رصد متعدد النظم لتحديد المضبوطات وعدم انتظام ضربات القلب وانقطاع النفس في الأرانب المقيدة الواعية
Summary
باستخدام الفيديو المتزامن-تخطيط كهربية الدماغ-ECG-قياس الأكسدة-capnography، وضعنا منهجية لتقييم قابلية نماذج الأرانب لتطوير عدم انتظام ضربات القلب والنوبات التي أثارت. هذا النظام تسجيل الرواية يؤسس منصة لاختبار فعالية وسلامة العلاجات ويمكن التقاط سلسلة معقدة من الأحداث متعددة النظام التي تبلغ ذروتها في الموت المفاجئ.
Abstract
المرضى الذين يعانون من اعتلال القناة الأيونية معرضون لخطر كبير للإصابة بالنوبات وعدم انتظام ضربات القلب القاتل. هناك انتشار أعلى لأمراض القلب وعدم انتظام ضربات القلب لدى الأشخاص المصابين بالصرع (أي القلب الصرعي). بالإضافة إلى ذلك، تم الإبلاغ عن اضطرابات قلبية ولاإرادية حول النوبات. 1:1,000 مريض صرع/سنة يموتون من الموت المفاجئ غير المتوقع في الصرع (SUDEP). ولا تزال آليات البرنامج غير مفهومة فهما كاملا. تخطيط كهربية الدماغ (EEG) وتخطيط القلب (ECG) هما تقنيتان تستخدمان بشكل روتيني في الإعداد السريري للكشف عن الركائز / المشغلات للنوبات وعدم انتظام ضربات القلب ودراسةها. في حين أن العديد من الدراسات والأوصاف لهذه المنهجية موجودة في القوارض ، فإن نشاطها الكهربائي القلبي يختلف بشكل كبير عن البشر. تقدم هذه المقالة وصفا لطريقة غير الغازية لتسجيل الفيديو المتزامن-تخطيط كهربية الدماغ-ECG-oximetry-capnography في الأرانب واعية. كما وظيفة القلب الكهربائية مماثلة في الأرانب والبشر، والأرانب توفر نموذجا ممتازا للدراسات التشخيصية والعلاجية الترجمة. بالإضافة إلى تحديد منهجية الحصول على البيانات ، نناقش النهج التحليلية لفحص الوظيفة الكهربائية العصبية القلبية وعلم الأمراض في الأرانب. ويشمل ذلك الكشف عن عدم انتظام ضربات القلب، والتحليل الطيفي ل تخطيط كهربية الدماغ، ومقياس المضبوطات الذي تم تطويره للأرانب المقيدة.
Introduction
يستخدم تخطيط القلب الكهربائي (ECG) بشكل روتيني في الإعداد السريري لتقييم ديناميكيات التوصيل الكهربائي القلبي وعملية التنشيط والاستعادة الكهربائية. تخطيط القلب مهم للكشف عن, توطين, وتقييم مخاطر عدم انتظام ضربات القلب, نقص التروية, والاحتشاءات. عادة، يتم لصق الأقطاب الكهربائية على صدر المريض وذراعيه وساقيه من أجل توفير رؤية ثلاثية الأبعاد للقلب. يتم إنتاج انحراف إيجابي عندما يكون اتجاه إزالة الاستقطاب عضلة القلب نحو القطب الكهربائي ويتم إنتاج انحراف سلبي عندما يكون اتجاه إزالة الاستقطاب عضلة القلب بعيدا عن القطب الكهربائي. وتشمل المكونات الكهرومغرافية للدورة القلبية إزالة الاستقطاب الأذيني (موجة P)، ومصل البطين الأذيني (الفاصل الزمني P-R)، والإثارة البطينية (مجمع الاستجابة السريعة)، وإعادة الاستقطاب البطيني (موجة T). هناك أوجه تشابه كبيرة في تخطيط القلب والتدابير المحتملة للعمل عبر العديد من الثدييات بما في ذلك البشر والأرانب وال وخنازير غينيا والخنازير والماعز والخيول1و2و3.
