Summary
Vi præsenterer en minimalt invasiv leporinemodel for langvarig hjertepacing, der kan bruges til kunstig pacing og udvikling af hjertesvigt i prækliniske studier.
Abstract
Dyremodeller af hjertepacing er gavnlige til test af nye enheder, undersøgelse af patofysiologien af kunstigt tempo hjerterytmer og studere arytmi-inducerede kardiomyopatier og efterfølgende hjertesvigt. I øjeblikket er kun få sådanne modeller tilgængelige, og de kræver for det meste omfattende ressourcer. Vi rapporterer en ny eksperimentel hjertepacingmodel i små pattedyr med potentiale til at studere arytmi-induceret hjertesvigt.
Hos seks newzealandske hvide kaniner (gennemsnitsvægt: 3,5 kg) blev jugularområdet dissekeret under generel inhalationsanæstesi, og en enkelt pacingledning blev indsat via højre ydre jugularvene. Ved hjælp af fluoroskopisk vejledning blev blyet yderligere avanceret til højre ventrikulær apex, hvor det blev stabiliseret ved passiv fiksering. En hjertepacemaker blev derefter forbundet og begravet i en subkutan lomme.
Pacemakerimplantationen var vellykket med god heling; Kaninens anatomi er gunstig for blyplaceringen. I løbet af 6 måneders opfølgning med intermitterende pacing var det gennemsnitlige registrerede myokardiepotentiale 6,3 mV (min: 2,8 mV, max: 12 mV), og den gennemsnitlige blyimpedans målt var 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). Tempogrænsen var oprindeligt 0,8 V ± 0,2 V og forblev stabil under opfølgningen.
Denne undersøgelse er den første, der præsenterer vellykket transvenøs hjertepacing i en lille pattedyrmodel. På trods af størrelsen og vævets skrøbelighed kan instrumentering i menneskelig størrelse med justeringer sikkert bruges til kronisk hjertepacing, og derfor er denne innovative model velegnet til at studere udviklingen af arytmi-induceret kardiomyopati og deraf følgende hjertesvigtspatofysiologi.
Introduction
I forskning i hjertesvigt og udvikling af hjertepacing kræves der ofte translationelle modeller til præklinisk test1. Desuden skal nye enheder, materialer og blyforbedringer testes for deres potentielle komplikationer, før de anvendes klinisk. Således har hjertepacingmodeller en bred vifte af applikationer, herunder analyse af kunstigt tempo hjerterytmer og undersøgelsen af deres patofysiologiske virkninger på hjertefunktionen 2,3. Hjertepacing- eller takykardi-induceret kardiomyopati eksperimenter kan udnytte modeller af forskellige dyrestørrelser, med udvikling af hjertesvigt inden for uger af høj hastighedpacing 1,3,4,5.
Tidligere undersøgelser har rapporteret brugen af store dyremodeller - svin, hunde og får - i sådanne applikationer 2,3,6. Tilgængeligheden af disse modeller er imidlertid begrænset, og de kræver omfattende ressourcer til dyrekirurgi og håndtering. I modsætning hertil kan anvendelsen af små pattedyr løse ovennævnte problemer og dermed tjene som en optimal og økonomisk overkommelig forskningsmodel. Imidlertid er hjertepacingundersøgelser på små pattedyr sjældent blevet rapporteret, og dette kan skyldes deres sarte anatomi, vævsskrøbelighed og den højere pacinghastighed, der kræves 7,8,9,10,11,12.
Kun kirurgiske modeller af delvist implanterede pacingledninger med eksterne pacemakere11,12 eller trådløse mikroskopiske pacinganordninger 5,7,8,9 er blevet anvendt i pacemakerundersøgelser med små pattedyr, men så vidt vi ved, er brugen af fuldt implanterede, menneskelige størrelse, transvenøse pacemakersystemer ikke blevet rapporteret til dato. Tidligere beviser i leporinemodeller viser, at pacing ved hurtig puls over uger fører til myokardiedepression11,12. Dette papir præsenterer den første praktisk levedygtige model for små pattedyr, der demonstrerer den vellykkede implantation af en pacemaker i menneskelig størrelse hos kaniner. Den beskrevne metode sigter mod at præsentere en klinisk relevant model for hjertepacing og kan nøje oversættes til humane studier af takykardi- eller pacing-induceret kardiomyopati og den deraf følgende hjertesvigtspatofysiologi 2,11,12.
