Det overordnede mål med den aktuelle undersøgelse er at præsentere de teknikker til induktion af myokardie infarkt (MI) og post-myokardie infarkt hjertesvigt (post-MI HF) i lukket bryst, voksen Göttingen minipigs og karakterisering af post-MI HF model i Göttingen minipigs i forhold til Landrace svin.
Udviklingen af hjertesvigt er den mest magtfulde prædiktor for langtidsdødelighed hos patienter, der overlever akut myokardieinfarkt (MI). Der er et uopfyldt klinisk behov for forebyggelse og behandling af post-myokardie infarkt hjertesvigt (post-MI HF). Klinisk relevante svinemodeller af post-MI HF er forudsætninger for endelige proof-of-concept-undersøgelser, før de indgår i kliniske forsøg med udvikling af lægemidler og medicinsk udstyr.
Her havde vi til formål at karakterisere en lukket brystporcin model af post-MI HF hos voksne Göttingen minipigs med langsigtet opfølgning, herunder seriel hjerte magnetisk resonans imaging (CMRI) og at sammenligne det med den almindeligt anvendte Landrace gris model.
MI blev induceret af intraluminal ballon okklusion af venstre forreste faldende kranspulsåren i 120 min i Göttingen minipigs og i 90 min i Landrace svin, efterfulgt af reperfusion. CMRI blev udført for at vurdere hjertemorfologi og funktion ved baseline i begge racer og efter 3 og 6 måneder i Göttingen minipigs og efter 2 måneder i henholdsvis Landrace grise.
Arstørrelserne var sammenlignelige i de to racer, men MI resulterede i et betydeligt fald i venstre ventrikulær udslyngningsfraktion (LVEF) kun i Göttingen minipigs, mens Landrace grise ikke viste en reduktion af LVEF. Højre ventrikulær (RV) udslyngning fraktion steget i begge racer på trods af ubetydelige RV ar størrelser. I modsætning til den betydelige stigning i venstre ventrikulær end-diastolisk (LVED) masse i Landrace svin på 2 måneder, Göttingen minipigs viste en lille stigning i LVED masse kun på 6 måneder.
Sammenfattende er dette den første karakteristik af post-MI HF i Göttingen minipigs i forhold til Landrace grise, der viser, at Göttingen minipig model afspejler post-MI HF parametre kan sammenlignes med den menneskelige patologi. Vi konkluderer, at Göttingen minipig-modellen er bedre end Landrace-svinemodellen for at studere udviklingen af post-MI HF.
På trods af den faldende dødelighed af akut myokardie infarkt (MI), forekomsten af post-myokardie infarkt hjertesvigt (post-MI HF) har ikke ændret sig over tid1. Hjertesvigt (HF) er en af de mest kraftfulde dødsårsager hos MI-patienter2. Til dato er reperfusionsbehandling den eneste tilgængelige behandlingsmulighed for at begrænse myokardie infarkt størrelse og reducere risikoen for en efterfølgende HF3,4,5. HF og andre komplikationer kan opstå som følge af reperfusionsskader derfor er der stadig et uopfyldt behov for udvikling af kardiobeskyttende behandlinger ud over rettidig reperfusion6,7,8. Talrige hjertebeskyttende behandlinger effektiv selv i store dyremodeller er blevet beskrevet, men kun fjerntliggende iskæmisk konditionering (RIC) syntes at forbedre kliniske resultater af post-MI HF i et lille klinisk forsøg9. Dette opmuntrende resultat af RIC’s effektivitet blev imidlertid sat spørgsmålstegn ved et enkeltblindt, randomiseret kontrolleret forsøg (CONDI-2/ERIC-PPCI), der blev udført på 33 centre i hele Europa hos STEMI-patienter, hvor RIC undlod at forbedre kliniske resultater10. Potentielle årsager til den mislykkede oversættelse af de prækliniske data kan være brugen af suboptimale dyremodeller efter MI HF med lav klinisk relevans11.
