Isolated working heart models can be used to measure the effect of loading conditions, heart rate, and medications on myocardial performance and oxygen consumption. We describe methods for preparation of a rodent left heart working model that permits study of systolic and diastolic performance and oxygen consumption under various conditions.
Isolated working heart models have been used to understand the effects of loading conditions, heart rate and medications on myocardial performance in ways that cannot be accomplished in vivo. For example, inotropic medications commonly also affect preload and afterload, precluding load-independent assessments of their myocardial effects in vivo. Additionally, this model allows for sampling of coronary sinus effluent without contamination from systemic venous return, permitting assessment of myocardial oxygen consumption. Further, the advent of miniaturized pressure-volume catheters has allowed for the precise quantification of markers of both systolic and diastolic performance. We describe a model in which the left ventricle can be studied while performing both volume and pressure work under controlled conditions.
In this technique, the heart and lungs of a Sprague-Dawley rat (weight 300-500 g) are removed en bloc under general anesthesia. The aorta is dissected free and cannulated for retrograde perfusion with oxygenated Krebs buffer. The pulmonary arteries and veins are ligated and the lungs removed from the preparation. The left atrium is then incised and cannulated using a separate venous cannula, attached to a preload block. Once this is determined to be leak-free, the left heart is loaded and retrograde perfusion stopped, creating the working heart model. The pulmonary artery is incised and cannulated for collection of coronary effluent and determination of myocardial oxygen consumption. A pressure-volume catheter is placed into the left ventricle either retrograde or through apical puncture. If desired, atrial pacing wires can be placed for more precise control of heart rate. This model allows for precise control of preload (using a left atrial pressure block), afterload (using an afterload block), heart rate (using pacing wires) and oxygen tension (using oxygen mixtures within the perfusate).
Lo studio degli organi isolati permette il controllo delle condizioni fisiologiche di là di ciò che è possibile in vivo. Ex vivo preparati cardiaci sono stati descritti da Otto Langendorff, 1 che ha descritto un modello isolata con perfusione retrograda. Successivamente, altri hanno descritto il modello "di lavoro del cuore", in cui il miocardio esegue sia la pressione e volume di lavoro. 2 Tali preparati sono stati strumentali nel chiarire i meccanismi d'azione del miocardio, 3 metabolismo miocardico, 4-6 e gli effetti di farmaci cardiotonici. 7- 9
L'uso di farmaci che migliorano la contrattilità miocardica è comune nei pazienti critici. Tuttavia, sono disponibili pochi dati a confronto gli effetti relativi di questi farmaci sulla contrattilità e il consumo di ossigeno del miocardio, i dati che possono essere utili nella cura dei pazienti con segni clinici di insufficienza cardiaca del nell'impostazione postoperatorio. 10 Tuttavia, poiché la maggior parte dei farmaci cardiotonico influenzano non solo il miocardio, ma anche la resistenza arteriolare, capacitanza venosa 11, e il tasso metabolico del paziente, 12 ex vivo modelli cuore isolato rimangono il mezzo ottimale per studiare gli effetti di tali farmaci sul miocardio corretta.
Descriviamo l'uso di un modello ex vivo per lo studio indipendente dal carico di farmaci inotropi sulla funzione miocardica e consumo di ossigeno. Cuori da ratti Sprague Dawley sono stati cannulate con un ventricolo sinistro di lavoro modello cuore e perfusi utilizzando una versione modificata perfusato Krebs Henseleit. pressione atriale aortica e di sinistra sono stati controllati. cateteri impedenza pressione-volume sono stati collocati nel ventricolo sinistro attraverso la puntura apicale per il monitoraggio continuo della funzione sistolica e diastolica. Il consumo di ossigeno è stata continuamente misurato come differenza indicizzato nel contenuto di ossigeno tra perfus atriale sinistramangiato e l'effluente arteria polmonare. I farmaci da testare sono state infuse nel blocco atriale sinistra, e cambiamenti nel metabolismo cardiaco prestazioni e l'ossigeno sono stati misurati e confrontati con una linea di base immediatamente precedente.