Protocol
Denne eksperimentelle protokol blev gennemgået og godkendt af Institutional Animal Expert Committee ved det første medicinske fakultet, Charles University, og udført på universitetets eksperimentelle laboratorium, Institut for Fysiologi, Første Medicinske Fakultet, Charles University i Prag, Tjekkiet, i overensstemmelse med lov nr. 246/1992 Coll. om beskyttelse af dyr mod grusomhed. Alle dyrene blev behandlet og plejet i overensstemmelse med Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 8. udgave, udgivet af National Academies Press, 2011. Alle procedurer blev udført i henhold til standard veterinærkonventioner i nærværelse og under vejledning af en autoriseret dyrlæge. Seks New Zealand hvide kaniner blev inkluderet i denne serie af eksperimenter. Deres gennemsnitlige kropsvægt var 3,5 kg ± 1 kg på dagen for implantation af pacemaker. Alle værdier udtrykkes som gennemsnit ± SEM og, hvis det er relevant, i intervaller af målte minimums- og maksimumsværdier. En P-værdi < 0,05 blev betragtet som signifikant. For en vellykket mastering af teknikken er grundlæggende færdigheder i dyrebedøvelse og kirurgi nødvendige; Tidligere erfaring med hjertepacing er tilrådeligt, men ikke påkrævet.
1. Præoperativ pleje
- Lad kaninerne akklimatisere sig til deres stalde i mindst 2 uger og blive fortrolige med menneskelig berøring og manipulation for at lette håndteringen og håndteringen af dyrene på operationsdagen.
- Foder dyrene hø og høbaseret pelleteret kanin kost. Sørg for ferskvand med jævne mellemrum.
- Udfør en kort daglig kontrol af deres vitalitet (kropstemperatur, respirationsfrekvens) og generelle tilstand, herunder optimalt kostindtag og fravær af nød.
2. Anæstesi, præmedicinering og overvågning
- Efter 30 minutters faste administreres præmedicinering: buprenorphin (0,01-0,04 mg / kg IM), midazolam (0,3-0,6 mg / kg IM), medetomidin (0,03-0,06 mg / kg IM) og ketamin (5-10 mg / kg IM).
- Indsæt en kanyle i den marginale ørevene til intravenøs lægemiddelapplikation. Indsaml blodprøver ved hjælp af lavvolumenrør (0,5 ml) til hæmatologiske og biokemiske analyser.
- Barber kaninens hud ved hjælp af en barbermaskine i højre halsområde på halsen - det kirurgiske sted - og på lemmerne for at fastgøre elektroderne til EKG-overvågning. Barber med omhu, da kaninens hud er let modtagelig for irritation, og små tårer ses ofte.
- Placer dyret på en varmepude for at forhindre hypotermi.
- Overvåg de vitale funktioner, herunder EKG, rektal kropstemperatur og iltmætning med et pulsoximeter i henhold til anæstesiprotokollen.
- Placer en maske over dyrets mund og næse og fastgør den med en gummiforsegling omkring dyrets ansigt. Brug salve til at beskytte dyrets øjne mod tørhed.
- For at opnå tilstrækkelig sedation skal dyrene forsynes med isofluran (blandet med ilt) via ansigtsmasken. Start med en koncentration på 3,5% og reducer efter behov i henhold til dyrets reaktioner med hensyn til en undertrykt hornhinderefleks og motorisk smerterespons.
BEMÆRK: For at reducere risikoen for lungeskade under anæstesien anbefales spontan ventilation, men en neonatal manuel eller automatisk ventilator skal holdes klar i tilfælde af hypoventilation. - Forbered al steril instrumentering.
- Placer dyret på et fluoroskopibord. Brug fuld røntgen personlige værnemidler.
3. Implantation af ventrikulært bly
- Find den ydre jugular vene og markér dens position på huden.
- Steriliser hele regionen ved hjælp af povidon-jod og fortsæt med at dække operationsstedet med et sterilt drapering med et hul over det markerede jugularområde.