Kardiovaskulær (pato)morfologi og (pato)fysiologi af svinemodellerne ligner menneskelige forhold; Således er det meget udbredt og accepteret i translationel hjerte-kar-forskning12,13,14. Svineracer, der anvendes i kardiovaskulær forskning, tilhører de meget forskellige tamsvin (Sus scrofa domestica) arter, der omfatter svin, der varierer i størrelse, udseende og genetisk baggrund15,16. Selv om post-MI HF er blevet forsket i svin i vid udstrækning, blev der ikke offentliggjort nogen undersøgelse med det formål at karakterisere og sammenligne effekten af MI på resultatet af post-MI HF i Landrace svin og Göttingen minipigs. Den intensive vækstrate for Landrace-grise kan påvirke de hjertemorfofunktionelle resultater; Göttingen-minipigs med begrænsede vækstmønstre kan dog overvinde disse bekymringer og kan tjene som en realistisk model for langsigtet opfølgning i vurderingen af post-MI HF. Desuden anbefales det i en retningslinje om relevansen af stringens og reproducerbarhed i prækliniske undersøgelser af kardiobeskyttelse, at der anvendes magnetisk resonansbilleddannelse (CMRI) som en klinisk relevant model til måling af ventrikulær funktion hos svin12.
For at analysere den videnskabelige interesse for post-MI HF hos svin udførte vi litteratursøgning på PubMed ved hjælp af følgende søgestreng: “(svin ELLER svin ELLER svin ELLER sus-scrofa ELLER minipig OR mini-gris OR miniature-gris ELLER miniature-svin ELLER miniature-svin ) OG (infarkt* ELLER iskæmisk* ELLER ischaem* ELLER reperfus*) OG (hjerte ELLER cardi* ELLER myocard*) OG (LAD OR venstre-forreste* ELLER LCX ELLER venstre-circumflex ELLER RCA) OG (hjertesvigt OR lvef OR udslyngning-fraktion ELLER infarkt-størrelse ELLER infarkt-størrelse)” og fandt, at svin modeller af hjerteiskæmi / reperfusion ofte bruges til at studere MI og post -MI HF, men kun 17% (71 ud af 425 artikler) af undersøgelserne omfattede minipigs og 7% (30 ud af 425 artikler) brugte Göttingen minipigs. Kun ca. 1% (5 ud af 425) af undersøgelserne anvendte Göttingen minipigs og klinisk relevante protokoller med langsigtet opfølgning (1-9 måneders reperfusion) og CMRI til at analysere hjertefunktion. Det lille antal klinisk relevante undersøgelser fremhæver den translationelle kløft mellem grundforskning og kliniske forsøg. Derfor kræves en omfattende karakterisering af de lukkede bryst efter MI HF-modeller i Göttingen minipigs og Landrace grise med gentagen vurdering af venstre og højre ventrikelfunktion og anatomi ved hjælp af CMRI under langvarig opfølgning. Her sigtede vi mod at fokusere på den tekniske gennemførlighed og kliniske relevans af to post-MI HF-modeller til at beskrive standardiserede og reproducerbare eksperimentelle protokoller for post-MI HF-undersøgelser, der kan bruges til at vurdere kardiobeskyttende lægemiddel- og / eller medicinsk udstyrsbehandlinger.
Nærværende undersøgelse er den første i litteraturen, der karakteriserer en klinisk relevant model af post-MI HF ved hjælp af voksne Göttingen minipigs og til at sammenligne morfologiske og hjerte venstre og højre ventrikulær funktionelle parametre med de unge Landrace grise.
Her beskrev vi en detaljeret protokol, der fremhævede de kritiske trin i en teknik til induktion af akut MI og evaluering af post-MI HF i en lukket brystmodel af voksne Göttingen minipigs. Vi beskrev også metoden til intrakoronær lægemiddeladministration, BARI-scoring og rapporterede venstre og højre ventrikulære hjertemorfofunktionelle ændringer i en translationel post-MI HF-model. Dette er den første karakteristik af post-MI HF i Göttingen minipigs i forhold til Landrace grise, der viser, at Göttingen minipig model afspejler post-MI HF parametre kan sammenlignes med mennesker. Vi konkluderer, at Göttingen minipig-modellen er bedre end Landrace-grisen til at følge op på udviklingen af post-MI HF. Klinisk relevante svinemodeller af post-MI HF er forudsætninger for endelige proof-of-concept-undersøgelser, før de går ind i kliniske forsøg i de fleste af de kardiovaskulære lægemidler og medicinsk udstyr udviklingsprojekter6,7,12. Faktisk ligner svinemodeller mennesker i anatomi, fysiologi og biokemiske egenskaber, især inden for MI-forskning, da de udvikler trans-vægmaleri infarkter på grund af manglende sikkerhedsstillelse perfusion14. Derfor kan svinemodeller tjene som modeller til analyse af kardiobeskyttende terapier og deres mekanismer24,25,26,27,28,29.