الأرانب هي نموذج مثالي للبحوث القلبية. قلب الأرنب يشبه قلب الإنسان من حيث تكوين القناة الأيونية ، والعمل المحتمل خصائص2،4،5. وقد استخدمت الأرانب لتوليد الوراثية, المكتسبة, والنماذج الناجمة عن المخدرات من أمراض القلب2,4,6,7,8. هناك أوجه تشابه كبيرة في تخطيط القلب والاستجابة المحتملة للعمل على المخدرات في البشر والأرانب7،10،11.
معدل ضربات القلب والقلب الكهربائية تنشيط عملية الانتعاش يختلف كثيرا في القوارض، بالمقارنة مع الأرانب والبشر، وغيرها من الثدييات أكبر12،13،14. قلب القوارض ينبض ب 10 أضعاف سرعة البشر في المقابل، إلى قطاع ST ISO الكهربائية في ECGs الإنسان والأرنب، لا يوجد أي جزء ST في القوارض14،15،16. أيضا ، القوارض لديها شكل موجي QRS-r مع موجة Tمقلوبة 14،15،16. قياسات الفاصل الزمني QT مختلفة جدا في القوارض مقابل البشر والأرانب14،15،16. وعلاوة على ذلك، قيم تخطيط القلب العادية هي مختلفة جدا في البشر مقابل القوارض12،15،16. ويمكن أن تعزى هذه الاختلافات في الأشكال الموجية تخطيط القلب إلى الاختلافات في العمل المورفولوجيا المحتملة والقنوات الأيونية التي تدفع إعادة الاستقطاب القلبي9،14. في حين أن تيار البوتاسيوم الخارجي العابر هو التيار الرئيسي لإعادة الاستقطاب في التحولات القلبية القصيرة (غير القبة) المحتملة للعمل القلبي في القوارض ، في البشر والأرانب هناك قبة كبيرة للمرحلة 2 على إمكانات العمل ، وتيارات البوتاسيوم التصحيحية المتأخرة (IKr و IKS)هي التيارات الرئيسية لإعادة الاستقطاب في البشر والأرانب4و9و13و17. الأهم من ذلك ، فإن التعبير عن أناKr و IKS غائب / الحد الأدنى في القوارض ، وبسبب الحركية التنشيط الزمنية ل IKr و IKS ، فإنه ليس له دور في التحولات المحتملة للعمل القلبي9،13. وهكذا، توفر الأرانب نموذجا أكثر ترجمة لتقييم آليات المخدرات الناجمة عن، المكتسبة، ووراثة تشوهات تخطيط القلب وعدم انتظام ضربات القلب4،7،13. بعد ذلك ، كما أظهرت العديد من الدراسات وجود كل من التشوهات العصبية والقلبية الكهربائية في القلب الأولي (متلازمة QTالطويلة 18،19،20)أو أمراض الخلايا العصبية (الصرع21،22،23،24)، من المهم دراسة الآليات الأساسية في نموذج حيواني يستنسخ علم وظائف الأعضاء البشري عن كثب. في حين أن القوارض قد تكون كافية لنمذجة الدماغ البشري ، والقوارض ليست نموذجا مثاليا لعلم وظائف الأعضاء القلب البشري7.
