Cardiomiopatia induzida por taquicardia como um modelo de insuficiência cardíaca crônica em suínos
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para produzir cardiomiopatia induzida por taquicardia em suínos. Este modelo representa uma forma potente para estudar a hemodinâmica da falha de coração crônica progressiva e os efeitos do tratamento aplicado.
Abstract
Um modelo estável e confiável de insuficiência cardíaca crônica é necessário muitas experiências para entender hemodinâmica ou para testar os efeitos dos novos métodos de tratamento. Aqui, apresentamos um modelo por cardiomiopatia induzida por taquicardia, que pode ser produzida por cardíaco rápido ritmo em suínos.
Uma única pista de estimulação é transvenously introduzido em suínos saudáveis totalmente anestesiados, ao ápice do ventrículo direito e fixado. Sua outra extremidade é então encapsulada dorsalmente à região paravertebral. Lá, ele é conectado a uma unidade de marcapasso do coração modificado internamente que então é implantada em uma bolsa subcutânea.
Depois de 4-8 semanas de estimulação ventricular rápida em taxas de 200 a 240 batimentos/min, o exame físico revelou sinais de grave insuficiência cardíaca – taquipneia, taquicardia sinusal espontânea e fadiga. Ecocardiografia e raio-x mostraram dilatação de câmaras cardíacas, derrames e disfunção sistólica grave. Esses achados correspondem bem à cardiomiopatia dilatada descompensada e conservam-se, também, após a cessação de estimulação.
Este modelo de cardiomiopatia induzida por taquicardia pode ser usado para estudar a fisiopatologia da progressiva insuficiência cardíaca crônica, especialmente alterações hemodinâmicas causadas por novas modalidades de tratamento como suporte circulatório mecânico. Esta metodologia é fácil de executar e os resultados são robustos e reprodutíveis.
Introduction
A variedade de novos métodos de tratamento para insuficiência cardíaca (HF), especialmente o uso mundial crescente de suporte circulatório mecânico e oxigenação de membrana extracorpórea (ECMO) na prática clínica, está refletindo em testes pré-clínicos. O foco principal tem sido na alterações hemodinâmicas causadas pelas modalidades de tratamento examinado, nomeadamente na pressão arterial sistêmica1, contratilidade miocárdica, pressão e mudanças de volume nas câmaras cardíacas e coração trabalho2,3, fluxo de sangue arterial sistêmica e periféricos artérias, juntamente com compensação metabólica4 – saturação do tecido regional, perfusão pulmonar e gasometria arterial. Destinam-se a outros estudos sobre os efeitos a longo prazo do suporte circulatório5, inflamação concomitante ou ocorrência de hemólise. Todos esses tipos de estudo precisam de um estável biomodel de HF congestiva.
A maioria das experiências publicadas sobre deixou o desempenho do ventrículo (LV) e hemodinâmica de suporte circulatório mecânico foram realizados em modelos experimentais de aguda HF2,6,7,8 , 9 , 10, ou até mesmo em corações completamente intactas. Por outro lado, na prática clínica, suporte circulatório mecânico é frequentemente sendo aplicado em um status de descompensação circulatória que se desenvolve por razões anteriormente presente doença crônica. Em tais situações, os mecanismos de adaptação estão totalmente desenvolvidos em pode desempenhar um papel importante na inconsistência dos resultados observados de acordo com a “acuidade ou cronicidade” subjacente doença cardíaca11. Portanto, um modelo estável de HF crônica pode oferecer novos insights sobre mecanismos fisiopatológicos e hemodinâmica. Embora existam razões por que o uso de modelos de HF crônicos é escasso – preparação demorada, instabilidade do ritmo cardíaco, questões éticas e taxa de mortalidade – suas vantagens são claras, como eles oferecem presença de longo prazo da ativação neurohumoral, adaptação geral sistêmica, alterações funcionais dos cardiomyocytes e alterações estruturais do coração músculo e válvulas12,13.