- Lav et snit på huden parallelt over den markerede jugular vene. Find den ydre jugularvene og isoler en længde på 1 cm fra det tilstødende fibrøse væv og det vaskulære bundt. Find halspulsåren til orientering og for at forhindre dens skade.
- Opret en lomme i det subkutane væv for at rumme pacemakeren. Brug saks til stump dissektion for at forhindre overdreven blødning og vævsskade.
- Fastgør beholderen ved hjælp af et gummibånd i begge ender af det isolerede beholdersegment og tilslør blodgennemstrømningen (figur 1).
- Brug standardskæreteknikken til at skære ca. 1/3 af karvæggens omkreds med et blad.
- Brug en beholderpluk til at åbne snittet bredt og indføre en enkelt passiv pacingledning i lumen.
- Under fluoroskopisk vejledning skal du yderligere føre spidsen til toppen af højre ventrikel (figur 2). Forform en stylet til en kurve og brug den til at guide ledningen til at passere tricuspid annulus. Sørg for, at spidsen af blyet ikke understøttes af stylet, så ledningen forbliver fleksibel og atraumatisk, når du rører ved vævet.
- Test tempoparametrene. Det ventrikulære blyregistrerede signal og impedans skal være stabilt, og tempotærsklen skal være lav. Der bør ikke være nogen fascikulation af de tilstødende muskler (figur 3).
- Fastgør blypositionen ved at sy den over en beskyttende gummibøsning til det underliggende fibrøse væv, og forsegl beholderens lumen omkring ledningen ved hjælp af et silkebånd (figur 4).
4. Implantation af pacemaker
- Tilslut pacemakeren til pacingledningen, og fastgør IS-1-stikket ved hjælp af en skrue. Hvis den ikke-invasive pacing-undersøgelsesfunktion (se trin 6) vil blive brugt under opfølgningen, skal pacemakeren tilsluttes atriekanalstikket.
- Begrav pacemakeren og blyets ekstra længde i den præformede subkutane lomme (figur 5).
- Skyl lommen med povidon-jod. Sutur hudsåret ved hjælp af en monofilamenttråd.
- Indstil det ønskede pacingprogram, og udfør en afsluttende kontrol af pacingparametrene (figur 3).
5. Postoperativ pleje
- Træk bedøvelsesmidlerne tilbage og observer dyret omhyggeligt, indtil det genvinder tilstrækkelig bevidsthed.
- Administrer atipamezol (0,01-0,03 mg/kg i.m.) for at vende tilbage til virkningen af medetomidin.
- Når bevidstheden er genoprettet og optimal kropstemperatur opnået, administreres meloxicam (0,4-0,6 mg/kg) subkutant til smertelindring. Tilsæt buprenorphin efter 6-8 timer, hvis smertelindringen ikke er tilstrækkelig i henhold til en gyldig smertevurderingsskala (f.eks. Kaningrimasseskala).
- Administrer metoclopramid (0,5-1 mg / kg IV) for at forhindre yderligere gastrointestinal stasis og stimulere gastrisk motilitet og fortsæt 3x om dagen, indtil tilstrækkelig fødeindtagelse og afføringsproduktion er genoprettet.
- Følg et bredspektret intravenøst antibiotikumregime, indtil sårene er helet (enrofloxacin på 10-20 mg/kg 2x dagligt i 3-7 dage).
- Overfør dyret til et behageligt og velkendt miljø og observer det, indtil det genvinder tilstrækkelig bevidsthed. Returner ikke kaninen til andre dyrs selskab, før den er fuldt ud genoprettet.
- Oprethold administration af meloxicam (0,4-0,6 mg/kg SC) dagligt i mindst 5 dage.
- Overvåg og klæd sårene regelmæssigt for at sikre sikker og rettidig heling.
- Når de er helt helet, ca. 14 dage efter proceduren, fjernes de ikke-absorberbare hudsuturer.
- Udfør fjernforhør og kontroller tempoparametrene regelmæssigt (dvs. pacing threshold, myocardial sensing og blyimpedans).
BEMÆRK: De opnåede værdier skal følge en stabil tendens.
