En stimuleringskontrollerad procedur för bedömning av hjärtfrekvensberoende diastoliska funktioner i mushjärtsviktsmodeller
Summary
Det aktuella protokollet beskriver erhållande av tryck-volymförhållandet genom transesofageal stimulering, vilket fungerar som ett värdefullt verktyg för att utvärdera diastolisk funktion i musmodeller av hjärtsvikt.
Abstract
Hjärtsvikt med bevarad ejektionsfraktion (HFpEF) är ett tillstånd som kännetecknas av diastolisk dysfunktion och träningsintolerans. Medan ansträngningsstressade hemodynamiska tester eller MRT kan användas för att upptäcka diastolisk dysfunktion och diagnostisera HFpEF hos människor, är sådana modaliteter begränsade i grundforskning med hjälp av musmodeller. Ett löpbandsträningstest används ofta för detta ändamål hos möss, men dess resultat kan påverkas av kroppsvikt, skelettmuskelstyrka och mentalt tillstånd. Här beskriver vi ett protokoll för förmakstimulering för att upptäcka hjärtfrekvensberoende förändringar i diastolisk prestanda och validera dess användbarhet i en musmodell av HFpEF. Metoden innebär att man bedövar, intuberar och utför tryck-volym-loopanalys (PV) i samband med förmaksstimulering. I detta arbete sattes en konduktanskateter in via en vänsterkammarapikal metod och en förmakskateter placerades i matstrupen. PV-slingor samlades in vid baslinjen innan HR bromsades med ivabradin. PV-slingor samlades in och analyserades i HR-steg från 400 slag per minut till 700 slag per minut via förmaksstimulering. Med hjälp av detta protokoll visade vi tydligt HR-beroende diastolisk funktionsnedsättning i en metaboliskt inducerad HFpEF-modell. Både relaxationstidskonstanten (Tau) och det slutdiastoliska tryck-volymförhållandet (EDPVR) försämrades när pulsen ökade jämfört med kontrollmöss. Sammanfattningsvis är detta förmaksstimuleringskontrollerade protokoll användbart för att upptäcka HR-beroende hjärtdysfunktioner. Det ger ett nytt sätt att studera de underliggande mekanismerna för diastolisk dysfunktion i HFpEF-musmodeller och kan hjälpa till att utveckla nya behandlingar för detta tillstånd.
Introduction
Hjärtsvikt är en av de främsta orsakerna till sjukhusinläggning och dödsfall över hela världen, och hjärtsvikt med bevarad ejektionsfraktion (HFpEF) står för cirka 50 % av alla hjärtsviktsdiagnoser. HFpEF karakteriseras av diastolisk dysfunktion och nedsatt träningstolerans, och de associerade hemodynamiska abnormiteterna, såsom diastolisk dysfunktion, kan tydligt upptäckas genom ansträngningsstressad hemodynamisk testning eller MRT-skanningar 1,2.
I experimentella modeller är dock tillgängliga metoder för att bedöma fysiologiska abnormiteter relaterade till HFpEF begränsade 3,4. Löpbandsträningstestning (TMT) används för att bestämma körtid och distans, vilket kan återspegla träningsstress hjärthemodynamik; Denna metod är dock känslig för störningar från främmande variabler som kroppsvikt, skelettmuskelstyrka och mental status.
För att kringgå dessa begränsningar har vi utarbetat ett protokoll för förmaksstimulering som upptäcker subtila men avgörande förändringar i diastolisk prestanda baserat på hjärtfrekvensen (HR) och har validerat dess användbarhet i en musmodell av HFpEF5. Flera fysiologiska faktorer bidrar till träningsrelaterad hjärtfunktion, inklusive den sympatiska nerven och katekolaminsvaret, perifer vasodilatation, endotelresponsen och hjärtfrekvensen6. Bland dessa är dock HR-tryckförhållandet (även kallat Bowditch-effekten) känt som en kritisk determinant för hjärtats fysiologiska egenskaper 7,8,9.
Protokollet innebär att man utför en konventionell tryck-volymanalys vid baslinjen för att bedöma den systoliska och diastoliska funktionen, inklusive parametrar som tryckutvecklingshastigheten (dp/dt), det slutsystoliska tryck-volymförhållandet (ESPVR) och det slutdiastoliska tryck-volymförhållandet (EDPVR). Det bör dock noteras att dessa parametrar påverkas av HR, som kan variera mellan djur på grund av skillnader i deras inneboende hjärtfrekvens. Dessutom bör effekterna av anestesi på HR också beaktas. För att ta itu med detta standardiserades HR genom att ge förmaksstimulering samtidigt med ivabradin, och mätningar av hjärtparametrar utfördes vid inkrementell hjärtfrekvens. Noterbart är att det HR-beroende hjärtsvaret skilde HFpEF-möss från möss i kontrollgruppen, medan inga signifikanta skillnader observerades i PV-loopmätningarna vid baslinjen (med hjälp av den inneboende hjärtfrekvensen)5.