Em geral, a disponibilidade e a variedade de modelos animais utilizados para estudos hemodinâmicos é amplo e oferece a escolha para muitas necessidades específicas. Para estas experiências, principalmente de suínas, caninas, ovinos, ou com menor murino configurações modelos, estão sendo escolhidos e oferta uma boa simulação de reações corporais humanos esperados14. Além disso, formas de experimentos de único órgão estão se tornando mais frequentes15. Para imitar confiantemente a fisiopatologia do HF, circulação está sendo artificialmente deteriorada. Dano ao coração pode ser causado por vários métodos, muitas vezes por isquemia, arritmia, sobrecarga de pressão ou efeitos cardiotóxicos de drogas, com qualquer um destes, levando a deterioração hemodinâmica do modelo. Para produzir um verdadeiro modelo de crônica HF, tempo tem de ser fornecido para desenvolver a adaptação a longo prazo de todo o organismo. Tal modelo confiável e estável é representado bem por cardiomiopatia induzida por taquicardia (TIC), que pode ser produzida por cardíaco rápido ritmo em animais experimentais.
Ficou demonstrado que, em corações predispostas, taquiarritmias incessantes de longa duração podem levar à disfunção sistólica e dilatação com débito cardíaco reduzido. A condição referida como TIC foi primeiro descrito em 191316, amplamente utilizada em experimentos desde 196217e agora é um distúrbio bem reconhecido. Sua origem pode estar em vários tipos de arritmias – ambos supraventricular e taquicardia ventricular podem levar a deterioração progressiva da função sistólica e dilatação biventricular sinais clínicos progressivos de HF, incluindo ascite, edemas, letargia e finalmente cardíaca descompensação levando a HF terminal e, se não for tratada, morte.
Efeitos similares de supressão circulatório foram observados por introdução de alta taxa cardíacos andando em modelos animais. Em um modelo de suínos, batimento cardíaco batimentos atrial ou ventricular mais de 200 batimentos por minuto é potente o suficiente para induzir a HF estágio final de um período de 3-5 semanas (fase progressiva) com características de TIC, embora existem diferenças interindividuais18, 19. estes resultados correspondem bem a cardiomiopatia descompensada e está, importante, também preservado após a cessação de estimulação (fase crônica)19,20,21,22, 23.
Modelos TIC de ovinos, suínos ou caninos repetidamente foram preparados para estudar a fisiopatologia da HF14, como as alterações para o LV imitam as características da cardiomiopatia dilatada24. As características hemodinâmicas são bem descritas – aumentada ventriculares diastólica final pressões, cardíaca diminuição da saída, aumentaram da resistência vascular sistêmica e dilatação de ambos os ventrículos. Em contraste, hipertrofia da parede não é observada consistentemente e afinamento da parede mesmo foi descrito por alguns pesquisadores25,26. Com a progressão de dimensões ventriculares, regurgitação válvulas atrioventricular desenvolve26.
Nesta publicação, apresentamos um protocolo para produzir um tique pelo ritmo cardíaco rápido a longo prazo em suínos. Este biomodel representa potentes meios para estudar a cardiomiopatia dilatada descompensada, hemodinâmica de HF crônica progressiva com baixo débito cardíaco e os efeitos do tratamento aplicado.
Protocol
Representative Results
Discussion
HF crônica é um problema de saúde que contribui grandemente para a morbidade e mortalidade. A patogênese e progressão de HF em seres humanos é complexa, então um modelo animal apropriado é fundamental para investigar os mecanismos subjacentes e testar novela terapêutica que visam interferir na progressão da doença grave nativo. Para estudar a sua patogênese, modelos animais grandes estão sendo usados para o teste experimental.
Em geral, modelos cirúrgicos de HF crônica estreitam…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado por bolsas de investigação da Universidade Charles GA UK no. 538216 e GA UK n º 1114213.