6. Pacing protokol og dataindsamling
- Forhør pacemakeren, og indstil backup-pacing-tilstanden ved at vælge minimal basishastighed i menuen Parametre.
BEMÆRK: På grund af den høje puls og dens høje variabilitet, der er hjemmehørende i små dyr, kan kontinuerlig kunstig pacing opnås med en hastighed på 300-400 bpm i henhold til de specificerede krav. Intermitterende pacing kan opnås under hvert pacemakerforhør (følg trin 6.4 og figur 6). - Optag pacing lead impedans kontinuerligt; i menuen Diagnostik af pacemakerprogrammører skal du starte dataindsamlingen.
- Optag myokardiepotentialet kontinuerligt og kontroller det manuelt hver uge ved forhør af pacemakeren; i pacemakerprogrammørens testmenu under fanen Sensing måles de unipolære og bipolære myokardiepotentialeamplituder.
- Vurder tempogrænsen regelmæssigt (ugentligt) ved forhør. Brug funktionen ikke-invasiv pacingundersøgelse (vælg NIPS under menuen Test) til at måle pacingtærsklen med en tilstrækkelig pacing rate (figur 6). Vurder pacing-tærsklen for forskellige stimulusvarigheder (fra 0,1 ms til 1,5 ms) og udtryk den i volt. Brug intrakardiale elektrogrammer eller overflade-EKG til bestemmelse af tab af indfangning, når pacingstimulusudgangen bliver under tærsklen.
- Udfør alle procedurer i henhold til standard veterinærkonventioner, afliv dyret i henhold til de institutionelle regler ved afslutningen af hver undersøgelse og udfør en obduktion. Explant pacemakeren og bly og undersøg dem for inflammatoriske reaktioner, biofilmdannelse og fibrose.
BEMÆRK: En kaliumoverdosis blev givet under dyb bedøvelse for at aflive dyrene i denne protokol.
Representative Results
I alt seks dyr blev inkluderet i undersøgelsen. I alle dyrene blev pacingledningen med succes implanteret via den ydre jugular vene i højre ventrikulære apex (supplerende figur S1). Positionen blev verificeret ved fluoroskopi, og blyet blev syet til det tilstødende væv over en gummimuffe. Ifølge røntgenbilleddannelsen fastholdt føringen sin position i hele tempoprotokolperioden. Den vedhæftede pacemaker var håndgribelig i lateral halsregionen og forårsagede ingen åbenlyse problemer for dyret. Alle sårene helede fuldt ud og uden lokale komplikationer.
Blyspidsen var udstyret med to titanium-platinelektroder - en distal halvkugleformet ring og en proksimal cylindrisk ringelektrode - med en interelektrodeafstand på 25 mm (figur 2). Ledningerne blev frit ført ind i toppen og passivt fastgjort der af deres siliciumfastgørelsestænder. Dette tillod unipolær pacing fra spidselektroden og for bipolær pacing mellem begge elektroder placeret i højre ventrikel.
Et repræsentativt ventrikulært myokardiepotentiale, der registreres signal, er vist i figur 3, og de målte pacingparametre er angivet detaljeret i tabel 1 og figur 7. På tidspunktet for proceduren var det gennemsnitlige registrerede myokardiepotentiale 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), og pacing-tærsklen var 0,8 V ± 0,26 V (min: 0,2 V, max: 2,2 V), med stimulusvarigheden indstillet til standard 0,4 ms.
Efter opfølgning på 3 måneder og 6 måneder med intermitterende pacing var det gennemsnitlige registrerede myokardiepotentiale henholdsvis 7,4 mV ± 1,2 mV (min: 4,0 mV, max: 12,0 mV) og 6,3 mV ± 1,0 mV (min: 4,2 mV, max: 10,3 mV). Den gennemsnitlige blyimpedans målt var henholdsvis 869 Ω ± 32 Ω (min: 760 Ω, max: 975 Ω) og 725 Ω ± 96 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω), og pacing threshold ændret til 1,2 V ± 0,3 V (min: 0,2 V, max: 2,2 V) og til 1,4 V ± 0,3 V (min: 0,5 V, max: 2,3 V), henholdsvis. Alle parameterændringerne var ikke statistisk signifikante i denne periode (P > 0,05), og de bipolære og unipolære parametre fulgte sammenlignelige tendenser (figur 7 og tabel 1).
