Perkutan kontrast ekkokardiografi-styrede Intramyocardial injektion og celle levering i en stor prækliniske Model
Summary
Roman terapeutiske strategier i hjertets regenerativ medicin kræver omfattende og detaljerede undersøgelser i store prækliniske dyremodeller, før de kan komme i betragtning til brug i mennesker. Her, vise vi en perkutan kontrast ekkokardiografi-styrede intramyocardial injektionsteknik i kaniner, som er værdifulde for hypotesetest effekten af sådanne nye behandlingsformer.
Abstract
Celle og -gen terapi er spændende og lovende strategier med henblik på hjerte regenerering i indstillingen af hjertesvigt med nedsat uddrivningsfraktion (HFrEF). Før de kan anses for brug og gennemføres i mennesker, kræves omfattende prækliniske undersøgelser i store dyremodeller til at evaluere sikkerheden, effektiviteten og skæbne af injectate (fx, stamceller) når der leveres i myokardiet. Små gnavere modeller tilbyder fordele (f.eks., omkostningseffektivitet, imødekommenhed for genmanipulation); dog oversætte givet iboende begrænsninger af disse modeller, resultater i disse sjældent til klinikken. Omvendt kan store dyremodeller såsom kaniner, har fordele (fx, ens hjerte Elektrofysiologi i forhold til mennesker og andre store dyr), samtidig med at en god omkostningseffektiv balance. Her, viser vi, hvordan du udfører en perkutan kontrast ekkokardiografi-styrede intramyocardial injektion (IMI) teknik, som er minimalt invasiv, sikker, veltolereret og meget effektiv i målrettet levering af injectates, herunder celler, i flere steder i myokardiet af en kanin model. For gennemførelsen af denne teknik, har vi også draget fordel af en bredt tilgængelige kliniske ekkokardiografi system. Efter at sætte i praksis den protokol, der er beskrevet her, en forsker med grundlæggende ultralyd viden bliver kompetente i udførelsen af denne alsidige og minimalt invasive teknik anvendes rutinemæssigt i eksperimenter, med henblik på hypotesetest af den kapaciteter af cardiac regenerativ therapeutics i kanin model. Når kompetence er opnået, kan hele proceduren udføres i 25 min efter anaesthetizing kanin.
Introduction
Celle og -gen terapi spændende og nogensinde at udvikle strategier til at regenerere/reparere den tilskadekomne myokardiet i HFrEF. Et par undersøgelser har sammenlignet effektivitet (f.eks., celle tilbageholdelse sats) af de forskellige indgiftsmåder celle levering, som har konsekvent vist IMI overlegenhed over Intrakoronar eller intravenøs ruter1,2 , 3 , 4 , 5. det er således ikke overraskende, at en stor del af undersøgelser på translationel modeller af stamcelleterapi af tilskadekomne myokardiet levere injectate via IMI udføres under direkte visning i en åben bryst procedure6,7 . Denne tilgang har dog flere begrænsninger, herunder invasive karakteren af den procedure, som indebærer risiko for peri-proceduremæssige dødelighed (ofte under-rapporteret)8. Derudover fjerne en IMI under direkte visning ikke muligheden for utilsigtet injektion i den ventrikulære hulrum. I klinisk praksis kan en IMI under åben kiste kirurgi være en velegnet metode til terapeutiske celle levering, fx, under koronararterie bypass graft kirurgi (CABG); dog kan denne tilgang ikke være passende for celle levering i globale kardiomyopati af ikke-iskæmisk oprindelse (f.eks.HFrEF sekundært til antracyklin-induceret kardiomyopati (AICM)).
Der er ingen tvivl om, at iskæmisk hjertesygdom (IHD) er den mest almindelige årsag til HFrEF (~ 66%)9,10; ikke-iskæmisk kardiomyopati, herunder AICM, påvirker imidlertid stadig en betydelig andel af patienter med HFrEF (33%)9 . Faktisk, de seneste fremskridt i klinisk onkologi har resulteret i mere end 10 millioner overlevende fra kræft i USA alene11, skøn over et lignende antal i Europa, i overensstemmelse med en generel tendens til forbedret overlevelse af kræftpatienter12 ,13. Således, at udforske fordelene ved nye behandlingsformer, såsom stamcelletransplantation for ikke-iskæmisk kardiomyopati samt trialing af en effektiv og minimalt invasiv rute af stamceller levering er af største vigtighed, da det stigende antal patienter påvirket af cardiotoxicity sekundært til anticancermedicin.
