En ex vivo-svinmodell för hydrodynamisk testning av experimentella aortaklaffprocedurer och nya medicintekniska produkter
Summary
Vi presenterar en metod för att montera en svinaortaklaff på en pulsduplikator för att testa dess hydrodynamiska egenskaper. Denna metod kan användas för att bestämma förändringen i hydrodynamik efter tillämpning av en experimentell procedur eller ny medicinteknisk produkt före användning i en stordjursmodell.
Abstract
Möjligheterna att testa nya hjärtingrepp och medicintekniska produkter för undersökning innan de används i en djurmodell är begränsade. I denna studie presenterar vi en metod för att montera en svinaortaklaff i en pulsduplikator för att utvärdera dess hydrodynamiska egenskaper. Dessa egenskaper kan sedan utvärderas före och efter att den undersökta proceduren utförs och/eller den medicintekniska undersökande produkten appliceras. Att säkra inflödessegmentet innebär vissa svårigheter på grund av bristen på perifer myokardium i vänster kammares utflödeskanal. Denna metod löser det problemet genom att säkra inflödessegmentet med hjälp av mitralisklaffens främre broschyr och sedan suturera den vänstra kammarens fria vägg runt inflödesfixturen. Utflödessegmentet säkras helt enkelt genom att sätta in fixturen i ett snitt i den övre aspekten av aortabågen. Vi fann att proverna hade signifikant olika hydrodynamiska egenskaper före och efter vävnadsfixering. Detta fynd fick oss att använda färska prover i våra tester och bör beaktas när vi använder denna metod. I vårt arbete använde vi denna metod för att testa nya intrakardiella plåstermaterial för användning i klaffläge genom att utföra en aortaklaffneocuspidiseringsprocedur (Ozaki-proceduren) på de monterade svinaortaklaffarna. Dessa ventiler testades före och efter proceduren för att bedöma förändringen i hydrodynamiska egenskaper i jämförelse med den ursprungliga ventilen. Här redovisar vi en plattform för hydrodynamisk testning av experimentella aortaklaffprocedurer som möjliggör jämförelse med nativklaffen och mellan olika enheter och tekniker som används för den procedur som undersöks.
Introduction
Aortaklaffsjukdom utgör en betydande folkhälsobörda, särskilt aortastenos, som drabbar 9 miljoner människor världen över1. Strategier för att hantera denna sjukdom utvecklas för närvarande och inkluderar reparation av aortaklaffen och byte av aortaklaffen. Särskilt i den pediatriska populationen finns det ett betydande incitament att reparera snarare än att byta ut klaffen eftersom de proteser som finns tillgängliga idag är benägna att drabbas av strukturell klaffdegeneration (SVD) och inte är tillväxttoleranta, vilket kräver omoperation för att bytas ut i takt med att patienten växer. Även Ross-proceduren, som ersätter den sjuka aortaklaffen (AV) med den naturliga lungklaffen (PV), kräver en protes eller transplantat i lungläge som också är föremål för SVD och ofta begränsad tillväxttolerans2. Nya metoder för aortaklaffsjukdom är under utveckling, och det finns ett behov av att testa i ett biologiskt relevant sammanhang innan det appliceras i en stordjursmodell.
Vi har utvecklat en metod för att testa en AV-produkt från svin som kan ge insikter om klaffens funktion före och efter ett prövningsförfarande eller tillämpning av en ny medicinteknisk produkt. Genom att montera gris-AV på en kommersiellt tillgänglig pulsduplikatormaskin kan vi jämföra de hydrodynamiska egenskaper som vanligtvis används i undersökningen och slutligen godkännandet av ventilproteser, inklusive uppstötningsfraktion (RF), effektiv öppningsarea (EOA) och genomsnittlig positiv tryckskillnad (PPD)3,4. Interventionen kan sedan finjusteras i ett biologiskt relevant sammanhang innan den används i en stordjursmodell, vilket begränsar antalet djur som behövs för att producera ett ingrepp eller en protes som kan användas på människor. De hjärtan som används för detta försök kan erhållas från det lokala slakteriet eller avfallsvävnad från andra försök, så det är inte nödvändigt att offra ett djur enbart för detta försök.
I vårt arbete använde vi denna metod för att utveckla ett nytt patchmaterial för reparation och byte av ventiler. Vi testade den hydrodynamiska funktionen hos en mängd olika plåstermaterial genom att utföra en aortaklaffneocuspidiseringsprocedur (Ozaki-procedur 5,6,7) på gris-AVs och testa dem i pulsduplikatorn före och efter proceduren. Detta gjorde det möjligt för oss att finjustera materialet baserat på dess hydrodynamiska prestanda. Således ger denna metod en plattform för hydrodynamisk testning av experimentella procedurer och nya medicintekniska produkter för användning på AV före applicering i en stordjursmodell.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden som presenteras här ger en plattform för hydrodynamisk testning av AV för att undersöka effekten av en experimentell procedur eller en ny medicinteknisk produkt. Genom att montera den naturliga aortaklaffen på en pulsduplikatormaskin kan vi bestämma effekten av den experimentella proceduren på alla hydrodynamiska parametrar som används vid undersökning och godkännande av nya ventilproteser (ISO 5840). Detta ger en möjlighet att finjustera procedurer och proteser innan de används i en stordjursmodell.<…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka Dr. Gordana Vunjak-Novakovics laboratorium, inklusive Julie Van Hassel, Mohamed Diane och Panpan Chen, för att de lät oss använda hjärtavfallsvävnad från deras experiment. Detta arbete stöddes av Congenital Heart Defect Coalition i Butler, NJ, och National Institutes of Health i 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 |
Referências
- 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).