Et tilfælde blev afsluttet tidligt på grund af delvis blyindtrængning, som præsenterede med et pludseligt impedansfald observeret den anden dag efter implantationen. Senere i løbet af den anden måned af opfølgningen blev der bemærket en gradvis tærskelstigning, og pacing på højt output forårsagede muskulær fascikulation. Dyret forblev asymptomatisk, men under obduktion viste spidsen af pacingledningen sig at have trængt gennem myokardieundervæggen ind i perikardiet med en længde på ca. 3 mm. Der blev ikke observeret blødning eller tegn på infektion.
Før proceduren, på dag 1 efter proceduren og på dag 7 efter proceduren, var det gennemsnitlige antal hvide blodlegemer henholdsvis 5,9 × 10 9/l, 7,37 × 10 9/l og 7,42 × 10 9/l, de gennemsnitlige hæmoglobinniveauer var henholdsvis 105 g/l, 113 g/l og 110 g/l, og det gennemsnitlige trombocyttal var henholdsvis 317 × 10 9/l, 274 × henholdsvis 10 9/L og 219 × 109/L. Laboratorieværdierne viste ikke signifikante ændringer i løbet af den første uge efter proceduren (P > 0,05 for alle). Under mikroskopisk evaluering blev pacing bly siliciumoverfladen dækket af fibrøst væv (med en omtrentlig tykkelse på 100 μm), men ingen celler blev fundet (figur 8).
Figur 1: Kirurgisk jugular venedissektion. Efter at huden er skåret, dannes en subkutan lomme, og halsvenen udsættes, ligeres distalt og understøttes af et blåt gummibånd proximalt. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Fluoroskopi under implantation af pacemakerledning. En pacingledning indføres via den ydre jugular vene, og ved hjælp af en forformet stylet føres blyet frem til højre ventrikulær apex, hvor det sikres ved passiv fiksering af dets siliciumtænder. En vedhæftet pacemaker er begravet i en subkutan lomme i nakkeområdet. Pilen peger på den distale halvkugleformede ring (grøn) og de proksimale cylindriske ringelektroder. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Repræsentative målinger af sansede ventrikulære myokardiepotentialer. Ventrikulær sensing og dens amplitudemålinger vises i den akutte fase efter pacing blypositionering (venstre) og efter pacemakerimplantation (højre). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Sikring af pacingledningen. Fastgørelse af blyet med to ikke-absorberbare suturer over en gummibøsning (pil) til det underliggende væv sikrer det på plads og forhindrer dets forskydning. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Placering af pacemakeren. Pacemakeren er begravet i den subkutane lomme og skylles med povidon-jod. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Måling af tempotærskel. Ved hjælp af pacemakerens ikke-invasive pacing-undersøgelsesfunktion udføres pacing ved højere end den oprindelige puls. Pacing stimuli er markeret med P. Pacing-tærsklen evalueres med varierende stimulusoutput. (A) Et repræsentativt eksempel på endokardiepotentialet for ventrikelindfangning er vist for en ydelse på 0,8 V ved 0,4 ms, (B), men et tab af indfangning ses med output reduceret til 0,6 V ved 0,4 ms. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: Opfølgning af tempoparametrene for leporinehjertepacingmodellen. Tendenserne i (A) pacing threshold, (B) pacing impedans og (C) myocardial sensing for alle forsøgspersoner er plottet. De gennemsnitlige unipolære (hele linjen) og bipolære værdier (stiplet linje) er vist med fed skrift. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: Udplantet pacing blyprøve. Ventrikulær del skåret af den udplantede pacing bly. (A) Det makroskopiske billede og (B) mikroskopisk billede farvet med toluidinblåt afslører siliciumoverfladen dækket af et lag fibrøst væv. Skalastænger = (A )1 cm, (B) 10 μm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Ventrikulær sensing og blyimpedanstendenser. Et repræsentativt eksempel på (A) kontinuerlig og stabil ventrikulær myokardiesensing og (B) ventrikulær blyimpedans tendenser over en opfølgning på 236 dage. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 10: Ventrikulære endomyokardieelektrogrammer. Pacemakerforhøret registrerede ventrikulære potentialer er afbildet med (A) unipolære og (B) bipolære forbindelser. T-bølgepotentialet er mere tydeligt med den unipolære forbindelse, men forårsager ikke oversensing. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Unipolær | periproceduremæssig | opfølgning | |||||||
| 3 måneder | 6 måneder | ||||||||
| Registreret myokardiepotentiale [mV] | 5.6 ± 0.8 | 7.4 ± 1.2 | 6.3 ± 1.0 | ||||||
| Pacing tærskel [V ved 0,4 ms] | 0,8 ± 0,3 | 1.2 ± 0.3 | 1.4 ± 0.3 | ||||||
| Blyimpedans [Ω] | 675 ± 74 | 869 ± 32 | 725 ± 96 | ||||||
Tabel 1: Opfølgning af tempoparametrene for leporins hjertepacingmodel. Værdierne af det registrerede myokardiepotentiale, pacingtærskel og blyimpedans udtrykkes som gennemsnit ± SEM i 3 måneder og 6 måneders opfølgning.
