Cardiac Druck-Volumen-Loop-Analyse mit Conductance-Katheter bei Mäusen
Summary
Cardiac pressure-volume loop analysis is the most comprehensive way to measure cardiac function in the intact heart. We describe a technique to perform and analyze cardiac pressure volume loops, using conductance catheters.
Abstract
Cardiac pressure-volume loop analysis is the “gold-standard” in the assessment of load-dependent and load-independent measures of ventricular systolic and diastolic function. Measures of ventricular contractility and compliance are obtained through examination of cardiac response to changes in afterload and preload. These techniques were originally developed nearly three decades ago to measure cardiac function in large mammals and humans. The application of these analyses to small mammals, such as mice, has been accomplished through the optimization of microsurgical techniques and creation of conductance catheters. Conductance catheters allow for estimation of the blood pool by exploiting the relationship between electrical conductance and volume. When properly performed, these techniques allow for testing of cardiac function in genetic mutant mouse models or in drug treatment studies. The accuracy and precision of these studies are dependent on careful attention to the calibration of instruments, systematic conduct of hemodynamic measurements and data analyses. We will review the methods of conducting pressure-volume loop experiments using a conductance catheter in mice.
Introduction
Herzdruckvolumen Schleife Analyse liefert detaillierte Informationen über die Herzfunktion und sind der Goldstandard für die funktionelle Beurteilung 1. Während bildgebende Verfahren wie Echokardiographie oder Kardio-MRT liefern funktionelle Maßnahmen Diese Maßnahmen sind in hohem Maße von Lastbedingungen. Lastunabhängige Maßnahmen der kardialen Kontraktilität und Entspannung erfordern dynamische Messungen des ventrikulären Druck und Volumen Verhältnis über einen Bereich von Vor- und Nachlast. Das Verständnis für die Druck-Volumen-Verhältnis ergibt sich aus der bahnbrechenden Arbeiten von Sagawa und Kollegen 2,3. Sie zeigten in ex vivo perfundierten Hundeherzen, dass die Druck-Volumen-Schleife abgeleitet Kontraktilität Maßnahmen waren unabhängig von Belastungsbedingungen 4.
In vivo Anwendung dieser Analysen wurde mit der Entwicklung der Leitfähigkeit Katheter in den 1980er Jahren möglich. Dieser technische Fortschritt erlaubt Kass und Kollegen, um Druck-Volumen-Schleife Analyse beim Menschen 5,6 durchzuführen. Miniaturisierung Konduktanz Katheter und Verbesserungen der chirurgischen Techniken in den späten 1990er Jahren 7 hergestellt Analyse Nagetier Herzfunktion durchführbar ist, so dass für genetische und pharmakologische Studien durchgeführt werden. Dieser Fortschritt hat seitdem führen zu dem weit verbreiteten Einsatz von Druck-Volumen-Loop-Analyse und hat ein hohes Maß an Einblick in Säugerherzphysiologie generiert.
Ein Schlüsselkonzept bei der Verwendung der Leitfähigkeit Katheter und der Interpretation der Daten daraus zu erhalten ist das Verhältnis zwischen Volumen und Leitfähigkeit besitzen. Leitfähigkeit umgekehrt proportional zur Spannung, die mit einem Katheter mit Elektroden proximal angeordnet, in der Regel unterhalb der Aortenklappe angeordnet und distal im LV-Apex 8 gemessen wird, verwandt. Änderungen in der Spannung oder Konduktanz durch Stromänderungen von proximal nach distal Elektrode fließt, gemessen. Obwohl die Blut-Pool beitragens wesentlich zur Leitfähigkeit der Beitrag der Ventrikelwand, bezeichnet als Parallelleitfähigkeit (V p), gemessen Leitfähigkeit muss abgezogen werden, um absolute LV Volumenmessungen zu erhalten.
Die Verfahren, um diese Korrektur durchzuführen, eine sogenannte Salz Kalibrierung sind in der nachstehenden Protokolls erörtert. Die mathematische Beziehung zwischen der Leitfähigkeit und des Volumens durch Baan und Mitarbeitern beschrieben ist, dass Volumen = 1 / α; (ρ L 2) (GG p), wobei α = einheitliches Feld Korrekturfaktors, ρ = Blutwiderstand, L = Abstand zwischen den Elektroden, G = Leitfähigkeit und G p = Nichtblutleitfähigkeit 9. Zu beachten ist, das gleichmäßige Feldkorrekturfaktor bei Mäusen 1,0 nähert aufgrund kleiner Kammervolumen 10. Mit Druckwandler gekoppelt ist, stellt die Leitfähigkeit Katheter in Echtzeit gleichzeitige Druck- und Volumendaten.