يستخدم تخطيط كهربية الدماغ (EEG) أقطاب كهربائية، توضع عادة على فروة الرأس أو داخل الجمجمة، لتسجيل الوظيفة الكهربائية القشرية. يمكن لهذه الأقطاب الكشف عن التغيرات في معدل إطلاق النار والتزامن من مجموعات من الخلايا العصبية الهرمية القريبة في قشرة الدماغ25. يمكن استخدام هذه المعلومات لتقييم الوظيفة الدماغية وحالة الاستيقاظ / النوم. كما أن ال EEGs مفيدة لترجمة نشاط الصرع، والتمييز بين نوبات الصرع والأحداث غير الصرعية (على سبيل المثال، النشاط النفسي غير الصرعي والأحداث القلبية المنشأ). من أجل تشخيص نوع الصرع ، وعوامل استفزاز ، وأصل النوبة ، يتعرض مرضى الصرع لمناورات مختلفة قد تؤدي إلى نوبة. وتشمل الطرق المختلفة فرط التهوية، والتحفيز الفوتي، والحرمان من النوم. يوضح هذا البروتوكول استخدام التحفيز الفوتي للحث على انحرافات ومضبوطات تخطيط كهربية الدماغ في الأرانب26و27و28و29.
وقد استخدمت تسجيلات الفيديو في وقت واحد تخطيط كهربية الدماغ-ECG على نطاق واسع في البشر والقوارض لتقييم النشاط السلوكي والخلايا العصبية والقلب خلال الدول ما قبل ictal، ictal، وما بعد ictal30. في حين أن العديد من الدراسات قد أجريت EEG وتسجيلات تخطيط القلب بشكل منفصل في الأرانب4،31،32،33، نظام للحصول على وتحليل الفيديو في وقت واحد – تخطيط كهربية الدماغ – ECG في الأرنب ضبط النفس واعية ليست راسخة34. تصف هذه الورقة تصميم وتنفيذ بروتوكول يمكنه تسجيل بيانات قياس الأكسدة في الفيديو -EEG-ECG المتزامنة في الأرانب الواعية من أجل تقييم الوظيفة الكهربائية والجهاز التنفسي العصبية القلبية. يمكن أن تشير النتائج التي تم جمعها من هذه الطريقة إلى الحساسية والمحفزات والديناميكيات والتوافق بين عدم انتظام ضربات القلب والنوبات واضطرابات الجهاز التنفسي والمظاهر المادية. ميزة نظامنا التجريبي هو أن نحصل على تسجيلات واعية دون الحاجة إلى مهدئ. الأرانب تبقى في المقيدين لمدة ≥5 ساعة، مع الحد الأدنى من الحركة. كما التخدير اضطراب الخلايا العصبية, القلب, الجهاز التنفسي, ووظيفة اللاإرادي, التسجيلات خلال الدولة واعية توفر البيانات الأكثر الفسيولوجية.
قد يوفر نظام التسجيل هذا في نهاية المطاف رؤى مفصلة لتعزيز فهم الآليات العصبية والقلبية والتنفسية للوفاة المفاجئة غير المتوقعة في الصرع (SUDEP). بالإضافة إلى الرصد العصبي والقلبي أعلاه، دعمت الأدلة الحديثة أيضا دور فشل الجهاز التنفسي كمساهمة محتملة في الوفاة المفاجئة بعدالنوبة 35،36. ولرصد الحالة التنفسية للأرانب، تم تنفيذ قياس الأكسدة والكابنوغرافيا لتقييم حالة الجهاز التنفسي قبل النوبة وأثناءها وبعدها. تم تصميم البروتوكول المعروض هنا بهدف تقييم عتبة المضبوطات الناجمة عن الأرانب الدوائية والفوتيتيكية. يمكن لهذا البروتوكول الكشف عن تشوهات تخطيط كهربية الدماغ و ECG الدقيقة التي قد لا تؤدي إلى مظاهر مادية. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه الطريقة لسلامة القلب واختبار فعالية مضادة لللامنهجية من الأدوية والأجهزة الجديدة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسهل هذا الإعداد التجريبي تسجيلات وتحليلات الفيديو المتزامنة المفصلة -EEG-ECG-oximetry-capnography في الأرانب ، خاصة في نماذج أمراض القلب و / أو الخلايا العصبية. تظهر نتائج هذه المقالة أن هذه الطريقة قادرة على اكتشاف النوبات وعدم انتظام ضربات القلب والتمييز بينها وبين القطع الأثرية الكهربائية. تم الح?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون بأن هذه الدراسة كانت مدعومة بمنح من جمعية القلب الأمريكية، وجمعية الصرع الأمريكية، وقسم طب الصيدلة في شمال الولاية.
