hemodynamisk utvärdering, inklusive kranskärlscirkulation eller tryckvolymbedömningar2.
Det specifika urvalet av leporinmodellen för stimuleringsstudier baserades på dess många fördelar. Kaniner tolererar proceduren väl, är ett av de minsta däggdjuren för att visa förmågan att ta emot ett pacemakersystem i mänsklig storlek och kräver utplacering av färre resurser än andra större djur. Vissa författare18 tror att fysiologin hos små däggdjur kanske inte återspeglar människans, men vi fann att pacingparametrarna som observerats i dessa små däggdjur är ganska lika de som ses hos människor eller stora djur 1,2,3,19, vilket innebär att de lätt kan användas för translationell forskning.
Under blyplacering och pacemakerimplantation i denna smådäggdjursmodell stötte vi på likheter med tidigare experiment i stora djurmodeller, men de signifikanta skillnaderna bör påpekas. Leporinvävnader är bräckliga, och kärlet och ventrikulära väggar är tunna. Mild manipulation är nödvändig under hela proceduren; Blyspetsen ska alltid vara utan stöd av styletten och därmed flexibel. Speciellt när man passerar genom tricuspid annulus och placerar blyspetsen till toppen av höger kammare, måste manipulation utföras med extrem försiktighet och under fluoroskopisk vägledning för att undvika skador. Placering av spetsen på andra platser bör också vara möjlig. Vi har testat rätt förmaksbihang och ventrikulära utflödeskanalpositioner med optimala periprocedurparametrar, men blystabiliteten kan vara begränsad och nuvarande data kan inte stödja alternativa pacingplatser. Kaninens yttre halsven är lämplig storlek för införandet av en enda pacingledning. Om implantation av flera ledningar är avsedd kan användning av ett större djur rekommenderas.
Blyfixeringen i myokardiell trabekulation uppnåddes passivt med kiselpinnar vid blyspetsen. Baserat på vår erfarenhet måste användningen av aktiv fixering av en spiral som skruvas in i det tunna myokardskiktet undvikas för att förhindra vävnadsskada på grund av tamponad eller bröstblödning. Trots den lilla storleken på kaninens högra kammare möjliggjorde paret av stimuleringselektroder åtskilda med 25 mm både unipolära och bipolära avkännings- och stimuleringskonfigurationer (figur 10). Detta kan erbjuda mångsidighet för hjärtstimuleringsstudier.
På grund av den höga naturliga hjärtfrekvensen hos små däggdjur18 kan kontinuerlig stimulering uppnås genom anpassad programmering av den implanterbara pacemakern. Alternativt kan metoden för enkel intern modifiering av ett gemensamt mänskligt certifierat stimuleringssystem användas för att erhålla höghastighetsfrekvenser, som beskrivits i detalj tidigare 2,20. Förlusten av fångst bedömdes med hjälp av den icke-invasiva pacing-studiefunktionen, vilket är ett unikt tillvägagångssätt som möjliggör testning även i tillståndet med en hög naturlig hjärtfrekvens. De rapporterade stimuleringsparametrarna mättes regelbundet. Den implanterade pacemakern kunde registrera avkänningen av myokardpotentialer och blyimpedans automatiskt och kontinuerligt, men stimuleringströskeln måste mätas manuellt på grund av den höga inbyggda hjärtfrekvensen. Om kontinuerlig stimulering krävs rekommenderas därför frekventa bedömningar för att förhindra förlust av fångst.
Gutruf et al. rapporterade tidigare användningen av mycket miniatyriserade, trådlösa, batterifria pacemakers i små djurmodeller7. Jämfört med deras studier representerar implantationen av en pacemaker i mänsklig storlek som beskrivs här ett annat tillvägagångssätt som ger möjlighet till innovativ blytestning, nära översättning till klinisk forskning och bredare applikationer med allmänt tillgängliga material. Zhou et al. presenterade utvecklingen av en miniatyr hjärtpacemaker utformad för att implanteras perkutant i fostrets hjärta för att behandla atrioventrikulärt block. De rapporterade användningen av vuxna kaninexperiment för att bekräfta genomförbarheten av en sådan anordning9. Andra har tidigare rapporterat fördelarna med kaninintubation för invasiva förfaranden. Baserat på vår erfarenhet har tillvägagångssättet att upprätthålla spontan andning med en oro-nasal mask fler fördelar för så korta procedurer eftersom det minimerar risken för komplikationer orsakade av manipulation av luftvägarna. Dessutom kan trycklungskador också förebyggas.
Även om studieprotokollet utarbetades noggrant och det totala antalet djur som ingick var tillräckligt, måste flera begränsningar påpekas. Den lilla storleken på kaninens högra kammare möjliggjorde inte flera blyplaceringar. Även om vi försökte testa placeringen av blyspetsen i höger kammares utflödeskanal, har vi begränsad kunskap om dess stabilitet och förväntar oss att den är ganska begränsad. Pacingimpedanstrenden visade en nedgång inom den första veckan efter leadplaceringen. Detta kan bero på lokal inflammation och mild fibros, men kort därefter återställdes blyimpedansen och en stabilitetstrend upprätthölls kontinuerligt. Ett enkammarstimuleringssystem användes i denna studie. I framtida studier bör man också undersöka att avancera ett par pacingledningar genom den ensidiga halsvenen. Även om detta inte testades i denna studie, tror vi att en andra ledning kan introduceras och stabiliseras i det högra atriumet.