Af note indebærer hypotesetest undersøgelser ved hjælp af stamcelleterapi satsning hen til reparation/regenerere den tilskadekomne myokardiet ofte anvendelse af små gnavere (fx, mus og rotter). Disse modeller kræver ofte dyre høj frekvens ultralyd systemer til evaluering af Myokardie funktion, normalt udstyret med lineær array transducere, som har nogle iboende tilhørende begrænsninger (f.eks., efterklang)14. Andre modeller som kaniner, der repræsenterer en stor prækliniske model, har dog nogle fordele for hypotese testning af stamceller behandlinger i HFrEF. Således, i modsætning til rotter og mus, kaniner opretholde en Ca+ 2 transportsystem og cellulære Elektrofysiologi, der minder om mennesker og andre store dyr (fx, hunde og svin)15,16,17 ,18,19. En anden fordel, er deres imødekommenhed for kardiale ultrasound imaging bruger relativt billig og bredt tilgængelige kliniske ekkokardiografi systemer udstyret med relativt høj frekvens fase array transducere, f.eks., 12 MHz, som dem, der ofte anvendes i neonatal og pædiatrisk kardiologi. Disse systemer giver mulighed for fremragende ekkokardiografisk imaging med topmoderne teknologi, og de udnytter overlegenhed af harmoniske imaging20. Derudover omfattende hypotesetest af potentialet i hjertets regenerative behandlinger (fx, stamcelleterapi), deres sikkerhed, effektivitet, cardiomyogenic potentiale, samt evaluering af skæbnen, injectate en gang leveret i den myokardiet, er obligatorisk, før de kan komme i betragtning til human brug, og de kræver brug af store prækliniske dyremodeller såsom kanin17,19. Her, beskriver vi en minimalt invasiv teknik til celle levering via perkutan kontrast-ekkokardiografi guidede IMI ved hjælp af en klinisk ekkokardiografi system, som er rettet mod stamcelle transplantation-baseret terapi for ikke-iskæmisk kardiomyopati20 . Vi også beskrive fordelene ved tusch (InI, også kendt som Kina blæk) som en ultralyd kontrast agent og i situ tracer af injectate i kanin hjerte.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det primære mål var at udvikle et minimalt invasive teknik, der kan bruges til levering af stamceller i myokardiet kaniner (en stor størrelse prækliniske dyremodeller)17,18, samtidig med at drage fordel af brugen af en forholdsvis billig imaging system let tilgængelige i mange kliniske og forskningsmæssige Centre. Her, vi viser, at ved hjælp af en klinisk ekkokardiografi system, og hjulpet af InI, et bredt tilgængelige agent, med både i situ -sp…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takke Sheila Monfort, Brenda Martínez, Carlos Micó, Alberto Muñoz og Manuel Molina fremragende bistand under indsamlingen af data, og Carlos Bueno for at give EGFP(+) HEK-293 celler. Dette arbejde blev støttet delvist af: Fundación Séneca, Agencia de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia, Spanien (JT) (giver nummer: 11935/PI/09); Red de Terapia Celular, ISCIII-Sub. Gral. Redes, VI PN de jeg + D + jeg 2008-2011 (give nr. RD12/0019/0001) (JMM), medfinansieres med strukturel finansiering af EU (FEDER) (JMM); og University of Reading, Det Forenede Kongerige (AG, GB) (Central finansiering). Finansieringskilderne spillede ingen rolle i undersøgelse design, dataindsamling og analyse, beslutningen om at offentliggøre eller forberedelse af manuskriptet.