Supplerende figur S1: Skematisk over det implanterede transvenøse pacingsystem i menneskelig størrelse i en kanin. Klik her for at downloade denne fil.
Discussion
På trods af deres specifikke begrænsninger giver små pattedyrmodeller fordele for klinisk forskning13. Med en etableret metode kan hjertepacingmodeller give en optimal platform til simulering af en bred vifte af hjerte-kar-sygdomme og kredsløbspatologiske tilstande 7,14 med signifikant lavere ressourcebehov sammenlignet med store dyremodeller eller kliniske forsøg. Dette papir præsenterer en innovativ, minimalt invasiv model for langvarig hjertepacing hos kaniner. Ved at følge denne protokol er det muligt at anvende et fuldt implanteret humant pacemakersystem i fuld størrelse, herunder en pacingledning i fuld længde, i en model med små pattedyr.
På tidspunktet for implantation af pacemakere var vi i stand til at placere blyet på et stabilt, optimalt sted i toppen af højre ventrikel hos alle dyrene. De invasivt målte pacingparametre lå inden for normalområdet, svarende til de værdier, der er almindelige i store dyreforsøg eller humanmedicin 2,3. Det målte gennemsnitlige myokardiepotentiale på 6,5 mV ± 1,9 mV i højre kaninventrikel genkendes tydeligt af en standard implanterbar pacemaker. Den maksimale målte pacingtærskel var 2,5 V med en stimulusvarighed på 0,4 ms, og impedansen forblev inden for normale områder under opfølgningen. Samlet set repræsenterer disse optimale tempoparametre.
Under opfølgningen blev pacingparametrene verificeret ikke-invasivt ved at forhøre den implanterede pacemaker, og disse parametre er opsummeret i figur 7, figur 9 og tabel 1. Ventrikulær sensing og blyimpedans viste ingen signifikante ændringer over 6 måneder. På trods af en stigende tendens i tempotærsklen i gennemsnit på tværs af alle forsøgspersoner, blev der ikke observeret signifikante ændringer, hvilket gjorde det muligt at udføre pacing sikkert gennem hele studiet. De små udsving i tempoparametrene kan tilskrives lokale inflammatoriske reaktioner eller fibrose og kan afbødes ved at anvende steroideluerende materialer. Til brug i langtidspacingforsøg bør pacingparametrene monitoreres og justeres hyppigt.
Blodanalysen antydede ikke systemisk inflammation eller anæmi i løbet af den første uge efter implantation. Tendensen med øgede trombocyttal før proceduren kan tilskrives den akutte stress forårsaget af dyrehåndtering og sedation, da værdierne forblev stabile under opfølgningen. En frygtet komplikation af pacemakerimplantation er blyindtrængning. Især med skrøbelighed i små pattedyrvæv bør penetration mistænkes, når pacingparametrene ændres brat, og det skal understreges, at blyet altid skal manipuleres omhyggeligt i sin rette position. Et røntgenbillede kan bekræfte blyindtrængning. En akut hjerteimplanterbar elektronisk enhed (CIED)-associeret bakteriel infektion er en anden potentielt alvorlig komplikation, der bidrager væsentligt til dødelighed og sygelighed15. Derfor er det ekstremt vigtigt at studere nye materialer, pacingteknikker og blyforbedringer for at reducere infektionshastighederne og forlænge temposystemernes holdbarhed. Den præsenterede metode giver en passende dyremodel til sådan vital eksperimentel forskning.