Materials
| Medication | |||
| midazolam | Roche | Dormicum | anesthetic |
| ketamine hydrochloride | Richter Gedeon | Calypsol | anesthetic |
| propofol | B.Braun | Propofol | anesthetic |
| cefazolin | Medochemie | Azepo | antibiotic |
| Silver Aluminium Aerosol | Henry Schein | 9003273 | tincture |
| povidone iodine | Egis Praha | Betadine | disinfection |
| morphine | Biotika Bohemia | Morphin 1% inj | analgetic |
| Tools | |||
| Metzenbaum scissors, lancet with #22 blade, DeBakey forceps, needle driver | basic surgical equipment | ||
| cauterizer | |||
| 2-0 Vicryl | Ethicon | V323H | absorbable braided suture |
| 2-0 Perma-Hand Silk | Ethicon | A185H | silk tie suture |
| 2-0 Prolene | Ethicon | 8433H | non-absorbable suture |
| Diagnostic devices | |||
| ESP C-arm | GE Healthcare | ESP | X-ray fluoro C-arm |
| Acuson x300 | Siemens Healthcare | ultrasound system | |
| Acuson P5-1 | Siemens Healthcare | echocardiographic probe | |
| Acuson VF10-5 | Siemens Healthcare | sonographic vascular probe | |
| 3PSB, 4PSB and 6PSB | Transonic Systems | perivascular flow probes | |
| TS420 | Transonic Systems | perivascular flow module | |
| TruWave | Edwards Lifesciences | T001660A | fluid-filled pressure transducer |
| 7.0F VSL Pigtail | Transonic Systems | pressure sensor catheter | |
| INVOS 5100C Cerebral/Somatic Oximeter | Somanetics/Medtronic | near infrared spectroscopy | |
| CCO Combo Catheter | Edwards Lifesciences | 744F75 | Swan-Ganz pulmonary artery catheter |
| Vigillace II | Edwards Lifesciences | VIG2E | cardiac output monitor |
| 7.0F VSL Pigtail | Transonic Systems | pressure-volume catheter | |
| ADV500 | Transonic Systems | pressure-volume system | |
| LabChart and PowerLab | ADInstruments | data acquisition and analysis system | |
| Prism 6 | GraphPad | statistical analysis software | |
| Pacing devices | |||
| ICS 3000 | Biotronic | 349528 | pacemaker programmer |
| ERA 3000 | Biotronic | 128828 | external pacemaker |
| Effecta DR | Biotronic | 371199 | dual-chamber pacemaker |
| Tendril STS | St. Jude Medical | 2088TC/58 | ventricular pacing lead |
| Lead permanent adapter | Osypka | Article 53422 | convergent "Y" connecting part |
| Lead permanent adapter | Osypka | Article 53904 | convergent "Y" connecting part |
| Tear-Away Introducer 7F | B.Braun | 5210593 | tear away introducer sheath |
| Split Cath Tunneler | medComp | AST-L | tunneling tool |
| infusion line | MPH Medical Devices | 2200045 | connecting line |
References
- Ostadal, P., et al. Direct comparison of percutaneous circulatory support systems in specific hemodynamic conditions in a porcine model. Circ Arrhythm Electrophysiol. 5 (6), 1202-1206 (2012).
- Ostadal, P., et al. Increasing venoarterial extracorporeal membrane oxygenation flow negatively affects left ventricular performance in a porcine model of cardiogenic shock. J Transl Med. 13, 266 (2015).
- Shen, I., et al. Left ventricular dysfunction during extracorporeal membrane oxygenation in a hypoxemic swine model. Ann Thorac Surg. 71 (3), 868-871 (2001).
- Hala, P., et al. Regional tissue oximetry reflects changes in arterial flow in porcine chronic heart failure treated with venoarterial extracorporeal membrane oxygenation. Physiol Res. 65 (Supplementum 5), S621-S631 (2016).
- Church, J. T., et al. Normothermic Ex-Vivo Heart Perfusion: Effects of Live Animal Blood and Plasma Cross-Circulation. ASAIO J. , (2017).
