Hjerterespons på β-adrenerge stimulering bestemt av trykkvolumsløyfeanalyse
Summary
Her beskriver vi en hjertetrykk-volum sløyfe analyse under økende doser av intravenøst infundert isoproterenol for å bestemme den iboende hjertefunksjonen og β-adrenerge reserve hos mus. Vi bruker en modifisert åpen brysttilnærming for trykkvolumsløyfemålingene, der vi inkluderer ventilasjon med positivt sluttutløpstrykk.
Abstract
Bestemmelse av hjertefunksjonen er en robust endepunktanalyse i dyremodeller av kardiovaskulære sykdommer for å karakterisere effekter av spesifikke behandlinger på hjertet. På grunn av muligheten for genetiske manipulasjoner har musen blitt den vanligste pattedyr dyremodellen for å studere hjertefunksjon og å søke etter nye potensielle terapeutiske mål. Her beskriver vi en protokoll for å bestemme hjertefunksjon in vivo ved hjelp av trykkvolum sløyfe målinger og analyse under basale forhold og under β-adrenerge stimulering ved intravenøs infusjon av økende konsentrasjoner av isoproterenol. Vi tilbyr en raffinert protokoll, inkludert ventilasjonsstøtte med tanke på det positive sluttutløpstrykket for å forbedre negative effekter under målinger av åpen bryst, og potent analgesi (Buprenorfin) for å unngå ukontrollerbart myokardspenning fremkalt av smerte under prosedyren. Alt i alt gir den detaljerte beskrivelsen av prosedyren og diskusjonen om mulige fallgruver svært standardisert og reproduserbar trykkvolumsløyfeanalyse, noe som reduserer utelukkelsen av dyr fra den eksperimentelle kohorten ved å forhindre mulig metodisk bias.
Introduction
Kardiovaskulære sykdommer påvirker vanligvis hjertefunksjonen. Dette problemet påpeker viktigheten av å vurdere in vivo detaljert hjertefunksjon i dyresykdomsmodeller. Dyreforsøk er omgitt av en ramme av de tre R-ene (3Rs) veiledende prinsipper (Reduser / forny / erstatt). Ved forståelse av komplekse patologier som involverer systemiske responser (dvs. kardiovaskulære sykdommer) på nåværende utviklingsnivå, er hovedalternativet å avgrense de tilgjengelige metodene. Raffinering vil også føre til en reduksjon av de nødvendige dyretallene på grunn av mindre variasjon, noe som forbedrer kraften i analysen og konklusjonene. I tillegg gir kombinasjon av hjertekontraktilitetsmålinger med dyremodeller av hjertesykdom, inkludert de som er indusert av nevrohumoral stimulering eller ved trykkoverbelastning som aortabånd, som for eksempel etterligner endret katekolamin / β-adrenerge nivåer1,2,3,4, en kraftig metode for prekliniske studier. Med tanke på at den kateterbaserte metoden forblir den mest brukte tilnærmingen for grundig vurdering av hjertekontraktilitet5, hadde vi som mål å presentere her en raffinert måling av in vivo hjertefunksjon hos mus ved trykkvolumsløyfe (PVL) målinger under β-adrenerge stimulering basert på tidligere erfaring, inkludert evaluering av spesifikke parametere for denne tilnærmingen6, 7.