Her har vi konstateret, at på trods af de lige ar størrelser, dødelighed, og BARI score i de to racer, venstre ventrikulær dysfunktion karakteriseret ved nedsat LVEF blev observeret kun i Göttingen minipigs. Her observerede vi en 15,4% akut dødelighed i Göttingen minipigs og ingen dødelighed i opfølgningsperioden, sidstnævnte kan sammenlignes med i kliniske undersøgelser. Faktisk fandt en metaanalyse på patientniveau af 10 randomiserede kliniske forsøg, at Kaplan-Meier anslog, at 1 års dødelighed af alle årsager var så lav som 2,2% efter myokardieinfarkt30. Arstørrelser rapporteret her kan sammenlignes med dem i kliniske forsøg. I kliniske forsøg udført af Lonborg et al. og Stone et al hos patienter, der overlevede ST-elevation myokardieinfarkt, var median arstørrelserne, målt i % af venstre ventrikulær myokardiemasse, henholdsvis 9,5% og 17,9%30,31. Desuden er arstørrelserne i denne undersøgelse i overensstemmelse med dem, der er rapporteret i tidligere publikationer i Göttingen minipigs (12-25%)32,33,34,35,36,37 og i Landrace svin (14-18%)38,39,40. Denne konstatering af baseline LVEF hos landracesvin er ifølge data indberettet af andre hos store svin13,41,42. Disse værdier hos store svin er mindre sammenlignet med sunde LVEF-referenceintervaller for mennesker (58-61 %)43 og basisværdier (før infarkt) i Göttingen minipigs (55-73%)33,44,45. Ikke desto mindre er det værd at bemærke, at kun post-infarkt data eller delta ændringer af LVEF er rapporteret i de fleste publikationer46,47,48,49,50. I overensstemmelse med disse resultater har tidligere undersøgelser af enten post-MI HF fremkaldt af 45 til 90 min LAD okklusion efterfulgt af reperfusion eller permanent LAD okklusion vist enten ingen reduktion eller beskeden reduktion af LVEF i Landrace eller Yorkshire svin efter 4-6 ugers opfølgning i forhold til baseline (pre-infarction) LVEF51,52,53. Schuleri et al. sammenlignede imidlertid morfofunktionelle parametre mellem Göttingen minipigs og Yorkshire svin og fandt, at begge racer viste et fald på LVEF 8 uger efter induktion af MI med 120 til 150 min LAD okklusion-reperfusion; der blev dog ikke indberettet baseline-LVEF-værdier for54. I andre forsøg med kvindelige Dalland Landrace grise post-MI negative remodeling blev induceret af 90 min LAD okklusion, men LVEF blev ikke rapporteret efter 4 ugers opfølgning55. I modsætning til vores resultater, i en undersøgelse foretaget af de Jong et al., LVEF markant faldt i Landrace svin udsat for åben bryst LAD okklusion og efterfulgt af en 12-ugers opfølgning56. Denne forskel kan tilskrives en betydeligt længere iskæmisk periode (150 min),hvilket resulterede i større infarkt størrelse (23,4 ± 2,1% af LV). Andre steder førte 120-min lukket bryst okklusion af venstre circumflex (LCX) koronararterie i tyske Landrace grise til en betydelig reduktion i LVEF efter otte ugers reperfusion, hvilket tyder på, at den forskellige placering af MI også kan påvirke den globale venstre ventrikelfunktion.57. Vores nuværende resultater er i overensstemmelse med andre, der viser en betydelig reduktion i LVEF i post-MI HF i Göttingen minipigs efter langsigtet opfølgning33,44,45.
Reduktionen af LVEF i Göttingen minipigs efter MI er i overensstemmelse med kliniske data, der viser hjertedysfunktion som følge af ventricular remodeling hos patienter efter AMI58. Afslutningsvis efterligner Göttingen minipigs bedre de menneskelige forhold, da før-infarkt LVEF, arstørrelse, post-infarkt LVEF og dødelighed alle kan sammenlignes med disse parametre, der findes hos mennesker.