Questo modello cuore di lavoro permette valutazione della funzione ventricolare con il pieno controllo del precarico ventricolare e post-carico, tensione di ossigeno del perfusato, così come la frequenza cardiaca. Tra gli altri fattori, permette la valutazione degli effetti del miocardio intrinseche dei farmaci inotropi indipendenti di post-carico e precarico, che modi che non sono possibili utilizzando un modello in vivo. Poiché questo modello utilizza un perfusato cristalloide, permette la valutazione del miocardio senza interferenza da emoglobina, semplificare l'analisi spettroscopica di stati di energia del miocardio, per esempio. 14 In questo modello, l'atrio destro non viene cannulata come parte di una strumentazione, anche se è possibile fare così. Abbiamo volutamente scelto di non farlo, al fine di facilitare la campionatura del flusso seno coronarico per la valutazione del consumo di ossigeno del miocardio. È importante sottolineare, però, il cuore destro esegue ancora la pressione e volume di lavoro in questo modello come le pompe di cosinusale ronary fluiscono nella cannula arteria polmonare. Fornendo alcuni precarico del ventricolo destro migliora il posizionamento del setto ventricolare e migliora le prestazioni del ventricolo sinistro, ed è una componente importante di questo modello. 15
Ci sono diverse insidie sperimentali parlare. La prima è la cannulazione retrograda iniziale, che deve essere eseguita speditamente (cioè, in meno di 2 minuti) per minimizzare il periodo di ischemia. L'abilità più importante da padrone è l'isolamento efficiente, preparazione e la manipolazione dell'aorta ascendente. È importante che il moncone aortico non essere tagliato troppo breve, lasciando spazio sufficiente per incannulazione sopra la valvola aortica. Tuttavia, è anche importante che il moncone aortico non essere troppo lungo, che può causare torqueing dell'aorta intorno alla cannula. E 'anche importante che la cannula aorta e radice aortica essere opportunamente dimensioni abbinati. Un troppo grande dell'aorta su una piccola cannula può ancheportare torqueing della radice aortica sulla cannula. L'arteria succlavia destra richiede in genere fuori dal aorta ascendente circa 7 mm sopra la valvola aortica. L'indicazione delle navi brachiocefalici (circa 1 mm di diametro) durante la dissezione e taglio dell'aorta servono punti di riferimento come importanti per l'incisione aortica trasversale. Taglio l'aorta appena sotto il decollo della prima arteria anonima è consigliabile. L'inclusione di questa imbarcazione in radice aortica rifilato porta normalmente a una perdita di KHB, e la perdita di pressione della radice aortica sulla transizione in modalità di lavoro del cuore.
Un altro aspetto tecnicamente impegnativo del cateterismo è la cannulazione atriale sinistra. Anche se è fattibile cannulate dell'atrio sinistro, abbiamo trovato che la cannula di frequente si blocca all'interno dell'appendice, e non passa facilmente nel corpo dell'atrio sinistro. Così, si preferisce effettuare l'incisione nel corpo dell'atrio sinistro, circa2 mm superiori al solco atrioventricolare. È importante posizionare la cannula atriale sinistra nel piano corretto prima dell'inserimento per evitare di strappare l'atrio parete sottile quando si fissa la cannula.
Abbiamo trovato che la dimensione ideale dell'incisione atrio sinistro era di circa 3 mm. Creazione troppo piccolo di una incisione può anche rendere il posizionamento della cannula atriale sinistra più difficile, e può portare alla lacerazione dell'atrio sinistro. Usiamo una scala da 8 mm, pezzo di tubo smussato impermeabile all'ossigeno (diametro interno 2,9 millimetri) sul blocco atriale sinistra. Abbiamo trovato che con questo, piuttosto che una cannula con un bordo smussato, porta a cannulazione atriale più consistente e facilita il processo di fissaggio del blocco atriale sinistra. Indipendentemente dal tubo impiegato, è importante garantire che l'estremità del tubo non è occlusa dal setto atriale o la valvola mitrale (come illustrato in precedenza, abbiamo scoperto che il tracciato della pressione atriale sinistra era disponibile in questo regard), come anche il movimento sottile cannula atriale può alterare in modo significativo il precarico ventricolare sinistra e conseguenti misure emodinamiche. Per la stessa ragione, è importante garantire che l'atrio sinistro non perde segue dopo l'apertura del blocco atriale sinistra. È importante indipendentemente dal tipo di tubo impiegato per assicurare che il tubo all'interno di questo sistema è ossigeno impermeabile a garantire un adeguato apporto di ossigeno al cuore.