For å bestemme hjerte hemodynamiske parametere tilnærminger som inkluderer avbildning eller kateterbaserte teknikker er tilgjengelige. Begge alternativene er ledsaget av fordeler og ulemper som nøye må vurderes for det respektive vitenskapelige spørsmålet. Imaging tilnærminger inkluderer ekkokardiografi og magnetisk resonans avbildning (MR); begge har blitt brukt med hell hos mus. Ekkokardiografiske målinger innebærer høye startkostnader fra en høyhastighets sonde som kreves for musenes høye hjertefrekvens; det er en relativt grei ikke-invasiv tilnærming, men den er variabel blant operatører som ideelt sett bør oppleves å gjenkjenne og visualisere hjertestrukturer. I tillegg kan ingen trykkmålinger utføres direkte, og beregninger er hentet fra kombinasjon av størrelsesstørrelser og strømningsmålinger. På den annen side har den fordelen at flere målinger kan utføres på samme dyr, og hjertefunksjon kan overvåkes for eksempel under sykdomsprogresjon. Når det gjelder volummålingen, er MR-en gullstandardprosedyren, men i likhet med ekkokardiografi er det ikke mulig å måle direkte trykk, og bare forhåndslastede avhengige parametere kan oppnås8. Begrensende faktorer er også tilgjengelighet, analyseinnsats og driftskostnader. Her er kateterbaserte metoder for å måle hjertefunksjon et godt alternativ som i tillegg tillater direkte overvåking av intrakarakumtrykk og bestemmelse av lastuavhengige kontraktilitetsparametere som preload recruitable stroke work (PRSW)9. Ventrikulære volumer målt ved et trykkledningskateter (gjennom konduktivitetsbestemmelse) er imidlertid mindre enn de fra MR, men gruppeforskjellene opprettholdes i samme område10. For å bestemme pålitelige volumverdier er den tilsvarende kalibreringen nødvendig, noe som er et kritisk skritt under PVL-målingene. Den kombinerer ex vivo-målinger av blodledningsevne i volumkalibrerte cuvettes (konvertering av ledning til volum) med in vivo-analysen for parallell ledning av myokardiet under bolusinjeksjonen av hypertonisk saltvann11,12. Utover det er plasseringen av kateteret inne i ventrikelen og riktig orientering av elektrodene langs ventrikelens langsgående akse avgjørende for deteksjonsevnen til det omkringliggende elektriske feltet produsert av dem. Fortsatt med den reduserte størrelsen på musehjertet er det mulig å unngå artefakter produsert av endringer i kateterets intraventrikulære orientering, selv i utvidede ventrikler5,10, men gjenstander kan utvikle seg under β-adrenerge stimulering6,13. I tillegg til konduktive metoder syntes utviklingen av opptaksbasert metode å unngå kalibreringstrinnene, men her er volumverdiene ganske overvurdert14,15.
Siden musen er en av de viktigste prekliniske modellene innen kardiovaskulær forskning og β–adrenerge reservat i hjertet er av sentral interesse for hjertefysiologi og patologi, presenterer vi her en raffinert protokoll for å bestemme in vivo hjertefunksjon hos mus ved PVL-målinger under β-adrenerge stimulering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her gir vi en protokoll for å analysere in vivo-hjertefunksjonen hos mus under økende β-adrenerge stimulering. Prosedyren kan brukes til å adressere begge, baseline parametere for hjertefunksjon og adrenerge reserve (f.eks. inotropi og kronotropi) hos genetisk modifiserte mus eller ved intervensjoner. Den mest fremtredende fordelen med PVL-målinger (pressure-volume loop) sammenlignet med andre metoder for å bestemme hjertefunksjon er analysen av egen, belastningsuavhengig hjertefunksjon. Alle andre metoder (f.eks. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er takknemlige til Manuela Ritzal, Hans-Peter Gensheimer, Christin Richter og teamet fra Interfakultäre Biomedizinische Forschungseinrichtung (IBF) fra Heidelberg University for ekspert teknisk assistanse.
Dette arbeidet ble støttet av DZHK (German Centre for Cardiovascular Research), BMBF (German Ministry of Education and Research), en Baden-Württemberg federal state Innovation fonds og Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) Project-ID 239283807 – TRR 152, FOR 2289 og Collaborative Research Center (SFB) 1118.