Ryu et al. induceret kardiomyopati med progressiv hjertesvigt ved hjælp af kirurgisk implanterede atriale pacing ledninger og en ekstern pulsgenerator12. Tilsvarende konkluderede Freeman et al., at vedvarende ventrikulær pacing fører til myokardiedepression hos kaniner over 3-4 uger11. På grund af små dyrs høje indfødte hjertefrekvens skal pacemakeren være i stand til at pacing frekvenser omkring 300-400 bpm for at opretholde en fuld temporytme. Da disse højere tempofrekvenser fører til progressiv hjerteinsufficiens i uge11,12, er den præsenterede leporinemodel optimal til udvikling og undersøgelse af den resulterende kardiomyopati. I betragtning af deres størrelse er disse små modeller ideelle til specifikke applikationer såsom evaluering af humorale eller myokardievævsændringer11,16. Ekkokardiografi kan yderligere bruges til at evaluere dimensioner og kontraktilitet af leporinehjertet12,17. Til sammenligning har større dyremodeller for hjertesvigt andre fordele, såsom muligheden for detaljeret invasiv hæmodynamisk evaluering, herunder koronar cirkulation eller trykvolumenvurderinger2.
Det specifikke valg af leporinemodellen til pacingstudier var baseret på dens mange fordele. Kaniner tolererer proceduren godt, er et af de mindste pattedyr, der demonstrerer kapaciteten til at modtage et pacemakersystem i menneskelig størrelse og kræver anvendelse af færre ressourcer end andre større dyr. Nogle forfattere 18 mener, at fysiologien hos små pattedyr muligvis ikke afspejler menneskers, men alligevel fandt vi, at de pacingparametre, der observeres hos disse små pattedyr, ligner dem, der ses hos mennesker eller store dyr 1,2,3,19, hvilket betyder, at de let kan bruges til translationel forskning.
Under blyplacering og pacemakerimplantation i denne lille pattedyrmodel stødte vi på ligheder med tidligere forsøg i store dyremodeller, men de betydelige forskelle skal påpeges. Leporinvæv er skrøbeligt, og karret og ventrikulære vægge er tynde. Skånsom manipulation er nødvendig under hele proceduren; Blyspidsen skal altid ikke understøttes af stylet og dermed fleksibel. Især når man passerer gennem tricuspid annulus og placerer blyspidsen til toppen af højre ventrikel, skal manipulation udføres med ekstrem omhu og under fluoroskopisk vejledning for at undgå skade. Det bør også være muligt at placere spidsen andre steder. Vi har testet de rigtige atriale vedhæng og ventrikulære udstrømningskanalpositioner med optimale periprocedureparametre, men blystabiliteten kan være begrænset, og de aktuelle data kan ikke understøtte alternative pacingsteder. Kaninens ydre jugularvene er passende størrelse til indsættelse af en enkelt pacingledning. Hvis implantation af flere ledninger er påtænkt, kan det anbefales at anvende et større dyr.
Blyfikseringen i myokardietrabekulationen blev udført passivt med siliciumtænder ved blyspidsen. Baseret på vores erfaring skal brugen af aktiv fiksering af en helix skruet ind i det tynde myokardielag undgås for at forhindre vævsskade på grund af tamponade eller brystblødning. På trods af den lille størrelse af kaninens højre ventrikel tillod parret pacingelektroder med 25 mm både unipolære og bipolære sensing- og pacingkonfigurationer (figur 10). Dette kan tilbyde alsidighed til hjertepacing-undersøgelser.