Materials
| HD11 XE Ultrasound System | Philips | 10670267 | Echocardiography system. |
| S12-4 | Philips | B01YgG | 4-12 MHz phase array transducer |
| Ultrasound Transmision Gel (Aquasone) | Parket laboratories Inc | N 01-08 | |
| Vasovet 24G | Braun | REF 381212 | over-the-needle catheter |
| Omnifix-F 1 ml syringe | Braun | 9161406V | |
| Imalgene (Ketamine) | Merial | RN 9767 | Veterinary prescription is necessary |
| Domtor (Medetomidine) | Esteve | CN 570686.3 | Veterinary prescription is necessary |
| Heating Pad | |||
| Faber-Castel TG1 | Faber-Castel | 16 33 99 | India (China) Ink |
| Holter Syneflash | Ela medical | SF0003044S | 24 h Holter ECG system. |
| Electrodes Blue Sensor® | Ambu (NUMED) | VLC-00-S | Holter ECG electrodes. |
| Microtome | Leica Biosystems | RM2155 | |
| Microscope | Olimpus | CO11 | |
| ABC Vector Elite | Vector Laboratories | PK-6200 | Avidin Biotin Complex Kit. |
| Chicken anti-GFP antibody | Invitrogen | A10262 | Primary antibody. |
| Biotinylated goat-anti-chicken IgG Antibody | Vector Laboratories | BA-9010 | Secondary Antibody. |
| 3,30-diaminobenzidine tetrahydrochloride (DAB) | DAKO (Agilent) | S3000 | |
| Fluorescence Microscope | Carl Zeiss MicroImaging |
Zeiss AX10 Axioskop | |
| Holter ECG | Elamedical | Syneflash SF0003044S | |
| Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) | Fisher Scientific | 11965084 | |
| 10% fetal calf serum (FCS) | Fisher Scientific | 11573397 | |
| 0.05% Trypsin-Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Fisher Scientific | 25300054 | |
| Lipofectamine 2000 (Lipid transfection reagent) | Fisher Scientific | 11668019 | |
| Reduced serum medium (Opti-MEM) | Fisher Scientific | 31985070 | |
| Hygromycin B | Calbiochem (MERCK) | 400051 | |
| Xylene (histological) | Fisher Scientific | X3S-4 | |
| Hydrogen Peroxide Solution (H2O2) | Sigma | H1009 | |
| Pronase | Fisher Scientific | 53-702-250KU |
Referências
- Hou, D., et al. Radiolabeled cell distribution after intramyocardial, intracoronary, and interstitial retrograde coronary venous delivery: implications for current clinical trials. Circulation. 112, I150-I156 (2005).
- Freyman, T., et al. A quantitative, randomized study evaluating three methods of mesenchymal stem cell delivery following myocardial infarction. Eur Heart J. 27, 1114-1122 (2006).
- Perin, E. C., et al. Comparison of intracoronary and transendocardial delivery of allogeneic mesenchymal cells in a canine model of acute myocardial infarction. J Mol Cell Cardiol. 44, 486-495 (2008).
- Dib, N., Khawaja, H., Varner, S., McCarthy, M., Campbell, A. Cell therapy for cardiovascular disease: a comparison of methods of delivery. J Cardiovasc Transl Res. 4, 177-181 (2011).
- Li, S. H., et al. Tracking cardiac engraftment and distribution of implanted bone marrow cells: Comparing intra-aortic, intravenous, and intramyocardial delivery. J Thorac Cardiovasc Surg. 137, 1225-1233 (2009).
- Shiba, Y., et al. Human ES-cell-derived cardiomyocytes electrically couple and suppress arrhythmias in injured hearts. Nature. 489, 322-325 (2012).
- Chong, J. J., et al. Human embryonic-stem-cell-derived cardiomyocytes regenerate non-human primate hearts. Nature. 510, 273-277 (2014).
- Lu, C., et al. Autologous bone marrow cell transplantation improves left ventricular function in rabbit hearts with cardiomyopathy via myocardial regeneration-unrelated mechanisms. Heart vessels. 21, 180-187 (2006).