Cardiac pressure-Volumenanalyse zeigt besondere Vorteile gegenüber anderen Maßnahmen der Herzfunktion, da sie die für die Messung der Herzfunktion unabhängig von Belastungsbedingungen und der Herzfrequenz. Spezifische lastunabhängigen Herzindizes Kontraktilität sind: End-systolischen Druck Volumen Beziehung (ESPVR), d P / d t max -Ende-diastolische Volumen bezogen, maximal Elastance (E max) und Vorspannung rekrutierbar Schlagarbeit (PRSW). Eine Last-unabhängiges Maß für diastolischen Funktion ist die enddiastolischen Druck-Volumen-Beziehung (EDPVR) 11. Das folgende Protokoll beschreibt das Verhalten der Herzdruckvolumen Schleifenanalyse, unter Verwendung sowohl einer Karotis und eine apikale Ansatz. Während die Methodik, diese Studien durchzuführen sind im Detail zuvor 8,11 beschrieben worden ist, werden wir wichtige Schritte zu überprüfen, um genaue Druck-Volumen-Messung, einschließlich Kochsalzlösung und Küvetten-Kalibrierungskorrektur zu erhalten, und eine visuelle Demonstration von these Verfahren. Forschung mit Tieren aus für diese Studie durchgeführt wurde nach anerkannten Protokollen und Tierschutzvorschriften der Duke University Medical Center Institutional Animal Care und Verwenden Committee behandelt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir beschreiben ein Verfahren zur perfoming Druck-Volumen-Schleife Analyse unter Verwendung einer Leitfähigkeits Katheter in Mäusen, umfassende Analysen sowohl kardialen Kontraktilität und Relaxation abzuleiten. Suga, Sagawa und Kollegen verwendete Druck-Volumen-Schleifen, um Maßnahmen der kardialen Kontraktilität, insbesondere die Steigung der ESPVR oder das endsystolische Elastanz (E n) und E max definieren. Elastanz, die durch das Verhältnis von Druck zu Volumen (P / V) definiert ist, vari…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wird von der American Heart Association 14FTF20370058 (DMA) und NIH T32 HL007101-35 (DMA) unterstützt.
Materials
| AnaSed (xylazine) | Lloyd Laboratories | NADA no. 139-236 | Anesthetic |
| Ketaset (ketamine) | Pfizer | 440842 | Anesthetic |
| VIP3000 | Matrx Medical Inc. | Anesthesia machine | |
| Ventilator | Harvard Apparatus | Model 683 | Surgical Equipment |
| Tubing kit | Harvard Apparatus | 72-1049 | Surgical Equipment |
| Homeothermic Blanket | Kaz Inc. | 5628 | Surgical Equipment |
| Stereo microscope | Carl Zeiss Optical Inc. | Stemi 2000 | Surgical Equipment |
| Illuminator | Cole–Parmer | 41720 | Surgical Equipment |
| Dumont no. 55 Dumostar Forceps | Fine Science Tools Inc | 11295-51 | Surgical Instruments |
| Graefe forceps, curved | Fine Science Tools Inc | 11052-10 | Surgical Instruments |
| Moria MC31 forceps | Fine Science Tools Inc | 11370-31 | Surgical Instruments |
| Mayo scissors | Fine Science Tools Inc | 14512-15 | Surgical Instruments |
| Iris scissors | Fine Science Tools Inc | 14041-10 | Surgical Instruments |
| Halsey needle holder | Fine Science Tools Inc | 12501-13 | Surgical Instruments |
| Olsen–Hegar needle holder | Fine Science Tools Inc | 12002-12 | Surgical Instruments |
| spring scissors | Fine Science Tools Inc | 15610-08 | Surgical Instruments |
| disposable underpads | Kendall/Tyco Healthcare | 1038 | Surgical Supplies |
| Sterile gauze sponges, sterile | Dukal | 62208 | Surgical Supplies |
| Cotton-tipped applicators, sterile | Solon | 368 | Surgical Supplies |
| Surgical suture, silk, 6-0 | DemeTECH | FT-639-1 | Surgical Supplies |
| 1 cc Insulin syringes | Becton Dickenson | 329412 | Surgical Supplies |
| Access-9™ Hemostasis Valve | Merit Medical | MAP111 | Hemodynamic equipment |
| Sphygmomanometer | Baumanometer | 320 | Hemodynamic equipment |
| Millar PV system MPVS-300/400 or MPVS Ultra (includes calibration cuvette) | ADInstruments Inc | Hemodynamic equipment | |
| 1.4F conductance catheter | ADInstruments Inc | SPR-839 | Hemodynamic equipment |
| PowerLab 4/30 with Chart Pro | ADInstruments Inc. | ML866/P | Hemodynamic software |
| animal clipper | Wahl | 8787-450A | Miscellaneous |
| Intradermic tubing PE-10 (Becton Dickinson, cat. no. ) | Becton Dickenson | 427401 | Miscellaneous |
| Intradermic tubing PE-50 (Becton Dickinson, cat. no.) | Becton Dickenson | 427411 | Miscellaneous |
| Needle assortment (18, 25 and 30 gauge; Thomas Scientific) | Miscellaneous | ||
| 0.9% (wt/vol) sodium chloride injection, USP , cat. no. ) | Hospira | NDC no. 0409-4888-50 | Miscellaneous |
| Surgical tape | Miscellaneous | ||
| Alconox (Alconox Inc.) for catheter cleaning | ADInstruments Inc. | Miscellaneous |
References
- Clark, J. E., Marber, M. S. Advancements in pressure-volume catheter technology – stress remodelling after infarction. Exp Physiol. 98 (3), 614-621 (2013).
