Een ex vivo varkensmodel voor hydrodynamisch testen van experimentele aortaklepprocedures en nieuwe medische hulpmiddelen
Summary
We presenteren een methode voor het monteren van een varkensaortaklep op een pulsduplicator om de hydrodynamische eigenschappen ervan te testen. Deze methode kan worden gebruikt om de verandering in hydrodynamica te bepalen na de toepassing van een experimentele procedure of een nieuw medisch hulpmiddel voorafgaand aan gebruik in een groot diermodel.
Abstract
De mogelijkheden voor het testen van nieuwe cardiale procedures en medische hulpmiddelen voor onderzoek voorafgaand aan gebruik in een diermodel zijn beperkt. In deze studie presenteren we een methode voor het monteren van een varkensaortaklep in een pulsduplicator om de hydrodynamische eigenschappen ervan te evalueren. Deze eigenschappen kunnen vervolgens worden geëvalueerd voor en na het uitvoeren van de onderzochte procedure en/of het toepassen van het medische onderzoekshulpmiddel. Het beveiligen van het instroomsegment levert enige problemen op vanwege het ontbreken van omtrekmyocardium in het linkerventrikeluitstroomkanaal. Deze methode lost dat probleem op door het instroomsegment vast te zetten met behulp van het voorste blaadje van de mitralisklep en vervolgens de linkerventrikelvrije wand rond de instroomarmatuur te hechten. Het uitstroomsegment wordt eenvoudig beveiligd door het armatuur in een incisie in het bovenste aspect van de aortaboog te steken. We ontdekten dat monsters significant verschillende hydrodynamische eigenschappen hadden voor en na weefselfixatie. Deze bevinding heeft ons ertoe aangezet om verse monsters te gebruiken bij onze tests en moet worden overwogen bij het gebruik van deze methode. In ons werk gebruikten we deze methode om nieuwe intracardiale patchmaterialen te testen voor gebruik in de kleppositie door een aortaklepneocuspidisatieprocedure (Ozaki-procedure) uit te voeren op de gemonteerde varkensaortakleppen. Deze kleppen werden voor en na de procedure getest om de verandering in hydrodynamische eigenschappen te beoordelen in vergelijking met de oorspronkelijke klep. Hierin rapporteren we een platform voor hydrodynamisch testen van experimentele aortaklepprocedures dat vergelijking mogelijk maakt met de oorspronkelijke klep en tussen verschillende apparaten en technieken die worden gebruikt voor de onderzochte procedure.
Introduction
Aortaklepaandoeningen vormen een aanzienlijke belasting voor de volksgezondheid, met name aortastenose, die wereldwijd 9 miljoen mensentreft1. Strategieën om deze ziekte aan te pakken zijn momenteel in ontwikkeling en omvatten aortaklepreparatie en aortaklepvervanging. Vooral bij de pediatrische populatie is er een belangrijke prikkel om de klep te repareren in plaats van te vervangen, aangezien de momenteel beschikbare prothesen vatbaar zijn voor structurele klepdegeneratie (SVD) en niet groeitolerant zijn, waardoor heroperatie nodig is voor hervervanging naarmate de patiënt groeit. Zelfs de Ross-procedure, waarbij de zieke aortaklep (AV) wordt vervangen door de oorspronkelijke pulmonaalklep (PV), vereist een prothese of transplantaat in de longpositie die ook onderhevig is aan SVD en vaak beperkte groeitolerantie2. Er worden nieuwe benaderingen van aortaklepaandoeningen ontwikkeld en er is behoefte aan testen in een biologisch relevante context voorafgaand aan toepassing in een groot diermodel.
We hebben een methode ontwikkeld voor het testen van een varkens-AV die inzicht kan geven in de functie van de klep voor en na een onderzoeksprocedure of toepassing van een nieuw medisch hulpmiddel. Door de varkens-AV op een in de handel verkrijgbare pulsduplicatormachine te monteren, kunnen we de hydrodynamische kenmerken vergelijken die gewoonlijk worden gebruikt bij het onderzoek en de uiteindelijke goedkeuring van klepprothesen, waaronder regurgitatiefractie (RF), effectief openingsoppervlak (EOA) en gemiddeld positief drukverschil (PPD)3,4. De interventie kan vervolgens worden verfijnd in een biologisch relevante context voordat deze wordt gebruikt in een groot diermodel, waardoor het aantal dieren dat nodig is om een procedure of prothese te produceren die bij mensen kan worden gebruikt, wordt beperkt. De harten die voor dit experiment worden gebruikt, kunnen worden verkregen uit het plaatselijke slachthuis of uit afvalweefsel van andere experimenten, dus het is niet nodig om een dier te offeren alleen voor dit experiment.