Her observerede vi en 8% stigning i LVED masse efter seks måneder i Göttingen minipigs og en markant højere (97%) stigning i LVED masser i Landrace svin efter to måneder. Lignende data blev indberettet af Schuleri et al. hos Yorkshire-svin, hvor der blev observeret en stigning i hjertevægten på 40 % efter to måneder. I modsætning hertil blev der i andre forsøg med lukket bryst efter MI HF i Göttingen minipigs ikke observeret signifikante ændringer i venstre ventrikelmasse33,44. Derfor kan forskelle mellem de to racer med hensyn til LVEF tilskrives en intensiv hjertevækstrate hos Landrace-grise og dermed ændret hjerteombygning.
I kliniske miljøer, ud over LVEF, venstre ventrikel volumen giver værdifuld indsigt i langsigtede prognose og dødelighed i post-MI patienter59. LVESV er den primære determinant for både tidlig og sen dødelighed hos patienter efter AMI60,61. Her har vi vist, at ventrikulær volumen vurderet af CMRI steg betydeligt i begge racer. Remodellering efter MI medførte en mere udtalt stigning i LVESV end i LVEDV i Göttingen minipigs, mens både LVESV og LVEDV blev forøget med en tilsvarende hastighed hos Landrace-svin. Derfor blev venstre ventrikulær udslyngningsfraktion (LVEF) kun reduceret betydeligt med 3 og 6 måneder i Göttingen minipigs, men ikke hos Landrace-svin efter 2 måneder. Disse resultater skal fortolkes med forsigtighed hos Landrace-svin, hvor øget LVESV, LVEDV og LVSV (beregnet som forskellen mellem LVESV og LVEDV) er mere sandsynlige i forbindelse med en intensiv stigning i hjertemassen. Øget LVESV og LVEDV er i overensstemmelse med kliniske data fra patienter med post-MIHF 62,63,64. Desuden blev negativ venstre ventrikulær ombygning defineret som en stigning på 15% eller mere i LVEDV i kliniske undersøgelser65,66 og vi fandt her en 28% stigning efter 3 måneder og en 42% stigning efter 6 måneder i LVEDV i Göttingen minipigs viser en klinisk relevant negativ remodeling. Derudover har vi her vist, at LAVi kun steg i Göttingen minipigs, men ikke i Landrace grise. Stigning i venstre atrievolumen er en yderligere vigtig strukturel ændring i forbindelse med HF og er en uafhængig forudsigelse af død og HF-indlæggelse hos patienter, der overlever MI67.
Højre ventrikulær funktion studeres sjældent i post-MI HF-modeller. Her har vi konstateret, at højre ventrikel udslyngning fraktion steget i begge racer. Selv om RV var næsten ikke involveret i myokardie nekrose, RVEF steg betydeligt i begge racer angiver RV volumen overbelastning og dermed venstre ventrikel dysfunktion. På samme måde viste en klinisk undersøgelse, der omfattede 2008 patienter med kronisk systolisk HF, at 733 patienter (37 %) tilhørte normal højre ventrikulær funktionskategori med RVEF≥40%68.
Afslutningsvis har vi vist her, at den voksne Göttingen minipig model med langsigtet opfølgning efterligner funktionelle og morfologiske parametre af post-MI HF kan sammenlignes med mennesker. Vores nuværende data viser også, at Landrace grise ikke er egnede til evaluering af post-MI HF hovedsageligt på grund af konsekvenserne af den hurtige stigning i krops- og hjertevægt, der ikke tillader langsigtet opfølgning og forstyrrer post-MI HF patologi. Landrace grise kan være egnet til at vurdere konsekvenserne af akut myokardie infarkt. Den nuværende omfattende karakterisering af de lukkede brystinfarktmodeller i Landrace og Göttingen minipigs vil være nyttig til at vælge de optimale store dyremodeller til at studere post-MI HF og udvikle nye terapier mod denne patologi.