Materials
| 1.4F SPR-839 catheter | Millar Instruments, USA | 840-8111 | |
| 1 ml syringes | Beckton Dickinson, USA | REF303172 | |
| Bio Amplifier | ADInstruments, USA | FE231 | |
| Bridge-Amplifier | ADInstruments, USA | FE221 | |
| Bovine Serum Albumin | Roth, Germany | 8076.2 | |
| Buprenorphine hydrochloride | Bayer, Germany | 4007221026402 | |
| Calibration cuvette | Millar, USA | 910-1049 | |
| Differential pressure transducer MPX | Hugo Sachs Elektronik- Harvard Apparatus, Germany | Type 39912 | |
| Dumont Forceps #5/45 | Fine Science tools Inc. | 11251-35 | |
| Dumont Forceps #7B | Fine Science tools Inc. | 11270-20 | |
| Graefe Forceps | Fine Science tools Inc. | 11051-10 | |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | Ver. 8.3.0 | |
| EcoLab-PE-Micotube | Smiths, USA | 004/310/168-1 | |
| Etomidate Lipuro | Braun, Germany | 2064006 | |
| Excel | Microsoft | ||
| Heparin | Ratiopharm, Germany | R26881 | |
| Hot plate and control unit | Labotec, Germany | Hot Plate 062 | |
| Isofluran | Baxter, Germany | HDG9623 | |
| Isofluran Vaporizer | Abbot | Vapor 19.3 | |
| Isoprenalinhydrochloride | Sigma-Aldrich, USA | I5627 | |
| Fine Bore Polythene tubing 0.61 mm OD, 0.28 mm ID | Smiths Medical International Ltd, UK | Ref. 800/100/100 | |
| MiniVent ventilator for mice | Hugo Sachs Elektronik- Harvard Apparatus, Germany | Type 845 | |
| MPVS Ultra PVL System | Millar Instruments, USA | ||
| NaCl | AppliChem, Germany | A3597 | |
| NaCl 0.9% isotonic | Braun, Germany | 2350748 | |
| Pancuronium-bromide | Sigma-Aldrich, USA | BCBQ8230V | |
| Perfusor 11 Plus | Harvard Apparatus | Nr. 70-2209 | |
| Powerlab 4/35 control unit | ADInstruments, USA | PL3504 | |
| Rechargeable cautery-Set | Faromed, Germany | 09-605 | |
| Scissors | Fine Science tools Inc. | 140094-11 | |
| Software LabChart 7 Pro | ADInstruments, USA | LabChart 7.3 Pro | |
| Standard mouse food | LASvendi GmbH, Germany | Rod18 | |
| Stereo microscope | Zeiss, Germany | Stemi 508 | |
| Surgical suture 8/0 | Suprama, Germany | Ch.B.03120X | |
| Venipuncture-cannula Venflon Pro Safty 20-gauge | Beckton Dickinson, USA | 393224 | |
| Vessel Cannulation Forceps | Fine Science tools Inc. | 00574-11 | |
| Water bath | Thermo Fisher Scientific, USA | ||
| Syringe filter (Filtropur S 0.45) | Sarstedt, Germany | Ref. 83.1826 |
References
- Bacmeister, L., et al. Inflammation and fibrosis in murine models of heart failure. Basic Research in Cardiology. 114 (3), 19 (2019).
- Hartupee, J., Mann, D. L. Neurohormonal activation in heart failure with reduced ejection fraction. Nature Reviews Cardiology. 14 (1), 30-38 (2017).
- Hasenfuss, G. Animal models of human cardiovascular disease, heart failure and hypertrophy. Cardiovascular Research. 39 (1), 60-76 (1998).
- Lefkowitz, R. J., Rockman, H. A., Koch, W. J. Catecholamines, cardiac beta-adrenergic receptors, and heart failure. Circulation. 101 (14), 1634-1637 (2000).
- Cingolani, O. H. K. Pressure-volume relation analysis of mouse ventricular function. The American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 301, 2198-2206 (2011).
- Bacmeister, L., et al. Assessment of PEEP-Ventilation and the Time Point of Parallel-Conductance Determination for Pressure-Volume Analysis Under beta-Adrenergic Stimulation in Mice. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 6, 36 (2019).
- Segin, S., et al. Cardiomyocyte-Specific Deletion of Orai1 Reveals Its Protective Role in Angiotensin-II-Induced Pathological Cardiac Remodeling. Cells. 9 (5), (2020).
- Clark, J. E., Marber, M. S. Advancements in pressure-volume catheter technology – stress remodelling after infarction. Experimental Physiology. 98 (3), 614-621 (2013).