- Bavaria, J. E., et al. Changes in left ventricular systolic wall stress during biventricular circulatory assistance. Ann Thorac Surg. 45 (5), 526-532 (1988).
- Shen, I., et al. Effect of extracorporeal membrane oxygenation on left ventricular function of swine. Ann Thorac Surg. 71 (3), 862-867 (2001).
- Ostadal, P., et al. Novel porcine model of acute severe cardiogenic shock developed by upper-body hypoxia. Physiol Res. 65 (4), 711-715 (2016).
- Ostadal, P., et al. Noninvasive assessment of hemodynamic variables using near-infrared spectroscopy in patients experiencing cardiogenic shock and individuals undergoing venoarterial extracorporeal membrane oxygenation. J Crit Care. 29 (4), e611-e695 (2014).
- Mlcek, M., et al. Hemodynamic and metabolic parameters during prolonged cardiac arrest and reperfusion by extracorporeal circulation. Physiol Res. 61 (Suppl 2), S57-S65 (2012).
- Tarzia, V., et al. Extracorporeal life support in cardiogenic shock: Impact of acute versus chronic etiology on outcome. J Thorac Cardiovasc Surg. 150 (2), 333-340 (2015).
- Howard, R. J., Stopps, T. P., Moe, G. W., Gotlieb, A., Armstrong, P. W. Recovery from heart failure: structural and functional analysis in a canine model. Can J Physiol Pharmacol. 66 (12), 1505-1512 (1988).
- Moe, G. W., Armstrong, P. Pacing-induced heart failure: a model to study the mechanism of disease progression and novel therapy in heart failure. Cardiovasc Res. 42 (3), 591-599 (1999).
- Power, J. M., Tonkin, A. M. Large animal models of heart failure. Aust N Z J Med. 29 (3), 395-402 (1999).
- Trahanas, J. M., et al. Achieving 12 Hour Normothermic Ex Situ Heart Perfusion: An Experience of 40 Porcine Hearts. ASAIO J. 62 (4), 470-476 (2016).
- Gossage, A. M., Braxton Hicks, J. A. On auricular fibrillation. Quarterly Journal of Medicine. 6, 435-440 (1913).
- 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 (1), 39-40 (1962).
- Spinale, F. G., Grine, R. C., Tempel, G. E., Crawford, F. A., Zile, M. R. Alterations in the myocardial capillary vasculature accompany tachycardia-induced cardiomyopathy. Basic Res Cardiol. 87 (1), 65-79 (1992).
- Shinbane, J. S., et al. Tachycardia-induced cardiomyopathy: a review of animal models and clinical studies. J Am Coll Cardiol. 29 (4), 709-715 (1997).
- Moe, G. W., Stopps, T. P., Howard, R. J., Armstrong, P. W. Early recovery from heart failure: insights into the pathogenesis of experimental chronic pacing-induced heart failure. J Lab Clin Med. 112 (4), 426-432 (1988).
- Takagaki, M., et al. Induction and maintenance of an experimental model of severe cardiomyopathy with a novel protocol of rapid ventricular pacing. J Thorac Cardiovasc Surg. 123 (3), 544-549 (2002).
- Tomita, M., Spinale, F. G., Crawford, F. A., Zile, M. R. Changes in left ventricular volume, mass, and function during the development and regression of supraventricular tachycardia-induced cardiomyopathy. Disparity between recovery of systolic versus diastolic function. Circulation. 83 (2), 635-644 (1991).
- Schmitto, J. D., et al. Large animal models of chronic heart failure (CHF). J Surg Res. 166 (1), 131-137 (2011).
- Spinale, F. G., et al. Chronic supraventricular tachycardia causes ventricular dysfunction and subendocardial injury in swine. Am J Physiol. 259 (1 Pt 2), H218-H229 (1990).