Även om detta pacingprotokoll kan verka relativt komplicerat, överstiger dess framgångsfrekvens 90 % när det är väl förstått. Detta protokoll skulle vara ett användbart sätt att studera de underliggande mekanismerna för diastolisk dysfunktion i HFpEF-musmodeller och hjälpa till med utvecklingen av nya behandlingar för detta tillstånd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi presenterar en metod för att bedöma tryck-volym-samband med tillämpning av transesofageal stimulering. Träningsintolerans är en av de viktigaste egenskaperna hos HFpEF, men det finns inga tekniker tillgängliga för utvärdering av hjärtfunktionen hos möss under träning. Vårt stimuleringsprotokoll erbjuder ett värdefullt verktyg för att upptäcka diastolisk dysfunktion, som kanske inte är uppenbar under viloförhållanden.
För att uppnå en PV-slinga av exakt och jämn kvalitet…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av forskningsanslag från Fukuda Foundation for Medical Technology (till E.T. och G.N.) och JSPS KAKENHI Scientific Research Grant-in-Aid 21K08047 (till E.T.).
Materials
| 2-0 silk suture, sterlie | Alfresa Pharma Corporation, Osaka, Japan | 62-9965-57 | Surgical Supplies |
| 2-Fr tetrapolar electrode catheter | Fukuda Denshi, Japan and UNIQUE MEDICAL, Japan | custom-made | Surgical Supplies |
| Albumin Bovine Serum | Nacalai Tesque, Inc., Kyoto, Japan | 01859-47 | Miscellaneous |
| C57/BI6J mouse | Jackson Laboratory | animals | |
| Conductance catheter | Millar Instruments, Houston, TX | PVR 1035 | |
| Electrical cautery, Electrocautery Knife Kit | ellman-Japan,Osaka, Japan | 1-1861-21 | Surgical Supplies |
| Etomidate | Tokyo Chemical Industory Co., Ltd., Tokyo Japan | E0897 | Anesthetic |
| Grass Instrument S44G Square Pulse Stimulator | Astro-Med, West Warwick, RI | Pacing equipment | |
| Isoflurane | Viatris Inc., Tokyo, Japan | 8803998 | Anesthetic |
| Ivabradine | Tokyo Chemical Industory Co., Ltd., Tokyo Japan | I0847 | Miscellaneous |
| LabChart software | ADInstruments, Sydney, Australia | LabChart 7 | Hemodynamic equipment |
| MPVS Ultra | Millar Instruments, Houston, TX | PL3516B49 | Hemodynamic equipment |
| Pancronium bromide | Sigma Aldrich Co., St. Louis, MO | 15500-66-0 | Anesthetic |
| PE10 polyethylene tube | Bio Research Center Co. Ltd., Tokyo, Japan | 62101010 | Surgical Supplies |
| PowerLab 8/35 | ADInstruments, Sydney, Australia | PL3508/P | Hemodynamic equipment |
| PVR 1035 | Millar Instruments, Houston, TX | 842-0002 | Hemodynamic equipment |
| Urethane (Ethyl Carbamate) | Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan | 050-05821 | Anesthetic |
| Vascular Flow Probe | Transonic, Ithaca, NY | MA1PRB | Surgical Supplies |
References
- Backhaus, S. J. Exercise stress real-time cardiac magnetic resonance imaging for noninvasive characterization of heart failure with preserved ejection fraction. Circulation. 143 (15), 1484-1498 (2021).
- Borlaug, B. A., Nishimura, R. A., Sorajja, P., Lam, C. S. P., Redfield, M. M. Exercise hemodynamics enhance diagnosis of early heart failure with preserved ejection fraction. Circulation. Heart Failure. 3 (5), 588-595 (2010).
- Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Bátkai, S., David, A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and rats. Nature Protocols. 3 (9), 1422-1434 (2008).
- Cingolani, O. H., Kass, D. A. Pressure-volume relation analysis of mouse ventricular function. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 301 (6), 2198-2206 (2011).
- Numata, G., et al. A pacing-controlled protocol for frequency-diastolic relations distinguishes diastolic dysfunction specific to a mouse HFpEF model. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 323 (3), H523-H527 (2022).
- Piña, I. L., et al. Exercise and heart failure. Circulation. 107 (8), 1210-1225 (2003).
- Georgakopoulos, D., Kass, D. A. Minimal force-frequency modulation of inotropy and relaxation of in situ murine heart. Journal of Physiology. 534 (2), 535-545 (2001).
- Takimoto, E., et al. Frequency- and afterload-dependent cardiac modulation in vivo by troponin I with constitutively active protein kinase A phosphorylation sites. Circulation Research. 94 (4), 496-504 (2004).
- Meyer, M., Lewinter, M. M. Heart rate and heart failure with preserved ejection fraction: Time to slow β-blocker use? Circulation. Heart Failure. 12 (8), 006213 (2019).
- Schiattarella, G. G., et al. Nitrosative stress drives heart failure with preserved ejection fraction. Nature. 568 (7752), 351-356 (2019).
- Abraham, D., Mao, L. Cardiac pressure-volume loop analysis using conductance catheters in mice. Journal of Visualized Experiments. (103), e52942 (2015).
- Zhang, B., Davis, J. P., Ziolo, M. T. Cardiac catheterization in mice to measure the pressure volume relationship: Investigating the Bowditch effect. Journal of Visualized Experiments. (100), e52618 (2015).
- Townsend, D. W. Measuring pressure volume loops in the mouse. Journal of Visualized Experiments. (111), e53810 (2016).
- Georgakopoulos, D., Kass, D. A. Estimation of parallel conductance by dual-frequency conductance catheter in mice. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 279 (1), H47 (2000).