- Sunagawa, K., Maughan, W. L., Burkhoff, D., Sagawa, K. Left ventricular interaction with arterial load studied in isolated canine ventricle. Am J Physiol. 245 (Pt 1), H773-H780 (1983).
- Suga, H., Sagawa, K., Demer, L. Determinants of instantaneous pressure in canine left ventricle. Time and volume specification. Circ Res. 46 (2), 256-263 (1980).
- Suga, H., Sagawa, K., Shoukas, A. A. Load independence of the instantaneous pressure-volume ratio of the canine left ventricle and effects of epinephrine and heart rate on the ratio. Circ Res. 32 (3), 314-322 (1973).
- Kass, D. A., et al. Improved left ventricular mechanics from acute VDD pacing in patients with dilated cardiomyopathy and ventricular conduction delay. Circulation. 99 (12), 1567-1573 (1999).
- Kass, D. A., et al. Diastolic Compliance of Hypertrophied Ventricle Is Not Acutely Altered by Pharmacological Agents Influencing Active Processes. Annals of Internal Medicine. 119 (6), 466-473 (1993).
- Georgakopoulos, D., et al. In vivo murine left ventricular pressure-volume relations by miniaturized conductance micromanometry. Am J Physiol. 274 (4 pt 2), H1416-H1422 (1998).
- Cingolani, O. H., Kass, D. A. Pressure-volume relation analysis of mouse ventricular function. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 301 (6), H2198-H2206 (2011).
- Baan, J., et al. Continuous Measurement of Left-Ventricular Volume in Animals and Humans by Conductance Catheter. Circulation. 70 (5), 812-823 (1984).
- Pearce, J. A., Porterfield, J. E., Larson, E. R., Valvano, J. W., Feldman, M. D. Accuracy considerations in catheter based estimation of left ventricular volume. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2010, 3556-3558 (2010).
- Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Batkai, S., Kass, D. A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and rats. Nature Protocols. 3 (9), 1422-1434 (1038).
- Hanusch, C., Hoeger, S., Beck, G. C. Anaesthesia of small rodents during magnetic resonance imaging. Methods. 43 (1), 68-78 (2007).
- Georgakopoulos, D., Kass, D. A. Estimation of parallel conductance by dual-frequency conductance catheter in mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 279 (1), H443-H450 (2000).
- Esposito, G., et al. Increased myocardial contractility and enhanced exercise function in transgenic mice overexpressing either adenylyl cyclase 5 or 8. Basic Res Cardiol. 103 (1), 22-30 (2008).
- Kohout, T. A., et al. Augmentation of cardiac contractility mediated by the human beta(3)-adrenergic receptor overexpressed in the hearts of transgenic mice. Circulation. 104 (20), 2485-2491 (2001).
- Kim, K. S., et al. beta-Arrestin-biased AT1R stimulation promotes cell survival during acute cardiac injury. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 303 (8), H1001-H1010 (2012).
- Suga, H., Sagawa, K. Mathematical Interrelationship between Instantaneous Ventricular Pressure-Volume Ratio and Myocardial Force-Velocity Relation. Annals of Biomedical Engineering. 1 (2), 160-181 (1972).
- Suga, H. Ventricular energetics. Physiol Rev. 70 (2), 247-277 (1990).
- Kass, D. A., et al. Influence of contractile state on curvilinearity of in situ end-systolic pressure-volume relations. Circulation. 79 (1), 167-178 (1989).
- Little, W. C. The left ventricular dP/dtmax-end-diastolic volume relation in closed-chest dogs. Circ Res. 56 (6), 808-815 (1985).
- Glower, D. D., et al. Linearity of the Frank-Starling relationship in the intact heart: the concept of preload recruitable stroke work. Circulation. 71 (5), 994-1009 (1985).
- Sharir, T., et al. Ventricular systolic assessment in patients with dilated cardiomyopathy by preload-adjusted maximal power. Validation and noninvasive application. Circulation. 89 (5), 2045-2053 (1994).
- Baan, J., Van der Velde, E. T. Sensitivity of left ventricular end-systolic pressure-volume relation to type of loading intervention in dogs. Circ Res. 62 (6), 1247-1258 (1988).
- Wei, C. L., et al. Volume catheter parallel conductance varies between end-systole and end-diastole. IEEE Trans Biomed Eng. 54 (8), 1480-1489 (2007).
- Porterfield, J. E., et al. Dynamic correction for parallel conductance, GP, and gain factor, alpha, in invasive murine left ventricular volume measurements. J Appl Physiol (1985). 107 (6), 1693-1703 (2009).