- Chow, E., Woodard, J. C., Farrar, D. J. Rapid ventricular pacing in pigs: an experimental model of congestive heart failure. Am J Physiol. 258 (5 Pt 2), H1603-H1605 (1990).
- Howard, R. J., Moe, G. W., Armstrong, P. W. Sequential echocardiographic-Doppler assessment of left ventricular remodelling and mitral regurgitation during evolving experimental heart failure. Cardiovasc Res. 25 (6), 468-474 (1991).
- Roberts, F., Freshwater-Turner, D. Pharmacokinetics and anaesthesia. Contin Educ Anaesth Crit Care Pain. 7 (1), 25-29 (2007).
- Carter, B. S., Farrell, C., Owen, C. Microsurgical clip obliteration of middle cerebral aneurysm using intraoperative flow assessment. J Vis Exp. (31), (2009).
- Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications. J Biomed Opt. 12 (6), 062104 (2007).
- Mateu Campos, M. L., et al. Techniques available for hemodynamic monitoring. Advantages and limitations. Med Intensiva. 36 (6), 434-444 (2012).
- Baan, J., et al. Continuous measurement of left ventricular volume in animals and humans by conductance catheter. Circulation. 70 (5), 812-823 (1984).
- Ellenbroek, G. H., et al. Primary Outcome Assessment in a Pig Model of Acute Myocardial Infarction. J Vis Exp. (116), (2016).
- Townsend, D. Measuring Pressure Volume Loops in the Mouse. J Vis Exp. (111), (2016).
- van Hout, G. P., et al. Admittance-based pressure-volume loops versus gold standard cardiac magnetic resonance imaging in a porcine model of myocardial infarction. Physiol Rep. 2 (4), e00287 (2014).
- Kass, D. A., et al. Comparative influence of load versus inotropic states on indexes of ventricular contractility: experimental and theoretical analysis based on pressure-volume relationships. Circulation. 76 (6), 1422-1436 (1987).
- Glower, D. D., et al. Linearity of the Frank-Starling relationship in the intact heart: the concept of preload recruitable stroke work. Circulation. 71 (5), 994-1009 (1985).
- Hendrick, D. A., Smith, A. C., Kratz, J. M., Crawford, F. A., Spinale, F. G. The pig as a model of tachycardia and dilated cardiomyopathy. Lab Anim Sci. 40 (5), 495-501 (1990).
- Wyler, F., et al. The Gottinger minipig as a laboratory animal. 5. Communication: cardiac output, its regional distribution and organ blood flow (author’s transl). Res Exp Med (Berl). 175 (1), 31-36 (1979).
- Cruz, F. E., et al. Reversibility of tachycardia-induced cardiomyopathy after cure of incessant supraventricular tachycardia. J Am Coll Cardiol. 16 (3), 739-744 (1990).
- Umana, E., Solares, C. A., Alpert, M. A. Tachycardia-induced cardiomyopathy. Am J Med. 114 (1), 51-55 (2003).
- Dixon, J. A., Spinale, F. G. Large animal models of heart failure: a critical link in the translation of basic science to clinical practice. Circ Heart Fail. 2 (3), 262-271 (2009).
- Xanthos, T., et al. Baseline hemodynamics in anesthetized landrace-large white swine: reference values for research in cardiac arrest and cardiopulmonary resuscitation models. J Am Assoc Lab Anim Sci. 46 (5), 21-25 (2007).
- Little, W. C. Diastolic dysfunction beyond distensibility: adverse effects of ventricular dilatation. Circulation. 112 (19), 2888-2890 (2005).
- Montgomery, C., Hamilton, N., Ianuzzo, C. D. Effects of different rates of cardiac pacing on rat myocardial energy status. Mol Cell Biochem. 102 (2), 95-100 (1991).
- Qin, F., Shite, J., Mao, W., Liang, C. S. Selegiline attenuates cardiac oxidative stress and apoptosis in heart failure: association with improvement of cardiac function. Eur J Pharmacol. 461 (2-3), 149-158 (2003).