På grund af den høje indfødte hjertefrekvens hos små pattedyr18 kan kontinuerlig pacing opnås ved brugerdefineret programmering af den implanterbare pacemaker. Alternativt kan metoden med simpel intern modifikation af et fælles menneskecertificeret pacingsystem bruges til at opnå pacingfrekvenser med høj hastighed, som beskrevet detaljeret tidligere 2,20. Tabet af indfangning blev vurderet ved hjælp af den ikke-invasive pacing-undersøgelsesfunktion, som er en unik tilgang, der gør det muligt at teste selv under en høj medfødt puls. De rapporterede pacingparametre blev målt regelmæssigt. Den implanterede pacemaker var i stand til at registrere registreringen af myokardiepotentialer og blyimpedans automatisk og kontinuerligt, men pacingtærsklen måtte måles manuelt på grund af den høje native puls. Hvis der kræves kontinuerlig pacing, anbefales hyppige vurderinger derfor for at forhindre tab af fangst.
Gutruf et al. har tidligere rapporteret om brugen af stærkt miniaturiserede, trådløse, batterifrie pacemakere i små dyremodeller7. Sammenlignet med deres undersøgelser repræsenterer implantationen af en pacemaker i menneskelig størrelse, der er beskrevet her, en anden tilgang, der giver mulighed for innovativ blytest, tæt oversættelse til klinisk forskning og bredere applikationer med almindeligt tilgængelige materialer. Zhou et al. præsenterede udviklingen af en miniature hjertepacemaker designet til at blive implanteret perkutant i fosterhjertet til behandling af atrioventrikulær blok. De rapporterede brugen af voksne kaninforsøg for at bekræfte gennemførligheden af en sådan enhed9. Andre har tidligere rapporteret fordelene ved kaninintubation til invasive procedurer. Baseret på vores erfaring har tilgangen til at opretholde spontan vejrtrækning med en oro-nasal maske flere fordele ved så korte procedurer, da det minimerer risikoen for komplikationer forårsaget af manipulation af luftvejene. Desuden kan tryklungeskader også forebygges.
Selv om undersøgelsesprotokollen blev udarbejdet omhyggeligt, og det samlede antal inkluderede dyr var tilstrækkeligt, skal der påpeges flere begrænsninger. Den lille størrelse af kaninens højre ventrikel tillod ikke flere blyplaceringer. Selvom vi forsøgte at teste placeringen af blyspidsen i højre ventrikeludstrømningskanal, har vi begrænset viden om dens stabilitet og forventer, at den er ret begrænset. Tempoimpedanstendensen viste et fald inden for den første uge efter førerplaceringen. Dette kan skyldes lokal betændelse og mild fibrose, men kort efter blev blyimpedansen genoprettet, og en tendens til stabilitet blev løbende opretholdt. Et enkeltkammer pacing system blev anvendt i denne undersøgelse. I fremtidige undersøgelser bør det også undersøges, om et par pacingledninger gennem den ensidige jugularvene kan fremmes. Selvom dette ikke blev testet i denne undersøgelse, mener vi, at et andet bly kunne introduceres og stabiliseres i højre atrium.
Generelt har dyremodeller af hjertepacing adskillige anvendelser inden for kardiovaskulær forskning. For det første fører pacing ved ikke-fysiologiske høje frekvenser over flere uger til takykardi-induceret kardiomyopati, som tidligere rapporteret, og giver mulighed for undersøgelse af patofysiologi og behandling af kronisk hjertesvigt 2,3,11,12. Endvidere kan forskning i raffinerede materialer og teknologier udnytte den præsenterede leporinemodel, som kunne foreslås til mellemfristede pacing-undersøgelser. Så vidt vi ved, er denne undersøgelse den første, der demonstrerer fordelene ved en så lille pattedyrmodel til komplekse hjertepacingforsøg21. Afslutningsvis kan et temposystem i menneskelig størrelse med den beskrevne metode med succes implanteres i små pattedyr på trods af vævets skrøbelighed og sarte anatomi. Efter træning er denne teknik let reproducerbar, og den danner grundlag for modeller af paced takykardi med brede anvendelser i kardiovaskulær forskning.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker taknemmeligt at anerkende råd og bistand fra Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková og Tereza Vavříková for deres inspiration, arbejde og tekniske support. Dette arbejde blev finansieret af MH CZ-DRO (NNH, 00023884), IG200501 tilskud.
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).