In ons werk hebben we deze methode gebruikt om een nieuw patchmateriaal te ontwikkelen voor het repareren en vervangen van kleppen. We hebben de hydrodynamische functie van verschillende patchmaterialen getest door een neocuspidisatieprocedure voor de aortaklep (Ozaki-procedure 5,6,7) uit te voeren op AV’s van varkens en deze voor en na de procedure te testen in de pulsduplicator. Dit stelde ons in staat om het materiaal te verfijnen op basis van zijn hydrodynamische prestaties. Deze methode biedt dus een platform voor hydrodynamisch testen van experimentele procedures en nieuwe medische hulpmiddelen voor gebruik op de AV voorafgaand aan toepassing in een groot diermodel.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier gepresenteerde methode biedt een platform voor hydrodynamisch testen van de AV om het effect van een experimentele procedure of een nieuw medisch hulpmiddel te onderzoeken. Door de oorspronkelijke aortaklep op een pulsduplicatormachine te monteren, zijn we in staat om het effect van de experimentele procedure op alle hydrodynamische parameters te bepalen die worden gebruikt bij het onderzoek en de goedkeuring van nieuwe klepprothesen (ISO 5840). Dit biedt de mogelijkheid om procedures en prothesen te verfijnen vo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen het lab van Dr. Gordana Vunjak-Novakovic, waaronder Julie Van Hassel, Mohamed Diane en Panpan Chen, bedanken voor het feit dat we hartafvalweefsel van hun experimenten mochten gebruiken. Dit werk werd ondersteund door de Congenital Heart Defect Coalition in Butler, NJ, en de National Institutes of Health in Bethesda, MD (5T32HL007854-27).
Materials
| 3D Printer | Ultimaker | Ultimaker S5 | Used for printing custom fixtures for hydrodynamic testing |
| Crile-Wood Needle Driver | Emerald Instruments | 2.0638.15 | Used for suturing ventricle |
| Debakey Forceps | Jarit | 320-110 | Used for dissection and sample preparation (can use multiple if working with an assistant) |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs Inc. | DSP-MD.43 | Used for fixed tissue storage |
| Formalin 10% | Epredia | 5701 | Used for tissue fixation |
| Gerald Forceps | Jarit | 285-126 | Used for dissection and sample preparation |
| Glass jars | QAPPDA | B07QCP54Z3 | Used for tissue storage |
| Glutaraldehyde 25% | Electron Microscopy Sciences | 16400 | Used for tissue fixation |
| HEPES 1 M buffer solution | Fisher | BP299-100 | Used to make glutaraldehyde 0.6% |
| Mayo Scissors | Jarit | 099-200 | Used for cutting suture |
| Metzenbaum Scissors | Jarit | 099-262 | Used for dissection and sample preparation |
| O-ring | Sterling Seal & Supply Inc. | AS568-117 | Used as a gasket on the end of the 3D printed fixtures |
| Polylactic acid resin | Ultimaker | 1609 | Used for 3D printing fixtures |
| Polyproplene suture | Covidien | VP-762-X | Used for suturing ventricle, tapered needle |
| Pulse Duplicator | BDC Laboratories | HDTi-6000 | Used for hydrodynamic testing |
| Silk ties | Covidien | S-193 | Used for ligating coronary arteries |
| Tonsil Clamp | Aesculap | BH957R | Used for coronary artery dissection |
| Zip ties (6 inch) | Advanced Cable Ties, Inc. | AL-06-18-9-C | Used for securing sample to fixtures, 157.14 mm long (6 inches), 2.5 mm wide |
| Zip ties (8 inch) | GTSE | GTSE-20025B.1000 | Used for securing sample to fixtures, 203 mm long (8 inches), 2.5 mm wide |
References
- Aluru, J. S., Barsouk, A., Saginala, K., Rawla, P., Barsouk, A. Valvular heart disease epidemiology. Medical Science. 10 (2), 32 (2022).
