Een pacing-gecontroleerde procedure voor de beoordeling van hartslagafhankelijke diastolische functies in muizen hartfalen modellen
Summary
Het huidige protocol beschrijft het verkrijgen van de druk-volumerelatie door middel van transoesofageale stimulatie, wat dient als een waardevol hulpmiddel bij het evalueren van de diastolische functie in muismodellen van hartfalen.
Abstract
Hartfalen met behouden ejectiefractie (HFpEF) is een aandoening die wordt gekenmerkt door diastolische disfunctie en inspanningsintolerantie. Hoewel inspanningsstressvolle hemodynamische tests of MRI kunnen worden gebruikt om diastolische disfunctie te detecteren en HFpEF bij mensen te diagnosticeren, zijn dergelijke modaliteiten beperkt in fundamenteel onderzoek met behulp van muismodellen. Een loopbandoefeningstest wordt vaak voor dit doel gebruikt bij muizen, maar de resultaten kunnen worden beïnvloed door lichaamsgewicht, skeletspierkracht en mentale toestand. Hier beschrijven we een atrial-pacing-protocol om hartslag (HR)-afhankelijke veranderingen in diastolische prestaties te detecteren en het nut ervan te valideren in een muismodel van HFpEF. De methode omvat het verdoven, intuberen en uitvoeren van druk-volume (PV) lusanalyse gelijktijdig met atriale stimulatie. In dit werk werd een geleidingskatheter ingebracht via een apicale benadering van het linkerventrikel en werd een atriale pacingkatheter in de slokdarm geplaatst. Baseline PV-lussen werden verzameld voordat de HR werd vertraagd met ivabradine. PV-lussen werden verzameld en geanalyseerd in HR-stappen variërend van 400 bpm tot 700 bpm via atriale pacing. Met behulp van dit protocol hebben we duidelijk HR-afhankelijke diastolische stoornissen aangetoond in een metabolisch geïnduceerd HFpEF-model. Zowel de relaxatietijdconstante (Tau) als de einddiastolische druk-volumerelatie (EDPVR) verslechterden naarmate de HR toenam in vergelijking met controlemuizen. Kortom, dit atriale pacing-gecontroleerde protocol is nuttig voor het detecteren van HR-afhankelijke hartdisfuncties. Het biedt een nieuwe manier om de onderliggende mechanismen van diastolische disfunctie in HFpEF-muismodellen te bestuderen en kan helpen bij het ontwikkelen van nieuwe behandelingen voor deze aandoening.
Introduction
Hartfalen is een belangrijke oorzaak van ziekenhuisopname en overlijden over de hele wereld, en hartfalen met behouden ejectiefractie (HFpEF) is goed voor ongeveer 50% van alle diagnoses van hartfalen. HFpEF wordt gekenmerkt door diastolische disfunctie en verminderde inspanningstolerantie, en de geassocieerde hemodynamische afwijkingen, zoals diastolische disfunctie, kunnen duidelijk worden gedetecteerd door middel van inspanningsstressvolle hemodynamische tests of MRI-scans 1,2.
In experimentele modellen zijn de beschikbare modaliteiten voor het beoordelen van de fysiologische afwijkingen gerelateerd aan HFpEF echter beperkt 3,4. Loopbandinspanningstesten (TMT) worden gebruikt om de looptijd en afstand te bepalen, wat een weerspiegeling kan zijn van de harthemodynamica van inspanningsstress; Deze methode is echter gevoelig voor interferentie van externe variabelen zoals het lichaamsgewicht, de kracht van de skeletspieren en de mentale toestand.
Om deze beperkingen te omzeilen, hebben we een atrial-pacing-protocol bedacht dat subtiele maar cruciale veranderingen in diastolische prestaties detecteert op basis van de hartslag (HR) en hebben we het nut ervan gevalideerd in een muismodel van HFpEF5. Verschillende fysiologische factoren dragen bij aan inspanningsgerelateerde hartfunctie, waaronder de sympathische zenuw- en catecholaminerespons, perifere vasodilatatie, de endotheelrespons en de hartslag6. Hiervan staat echter de HR-drukrelatie (ook wel het Bowditch-effect genoemd) bekend als een kritische determinant van cardiale fysiologische kenmerken 7,8,9.
Het protocol omvat het uitvoeren van een conventionele druk-volumeanalyse bij baseline om de systolische en diastolische functie te beoordelen, inclusief parameters zoals de snelheid van drukontwikkeling (dp/dt), de eindsystolische druk-volumerelatie (ESPVR) en de einddiastolische druk-volumerelatie (EDPVR). Er moet echter worden opgemerkt dat deze parameters worden beïnvloed door de HR, die tussen dieren kan variëren als gevolg van verschillen in hun intrinsieke hartslag. Daarnaast moet ook rekening worden gehouden met de effecten van anesthesie op de HR. Om dit aan te pakken, werd de HR gestandaardiseerd door atriale stimulatie gelijktijdig met ivabradine toe te dienen, en werden cardiale parametermetingen uitgevoerd bij incrementele hartslagen. Met name de HR-afhankelijke hartrespons onderscheidde HFpEF-muizen van de muizen uit de controlegroep, terwijl er geen significante verschillen werden waargenomen in de baseline PV-lusmetingen (met behulp van de intrinsieke hartslag)5.
Hoewel dit pacing-protocol relatief ingewikkeld lijkt, is het slagingspercentage meer dan 90% als het goed wordt begrepen. Dit protocol zou een nuttige manier zijn om de onderliggende mechanismen van diastolische disfunctie in HFpEF-muismodellen te bestuderen en te helpen bij de ontwikkeling van nieuwe behandelingen voor deze aandoening.
Protocol
Representative Results
Discussion
We presenteren een methodologie om druk-volumerelaties te beoordelen met de toepassing van transoesofageale stimulatie. Inspanningsintolerantie is een van de belangrijkste kenmerken van HFpEF, maar er zijn geen technieken beschikbaar voor de evaluatie van de hartfunctie bij muizen tijdens inspanning. Ons pacingprotocol biedt een waardevol hulpmiddel voor het detecteren van diastolische disfunctie, die mogelijk niet zichtbaar is onder rustomstandigheden.
Om een PV-lus van nauwkeurige en constan…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door onderzoekssubsidies van de Fukuda Foundation for Medical Technology (aan E.T. en G.N.) en de JSPS KAKENHI Scientific Research Grant-in-Aid 21K08047 (aan 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 |
Referências
- 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).