Un altro aspetto tecnicamente impegnativo della procedura è il posizionamento del catetere pressione-volume (PV). Inizialmente abbiamo favorito un posizionamento retrograda del catetere attraverso il blocco aortica. Anche se tecnicamente fattibile, abbiamo scoperto che è molto più semplice e conveniente per posizionare il catetere fotovoltaico tramite la puntura transapicale. Bisogna fare attenzione per monitorare la posizione del catetere per tutta la durata dell'esperimento, come a volte il catetere può muoversi dentro o fuori del ventricolo sinistro. Questo può essere fatto controllando la pressiori e tracciati di volume nel tempo.
Infine, occorre prestare attenzione per garantire che la soluzione KHB si crea fresco per ogni esperimento. È possibile pesare i costituenti di KHB e memorizzarli in provette coniche in forma di polvere prima del tempo. Il giorno della sperimentazione, questi possono essere miscelati con acqua sterile, filtrata, biossido di carbonio / ossigeno, e quindi calcio aggiunto alla miscela. E 'anche importante lavare il sistema con l'enzima detergente in polvere attiva, quali Tergazyme (o simile) e sostituire il filtro perfusato regolarmente.
Diversi limiti di questa preparazione sperimentale da notare. In primo luogo, simile a tutti i preparati Langendorff cristalloidi-perfusione, KHB e altri perfusates asanguinous hanno una ossigeno significativamente diminuita capacità di carico rispetto al sangue. Anche se questo è parzialmente compensata attraverso la vasodilatazione coronarica e il flusso coronarico soprafisiologiche, la preparazione non è del tutto physiologic per questo motivo. In secondo luogo, a causa della conformità pressoché infinita della camera Windkessel utilizzato in questo strumento, le pressioni sistolica e diastolica sono solo minimamente separati (vedere la Figura 2A) e quindi la pressione di perfusione coronarica è non fisiologico. Questo può essere superata in modelli futuri incorporando un componente elastance al blocco post-carico. In terzo luogo, come con tutti i preparati cuore isolato, il cuore subisce un determinato periodo di tempo (2 – 3 min) di ischemia calda che rischia di creare danno miocardico o disfunzione. Minimizzare questa lesione attraverso la pratica della tecnica è della massima importanza ai risultati rappresentativi. Inoltre, anche se necessaria per il benessere degli animali, anestetici inalatori possono servire come un soppressore del miocardio nelle prime fasi del processo di riperfusione, anche se si prevede che questo effetto è rapidamente abolito come il cuore è riperfuso con KHB.
Il sistema cardiaco lavoro descritto consente una vasta gamma di Physiolindagini OGIC rilevanti per la cura dei pazienti, della ricerca e dell'insegnamento. Con poche modifiche aggiuntive, il sistema può anche essere utilizzato per simulare importante fisiologia rilevante per malattia cardiaca congenita, comprese ipertensione polmonare e singola fisiologia ventricolo. Limitazioni comprendono che è una preparazione ex vivo, che il cuore è perfuso da un buffer invece di un sangue contenuto di ossigeno superiore.
The authors have nothing to disclose.
Le attrezzature e gli esperimenti qui descritti sono stati finanziati dal Dipartimento di Cardiologia, Ospedale dei bambini Boston e da donazioni filantropiche della famiglia Haseotes. Siamo grati al Drs. Frank McGowan e Huamei Lui per averci fornito le prime esperienze con questo modello, e per Lindsay Thomson per l'assistenza con opere d'arte.
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | 8.401 g/4 L |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich | E6758 | 0.744 g/4 L |
Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P9333 | 1.580 g/4 L |
Magnesium sulfate | Sigma-Aldrich | M7506 | 0.578 g/4 L |
Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | P2256 | 0.220 g/ 4 L |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | 27.584 g/4 L |
Dextrose | Sigma-Aldrich | D9434 | 7.208 g/4 L |
Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | C7902 | 1.470 g/4 L |
Biventricular working heart model | Harvard Apparatus | IH-51 | |
Pressure volume catheter | Millar, Inc | SPR-944-1 | 6 mm spacing catheter used |
LabChart Pro 8 | AD Instruments | Version 8.1 |