- 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).
- Winter, E. M., et al. Left ventricular function in the post-infarct failing mouse heart by magnetic resonance imaging and conductance catheter: a comparative analysis. Acta Physiologica. 194 (2), 111-122 (2008).
- Krenz, M. Conductance, admittance, and hypertonic saline: should we take ventricular volume measurements with a grain of salt. Journal of Applied Physiology. 107 (6), 1683-1684 (2009).
- 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 (2008).
- Wei, A. E., Maslov, M. Y., Pezone, M. J., Edelman, E. R., Lovich, M. A. Use of pressure-volume conductance catheters in real-time cardiovascular experimentation. Heart, Lung and Circulation. 23 (11), 1059-1069 (2014).
- van Hout, G. P., et al. Admittance-based Pressure-Volume Loops versus gold standard cardiac magnetic resonance imaging in a porcine model of myocardial infarction. Physiological Reports. 2 (4), 00287 (2014).
- Wei, C. L., Shih, M. H. Calibration Capacity of the Conductance-to-Volume Conversion Equations for the Mouse Conductance Catheter Measurement System. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (6), 1627-1634 (2009).
- Das, S., MacDonald, K., Chang, H. Y., Mitzner, W. A simple method of mouse lung intubation. Journal of Visualized Experiments. (73), e50318 (2013).
- Faul, F., Erdfelder, E., Lang, A. G., Buchner, A. G*Power 3: a flexible statistical power analysis program for the social, behavioral, and biomedical sciences. Behavior Research Methods. 39 (2), 175-191 (2007).
- Weiss, J. L., Frederiksen, J. W., Weisfeldt, M. L. Hemodynamic determinants of the time-course of fall in canine left ventricular pressure. Journal of Clinical Investigation. 58 (3), 751-760 (1976).
- Faul, F., Erdfelder, E., Lang, A. G., Buchner, A. G*Power 3: a flexible statistical power analysis program for the social, behavioral, and biomedical sciences. Behavioral Research Methods. 39 (2), 175-191 (2007).
- Jacoby, C., et al. Direct comparison of magnetic resonance imaging and conductance microcatheter in the evaluation of left ventricular function in mice. Basic Research in Cardiology. 101 (1), 87-95 (2006).
- Georgakopoulos, D., Kass, D. A. Estimation of parallel conductance by dual-frequency conductance catheter in mice. The American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 279 (1), 443-450 (2000).
- Calligaris, S. D., Ricca, M., Conget, P. Cardiac stress test induced by dobutamine and monitored by cardiac catheterization in mice. Journal of Visualized Experiments. (72), e50050 (2013).
- Abraham, D., Mao, L. Cardiac Pressure-Volume Loop Analysis Using Conductance Catheters in Mice. Journal of Visualized Experiments. (103), e52942 (2015).
- 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. Conference proceedings – IEEE engineering in medicine and biology society. 2010, 3556-3558 (2010).
- Nielsen, J. M., et al. Left ventricular volume measurement in mice by conductance catheter: evaluation and optimization of calibration. The American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 293 (1), 534-540 (2007).
- Townsend, D. Measuring Pressure Volume Loops in the Mouse. Journal of Visualized Experiments. (111), e53810 (2016).
- Barnabei, M. S., Palpant, N. J., Metzger, J. M. Influence of genetic background on ex vivo and in vivo cardiac function in several commonly used inbred mouse strains. Physiological Genomics. 42 (2), 103-113 (2010).
- Oosterlinck, W., Vanderper, A., Flameng, W., Herijgers, P. Glucose tolerance and left ventricular pressure-volume relationships in frequently used mouse strains. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2011, 281312 (2011).
- Guo, X., Kono, Y., Mattrey, R., Kassab, G. S. Morphometry and strain distribution of the C57BL/6 mouse aorta. The American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 283 (5), 1829-1837 (2002).
- Weiss, R. M., Ohashi, M., Miller, J. D., Young, S. G., Heistad, D. D. Calcific aortic valve stenosis in old hypercholesterolemic mice. Circulation. 114 (19), 2065-2069 (2006).
