Hjärttryck Volym Loop analys Använda Konduktans katetrar hos möss
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
Hjärttryckvolymslinganalys ger detaljerad information om hjärtfunktion och är guldmyntfoten för funktionell bedömning 1. Medan avbildningstekniker såsom ekokardiografi eller hjärt MRI ger funktionella åtgärder, dessa åtgärder är i hög grad beroende av belastningsförhållanden. Lastoberoende mått på hjärtats kontraktilitet och avkoppling kräver dynamiska mätningar av ventrikulära trycket och volym förhållande över ett område av förbelastning och efterbelastning. Denna förståelse av tryckvolym relation härrör från den banbrytande arbete Sagawa och kollegor 2,3. De visade i ex vivo perfusion hund hjärtan att tryck volym loop härledda kontraktilitet åtgärder var oberoende av belastningsförhållanden 4.
In vivo tillämpning av dessa analyser blev möjligt med utvecklingen av konduktans katetrar på 1980-talet. Denna tekniska framsteg tillåten Kass och kollegor för att utföra tryckvolymslinganalys hos människor 5,6. Miniatyrisering av konduktans katetrar och förbättringar i kirurgiska tekniker i slutet av 1990-talet 7 gjorde analys av gnagare hjärtfunktion möjlig, vilket möjliggör genetiska och farmakologiska studier som skall utföras. Detta förskott har sedan leder till den utbredda användningen av tryck volym slinganalys och har genererat en hel del insikt i däggdjurs hjärt fysiologi.
Ett nyckelbegrepp när det gäller användningen av ledningsförmåga katetrar och tolkning av uppgifter från det är förhållandet mellan volym och ledningsförmåga. Konduktans är omvänt relaterad till spänning, som mäts med användning av en kateter med elektroder placerade proximalt, vanligen placerade under aortaklaffen, och distalt, vid LV spetsen 8. Förändringar i spänning eller ledningsförmåga mäts av förändringar i ström som flyter från proximal till distal elektrod. Även blodpoolen bidras avsevärt till konduktans, bidraget från den ventrikulära väggen, benämnd parallellkonduktansen (Vp), till uppmätt ledningsförmåga måste dras för att erhålla absoluta mätningar LV volym.
Metoderna för att utföra denna korrigering, som kallas en koksalt kalibrering, diskuteras i protokollet nedan. Det matematiska förhållandet mellan konduktans och volym, beskriven av Baan och kollegor, är att volym = 1 / α; (ρ L 2) (GG p), där α = likformigt fält korrektionsfaktor, ρ = blod resistivitet, L = avståndet mellan elektroderna, G = konduktansen och G p = icke-blod konduktans 9. Notera den enhetliga fältkorrektionsfaktorn hos möss närmar sig 1,0 på grund av små kammarvolymer 10. Tillsammans med tryckgivare ger ledningskatetern realtid samtidig tryck- och volymuppgifter.
Hjärt pressuåtervolymanalys uppvisar särskilda fördelar jämfört med andra mått på hjärtfunktion, eftersom de möjliggör mätning av kammarfunktion oberoende av belastningsförhållanden och av hjärtfrekvens. Särskilda lastoberoende hjärtindex kontraktilitet inkluderar: slut systoliskt blodtryck volym relation (ESPVR), d P / d t max end-diastolisk volym relation, maximal elastans (E max) och förspänning rekryterslagarbete (PRSW). En lastoberoende mått på diastolisk funktion är slut diastoliska trycket volymförhållande (EDPVR) 11. Följande protokoll beskriver genomförandet av hjärttryckvolym slinganalys, med både en halspulsådern och en apikal strategi. Medan metoden att utföra dessa studier har beskrivits i detalj tidigare 8,11, går vi igenom de viktigaste åtgärder för att få exakta tryckvolymmätningar, både saltlösning och kyvett kalibrerings korrigering, och ger en visuell demonstration av these förfaranden. Forskning med djur som genomförs för denna studie hanteras i enlighet med godkända protokoll och djurskyddsbestämmelser av Duke University Medical Center Institutional Animal Care och användning kommittén.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi beskriver ett förfarande för perfoming tryck-volymslinganalys med användning av en konduktans kateter i möss, för att härleda omfattande analyser av både hjärtats kontraktilitet och avkoppling. Suga, Sagawa och kollegor utnyttjas tryck volym loopar att definiera åtgärder hjärtkontraktiliteten, särskilt lutningen på ESPVR eller slut systoliska elastans (E er), och Emax. Elasticiteten, som definieras av förhållandet mellan tryck och volym (P / V) varierar under hela systole. Under v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av American Heart Association 14FTF20370058 (DMA) och NIH T32 HL007101-35 (DMA).
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).