- Herrmann, J. L., Brown, J. W. Seven decades of valved right ventricular outflow tract reconstruction: The most common heart procedure in children. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 160 (5), 1284-1288 (2020).
- Rotman, O. M., Bianchi, M., Ghosh, R. P., Kovarovic, B., Bluestein, D. Principles of TAVR valve design, modelling, and testing. Expert Review of Medical Devices. 15 (11), 771-791 (2018).
- Pibarot, P., et al. Imaging for predicting and assessing prosthesis-patient mismatch after aortic valve replacement. JACC Cardiovascular Imaging. 12 (1), 149-162 (2019).
- Ozaki, S., et al. Aortic valve reconstruction using self-developed aortic valve plasty system in aortic valve disease. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 12 (4), 550-553 (2011).
- Krane, M., Amabile, A., Ziegelmüller, J. A., Geirsson, A., Lange, R. Aortic valve neocuspidization (the Ozaki procedure). Multimedia Manual of Cardiothoracic Surgery. , (2021).
- Ozaki, S., et al. A total of 404 cases of aortic valve reconstruction with glutaraldehyde-treated autologous pericardium. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 147 (1), 301-306 (2014).
- Vandecasteele, T., et al. The pulmonary veins of the pig as an anatomical model for the development of a new treatment for atrial fibrillation. Anatomia Histollogia Embryologia. 44 (1), 1-12 (2015).
- Góes, A. M. O., et al. Comparative angiotomographic study of swine vascular anatomy: contributions to research and training models in vascular and endovascular surgery. Journal Vascular Brasilerio. 20, 20200086 (2021).
- Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Piątek, K., Hołda, J. Influence of different fixation protocols on the preservation and dimensions of cardiac tissue. Journal of Anatomy. 229 (2), 334-340 (2016).
- Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Tyrak, K., Hołda, J. Penetration of formaldehyde based fixatives into heart. Folia Medica Cracoviensia. 57 (4), 63-70 (2017).
- Spampinato, R. A., et al. Grading of aortic regurgitation by cardiovascular magnetic resonance and pulsed Doppler of the left subclavian artery: harmonizing grading scales between imaging modalities. International Journal of Cardiovascular Imaging. 36 (8), 1517-1526 (2020).
- Capps, S. B., Elkins, R. C., Fronk, D. M. Body surface area as a predictor of aortic and pulmonary valve diameter. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 119 (5), 975-982 (2000).
- Baumgartner, H., et al. Recommendations on the echocardiographic assessment of aortic valve stenosis: a focused update from the European Association of Cardiovascular Imaging and the American Society of Echocardiography. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 18 (3), 254-275 (2017).
- Saisho, H., et al. An ex vivo evaluation of two different suture techniques for the Ozaki aortic neocuspidization procedure. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 33 (4), 518-524 (2021).
- Saisho, H., et al. Ex vivo evaluation of the Ozaki procedure in comparison with the native aortic valve and prosthetic valves. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 35 (3), (2022).
- Paulsen, M. J., et al. Comprehensive ex vivo comparison of 5 clinically used conduit configurations for valve-sparing aortic root replacement using a 3-dimensional-printed heart simulator. Circulation. 142 (14), 1361-1373 (2020).
- Al-Atassi, T., et al. Impact of aortic annular geometry on aortic valve insufficiency: Insights from a preclinical, ex vivo, porcine model. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 150 (3), 656-664 (2015).
- Sun, M., et al. A biomimetic multilayered polymeric material designed for heart valve repair and replacement. Biomaterials. 288, 121756 (2022).
- Waller, B. F., McKay, C., Van Tassel, J., Allen, M. Catheter balloon valvuloplasty of stenotic porcine bioprosthetic valves: Part I: Anatomic considerations. Clinical Cardiology. 14 (8), 686-691 (1991).
- Crick, S. J., Sheppard, M. N., Ho, S. Y., Gebstein, L., Anderson, R. H. Anatomy of the pig heart: comparisons with normal human cardiac structure. Journal of Anatomy. 193, 105-119 (1998).