Begrænsninger
Det nuværende eksperiment blev kun udført hos kvindelige grise, derfor forbliver den potentielle virkning af de forskellige køn på post-MI HF ukendt i disse modeller69. Tegn på HF blev vurderet af CMRI ifølge anbefalinger fra en nylig retningslinje om relevansen af stringens og reproducerbarhed i prækliniske undersøgelser af kardiobeskyttelse12. Men brugen af mere målrettet angulation af CMRI billedbehandling fly og mere målrettet sekvens kan resultere i bedre vurdering af venstre atrievolumener, og lungeødem. Selv om vi ikke har målt biomarkører og histologiske tegn på post-MI HF i denne undersøgelse, er disse modeller velegnede til analyse af biomarkører siden tilgængeligheden af plasma- og vævsprøver. På grund af de 2 racers forskellige modtagelighed for iskæmi /reperfusionsskade blev der valgt forskellige varigheder af koronar okklusioner her, som dog kan begrænse sammenligningen af de 2 modeller, men ved denne tilgang opnåede vi lignende infarkt størrelse. Opfølgningstiden i de 2 racer var anderledes, da der i Landrace-grisene kun kan opnås 2 måneders opfølgningstid af tekniske årsager, dvs. hurtig stigning i kropsvægt, der viser en stor begrænsning af Landrace-modellen. En yderligere begrænsning er manglen på forskellige risikofaktorer og comorbiditeter, og derfor efterligner de nuværende store dyremodeller ikke fuldstændigt den kliniske situation med hensyn til tilstedeværelsen af flere risikofaktorer, herunder co-morbiditeter og deres medicin. Men i øjeblikket er der ingen etablerede store dyremodeller med flere comorbiditeter til rutinemæssig brug. Disse store dyremodeller kan ikke drives til dødelighedsanalyse på grund af dyreetiske årsager og de høje omkostninger ved disse undersøgelser.
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev finansieret af Quark Pharmaceuticals Inc, hvor S.A. og E.F. er medarbejdere. Denne undersøgelse blev også støttet af Ungarns nationale forsknings-, udviklings- og innovationskontor (NKFIA; NVKP-16-1-2016-0017 National Heart Program) og af Det Institutionelle Excellenceprogram for videregående uddannelse under Ministeriet for Menneskelig Kapacitet i Ungarn inden for rammerne af Semmelweis-universitetets tematiske program for terapeutisk udvikling. GB.B. blev støttet af EFOP-3.6.3-VEKOP-16-2017-00009 og Gedeon Richter Plc. Scholarship. Z.G. blev støttet af et János Bolyai Research Scholarships fra det ungarske videnskabsakademi og af ÚNKP-19-4 New National Excellence Program fra Ministeriet for Menneskelig Kapacitet.
Special Diet Services pig chow | SDS, Witham, England, Hungarian distributor: Akronom Kft. | ||
maintenance minipig diet | no. 9023, Altromin | ||
pregnant sow chow | Bonafarm-Bábolna Takarmány Plc | ||
ketamine hydrochloride | Richter Pharma AG | ||
xylazine | Medicus Partner | ||
atropine | Egis | ||
endotracheal tube | Portex | ||
isoflurane | Abbot | ||
anesthetic machine | Dräger Julian | ||
18 G needle | Anhul Kangda Medical Products Co. Ltd. | ||
5% glucose in Ringer solution | B Braun | ||
atracurium besylate | GSK | ||
cardiac magnetic resonance machine | Siemens Healthineers Medical GmbH | ||
acetyl salicylic acid | Bayer | ||
clopidogrel | Zentiva | ||
meloxicam (meloxidyl) | Ceva | ||
antibiotic coctail (tardomyocel) comp III. | Norbrook | ||
ear vein cannula | B Braun Melsungen AG | ||
magnesium sulfate | Wörwag Pharma GmbH | ||
povidone-iodine | Egis | ||
ECG electrodes | Leonhard Lang GmbH | ||
6F-ACT introducer | St Jude Medical | ||
heparin | TEVA | ||
arterial pressure sensor and monitoring system | GE Healthcare | ||
guidewire | PT2MS Boston Scientific | ||
5F guiding catheter | Medtronic Launcher, 5F | ||
fluoroscope, C-bow | Siemens Medical GmbH | ||
Iobitridol (Xenetix) | Guerbet | ||
balloon catheter | Boston Scientific, EMERGE, 2.5mm x 12mm | ||
heating device | 3M | ||
rectal probe | Vatner Kft | ||
pulse oxymeter | Comen medical | ||
epinephrine | Richter Gedeon Rt. | ||
lidocaine | EGIS | ||
microcatheter | Caravel ASAHI | ||
defibrillator | GE Marquette Responder 1100 | ||
perfusion pump | TSE system | ||
antiseptic coating | Friedrich Huber aeronova GmbH&Co | ||
gadobutrol | Bayer | ||
MASS 7.6 analysis software | Medis Medical Imaging Software, Leiden |