I allmänhet har djurmodeller av hjärtstimulering många tillämpningar inom kardiovaskulär forskning. För det första leder pacing vid icke-fysiologiska höga frekvenser under flera veckor till takykardiinducerad kardiomyopati, som tidigare rapporterats, och möjliggör studier av patofysiologi och behandling av kronisk hjärtsvikt 2,3,11,12. Vidare kan forskning om raffinerade material och tekniker utnyttja den presenterade leporinmodellen, som kan föreslås för medelfristiga pacingstudier. Såvitt vi vet är denna studie den första som visar fördelarna med en så liten däggdjursmodell för komplexa hjärtstimuleringsexperiment21. Sammanfattningsvis, med den beskrivna metoden, kan ett stimuleringssystem i mänsklig storlek framgångsrikt implanteras i små däggdjur, trots vävnadens bräcklighet och känsliga anatomi. Efter träning är denna teknik lätt reproducerbar, och den ger en grund för modeller av takttakykardi med breda tillämpningar inom kardiovaskulär forskning.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna vill tacksamt erkänna råd och hjälp från Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková och Tereza Vavříková för deras inspiration, arbete och tekniska support. Detta arbete finansierades av MH CZ-DRO (NNH, 00023884), IG200501-bidrag.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Power, J. M., Tonkin, A. M. Large animal models of heart failure. Australian and New Zealand Journal of Medicine. 29 (3), 395-402 (2008).
- Hála, P., et al. Tachycardia-induced cardiomyopathy as a chronic heart failure model in swine. Journal of Visualized Experiments. (132), e57030 (2018).
- Powers, J. C., Recchia, F. Canine model of pacing-induced heart failure. Methods in Molecular Biology. 1816, 309-325 (2018).
- Whipple, G. H., Sheffield, L. T., Woodman, E. G., Theophilis, C., Friedman, S. Reversible congestive heart failure due to chronic rapid stimulation of the normal heart. Proceedings of the New England Cardiovascular Society. 20, 39-40 (1962).
- Laughner, J. I., et al. A fully implantable pacemaker for the mouse: From battery to wireless power. PLoS One. 8 (10), 76291 (2013).
- Yue-Chun, L., et al. Establishment of a canine model of cardiac memory using endocardial pacing via internal jugular vein. BMC Cardiovascular Disorders. 10, 30 (2010).
- Gutruf, P., et al. Wireless, battery-free, fully implantable multimodal and multisite pacemakers for applications in small animal models. Nature Communications. 10 (1), 5742 (2019).
- Zhou, L., et al. A percutaneously implantable fetal pacemaker. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2014, 4459-4463 (2014).
- Zhou, L., Chmait, R., Bar-Cohen, Y., Peck, R. A., Loeb, G. E. Percutaneously injectable fetal pacemaker: Electrodes, mechanical design and implantation. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2012, 6600-6603 (2012).
- Jordan, C. P., et al. Minimally invasive resynchronization pacemaker: A pediatric animal model. The Annals of Thoracic Surgery. 96 (6), 2210-2213 (2013).
- Freeman, G. L., Colston, J. T. Myocardial depression produced by sustained tachycardia in rabbits. American Journal of Physiology. 262, 63-67 (1992).
- Ryu, K. H., et al. Force-frequency relations in the failing rabbit heart and responses to adrenergic stimulation. Journal of Cardiac Failure. 3 (1), 27-39 (1997).
- Hulsmans, M., et al. A miniaturized, programmable pacemaker for long-term studies in the mouse. Circulation Research. 123 (11), 1208-1219 (2018).
- Nishida, K., Michael, G., Dobrev, D., Nattel, S. Animal models for atrial fibrillation: Clinical insights and scientific opportunities. Europace. 12 (2), 160-172 (2010).
- Clementy, N., et al. Pacemaker complications and costs: A nationwide economic study. Journal of Medical Economics. 22 (11), 1171-1178 (2019).
- Armoundas, A. A., et al. Cellular and molecular determinants of altered Ca2+ handling in the failing rabbit heart: primary defects in SR Ca2+ uptake and release mechanisms. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 292 (3), 1607-1618 (2007).
- Giraldo, A., Talavera López, J., Brooks, G., Fernández-Del-Palacio, M. J. Transthoracic echocardiographic examination in the rabbit model. Journal of Visualized Experiments. (148), e59457 (2019).
- Spannbauer, A., et al. Large animal models of heart failure with reduced ejection fraction (HFrEF). Frontiers in Cardiovascular Medicine. 6, 117 (2019).
- Byrne, M. J., et al. An ovine model of tachycardia-induced degenerative dilated cardiomyopathy and heart failure with prolonged onset. Journal of Cardiac Failure. 8 (2), 108-115 (2002).
- Hála, P., et al. Increasing venoarterial extracorporeal membrane oxygenation flow puts higher demands on left ventricular work in a porcine model of chronic heart failure. Journal of Translational Medicine. 18 (1), 75 (2020).
- Riehle, C., Bauersachs, J. Small animal models of heart failure. Cardiovascular Research. 115 (13), 1838-1849 (2019).