- McMurray, J. J., et al. ESC guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure 2012: The Task Force for the Diagnosis and Treatment of Acute and Chronic Heart Failure 2012 of the European Society of Cardiology. Developed in collaboration with the Heart Failure Association (HFA) of the ESC . Eur J Heart Fail. 14, 803-869 (2012).
- Sueta, C. A. The life cycle of the heart failure patient. Curr Cardiol Rev. 11, 2-3 (2015).
- Carver, J. R., et al. American Society of Clinical Oncology clinical evidence review on the ongoing care of adult cancer survivors: cardiac and pulmonary late effects. J Clin Oncol. 25, 3991-4008 (2007).
- Verdecchia, A., et al. Recent cancer survival in Europe: a 2000-02 period analysis of EUROCARE-4 data. Lancet Oncol. 8, 784-796 (2007).
- De Angelis, R., et al. Cancer survival in Europe 1999-2007 by country and age: results of EUROCARE–5-a population-based study. Lancet Oncol. 15, 23-34 (2014).
- Abu-Zidan, F. M., Hefny, A. F., Corr, P. Clinical ultrasound physics. J Emerg Trauma Shock. 4, 501-503 (2011).
- Del, M. F., Mynett, J. R., Sugden, P. H., Poole-Wilson, P. A., Harding, S. E. Subcellular mechanism of the species difference in the contractile response of ventricular myocytes to endothelin-1. Cardioscience. 4, 185-191 (1993).
- Pogwizd, S. M., Bers, D. M. Rabbit models of heart disease. Drug Discov Today Dis Mod. 5, 185-193 (2008).
- Gandolfi, F., et al. Large animal models for cardiac stem cell therapies. Theriogenology. 75, 1416-1425 (2011).
- Harding, J., Roberts, R. M., Mirochnitchenko, O. Large animal models for stem cell therapy. Stem Cell Res Ther. 4, 23 (2013).
- Chong, J. J., Murry, C. E. Cardiac regeneration using pluripotent stem cells–progression to large animal models. Stem Cell Res. 13, 654-665 (2014).
- Talavera, J., et al. An Upgrade on the Rabbit Model of Anthracycline-Induced Cardiomyopathy: Shorter Protocol, Reduced Mortality, and Higher Incidence of Overt Dilated Cardiomyopathy. BioMed Res Int. 2015, 465342 (2015).
- Bueno, C., et al. Human adult periodontal ligament-derived cells integrate and differentiate after implantation into the adult mammalian brain. Cell Transplant. 22, 2017-2028 (2013).
- Sahn, D. J., DeMaria, A., Kisslo, J., Weyman, A. Recommendations regarding quantitation in M-mode echocardiography: results of a survey of echocardiographic measurements. Circulation. 58, 1072-1083 (1978).
- Thomas, W. P., et al. Recommendations for standards in transthoracic two-dimensional echocardiography in the dog and cat. Echocardiography Committee of the Specialty of Cardiology, American College of Veterinary Internal Medicine. J Vet Intern Med. 7, 247-252 (1993).
- Lang, R. M., et al. Recommendations for cardiac chamber quantification by echocardiography in adults: an update from the American Society of Echocardiography and the European Association of Cardiovascular Imaging. Eur Heart J Cardiovasc Imaging. 16, 233-270 (2015).
- Feldman, A. T., Wolfe, D. Tissue processing and hematoxylin and eosin staining. Methods Mol Biol. 1180, 31-43 (2014).
- Howat, W. J., Wilson, B. A. Tissue fixation and the effect of molecular fixatives on downstream staining procedures. Methods. 70, 12-19 (2014).
- Cohen, A. H. Masson’s trichrome stain in the evaluation of renal biopsies. An appraisal. Am J Clin Pathol. 65, 631-643 (1976).
- Corti, R., et al. Real time magnetic resonance guided endomyocardial local delivery. Heart. 91, 348-353 (2005).
- Springer, M. L., et al. Closed-chest cell injections into mouse myocardium guided by high-resolution echocardiography. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 289, H1307-H1314 (2005).
- Aoki, M., et al. Efficient in vivo gene transfer into the heart in the rat myocardial infarction model using the HVJ (Hemagglutinating Virus of Japan)–liposome method. J Mol Cell Cardiol. 29, 949-959 (1997).
- Guzman, R. J., Lemarchand, P., Crystal, R. G., Epstein, S. E., Finkel, T. Efficient gene transfer into myocardium by direct injection of adenovirus vectors. Circ Res. 73, 1202-1207 (1993).
- Magovern, C. J., et al. Direct in vivo gene transfer to canine myocardium using a replication-deficient adenovirus vector. Ann Thorac Surg. 62, 425-433 (1996).
- Suzuki, K., et al. Role of interleukin-1beta in acute inflammation and graft death after cell transplantation to the heart. Circulation. 110, II219-II224 (2004).
- Fukushima, S., et al. Direct intramyocardial but not intracoronary injection of bone marrow cells induces ventricular arrhythmias in a rat chronic ischemic heart failure model. Circulation. 115, 2254-2261 (2007).
- Vela, D., Maximilian Buja, L., Miller, L. W., Taylor, D. A., Willerson, J. T. . Stem Cell and Gene Therapy for Cardiovascular Disease. , 13-23 (2016).
- Fargas, A., Roma, J., Gratacos, M., Roig, M. Distribution and effects of a single intramuscular injection of India ink in mice. Ann Anat. 185, 183-187 (2003).
- Dib, N., et al. Recommendations for successful training on methods of delivery of biologics for cardiac regeneration: a report of the International Society for Cardiovascular Translational Research. JACC Cardiovasc Interv. 3, 265-275 (2010).
- Mu, Y., Cao, G., Zeng, Q., Li, Y. Transplantation of induced bone marrow mesenchymal stem cells improves the cardiac function of rabbits with dilated cardiomyopathy via upregulation of vascular endothelial growth factor and its receptors. Exp Biol Med (Maywood). 236, 1100-1107 (2011).
- Giraldo, A., et al. Percutaneous intramyocardial injection of amniotic membrane-derived mesenchymal stem cells improves ventricular function and survival in non-ischaemic cardiomyopathy in rabbits. Eur Heart J. 36, 149 (2015).
- Giraldo, A., et al. Allogeneic amniotic membrane-derived mesenchymal stem cell therapy is cardioprotective, restores myocardial function, and improves survival in a model of anthracycline-induced cardiomyopathy. Eur J Heart Fail. 19, 594 (2017).
- Prendiville, T. W., et al. Ultrasound-guided transthoracic intramyocardial injection in mice. J Vis Exp. , e51566 (2014).
- Laakmann, S., et al. Minimally invasive closed-chest ultrasound-guided substance delivery into the pericardial space in mice. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 386, 227-238 (2013).
- Hasenfuss, G. Animal models of human cardiovascular disease, heart failure and hypertrophy. Cardiovasc Res. 39, 60-76 (1998).
- Ponikowski, P., et al. Depressed heart rate variability as an independent predictor of death in chronic congestive heart failure secondary to ischemic or idiopathic dilated cardiomyopathy. Am J Cardiol. 79, 1645-1650 (1997).
- Nolan, J., et al. Prospective study of heart rate variability and mortality in chronic heart failure: results of the United Kingdom heart failure evaluation and assessment of risk trial (UK-heart). Circulation. 98, 1510-1516 (1998).
- Galinier, M., et al. Depressed low frequency power of heart rate variability as an independent predictor of sudden death in chronic heart failure. Eur Heart J. 21, 475-482 (2000).
- Sheng, C. C., Zhou, L., Hao, J. Current stem cell delivery methods for myocardial repair. BioMed Res Int. 2013, 547902 (2013).
- Kim, R. J., et al. The use of contrast-enhanced magnetic resonance imaging to identify reversible myocardial dysfunction. N Engl J Med. 343, 1445-1453 (2000).
- Perin, E. C., et al. Transendocardial, autologous bone marrow cell transplantation for severe, chronic ischemic heart failure. Circulation. 107, 2294-2302 (2003).