Materials
| 0.9% Sodium Chloride Irrigation, USP – Flexible Container | PFIZER (HOSPIRA) | 7983-09 | Dilutant |
| 10cc Luer Lock syringe with 20G x 1" Needle | Sur-Vet | SS-10L2025 | Used as a flush after drug injection |
| 4×4 gauze sponges | Fisher Scientific | 22-415-469 | Rolled in a tube to splint ear with angiocatheter |
| Apple Sauce | Kirkland | 897971 | Vehicle for oral medications |
| Computer | Dell | Optiplex 5040 | Acquisition computer |
| E-4031 | Tocris | 1808 | Agent known to prolong the QT interval |
| ECG Electrode | RhythmLink | RLSND116-2.5 | 13mm 35-degree bent (0.4 mm diameter) subdermal pin electrodes |
| EEG Electrode | RhythmLink | RLSP513 | 5-twist 13mm straight (0.4mm diameter) subdermal pin electrodes |
| EEGLAB (2020) | Swartz Center for Computational Neuroscience | Open Access | Can perform spectral analysis of EEG |
| Ethernet-to-ethernet adapter | Linksys | USB3G16 | Adapter for connecting the camera to the computer |
| Euthanasia-III Solution | Med-Pharmex | ANADA 200-280 | Contains pentobarbital sodium and phenytoin sodium, controlled substance |
| Foam padding | Generic | N/A | Reduces pressure applied to the neck of small rabbits by the restrainer in order to prevent the adverse cardiorespiratory effects of neck compression |
| Heparin Lock Flush | Medline | EMZ50051240 | To maintain patency of angiocatheter |
| IR Light | Bosch | EX12LED-3BD-8W | Facilitates recordings in the dark |
| LabChart Pro (2019, Version 8.1.16) | ADInstruments | N/A | ECG Analysis |
| JELCO PROTECTIV Safety I.V. Catheters, 25 gauge | Smiths Medical | 3060 | Used to catherize marginal ear vein |
| MATLAB (R2019b, Update 5) | MathWorks | N/A | Required to run EEGLAB |
| Microphone | Sony Stereo | ECM-D570P | Recording of audible manifestions of seizures |
| Micropore Medical Tape, Paper, White | 3M | 1530-1 | Used to secure wires and create ear splint |
| Natus NeuroWorks | Natus | LC101-8 | Acquisition and review software |
| Pentylenetetrazol (1 – 10 mg/kg always in 1mL volume) | Sigma-Aldrich | 88580 | Dilutions prepared in saline |
| Photic Stimulator | Grass | PS22 | Stimulator to control frequency, delay, duration, intensity of the light pulses |
| Plastic wire organizer / bundler | 12Vwire.com | LM-12-100-BLK | Bundle wires to cut down on noise |
| PS 22 Photic Stimulator | Grass Instruments | BZA641035 | Strobe light with adjustable flash frequency, delay, and intensity |
| PVC pipe | Generic | N/A | Prevents small rabbits from kicking their hind legs and causing spinal injury |
| Quantum Amplifier | Natus | 13926 | Amplifier / digitizer |
| Quantum HeadBox Amplifier | Natus | 22134 | 64-pin breakout box |
| Rabbit Restrainer | Plas-Labs | 501-TC | Various size rabbit restrainers are available. 6" x 18" x 6" in this study. |
| Rubber pad (booster) | Generic | N/A | Raises small rabbits up in the restrainer to prevent neck compression |
| SpO2 ear clip | NONIN | 61000 | PureSAT/SpO2 |
| SpO2 sensor adapter | NONIN | 13931 | XPOD PureSAT/SpO2 |
| SRG-X120 1080p PTZ Camera with HDMI, IP & 3G-SDI Output | Sony | SRG-X120 | Impela Camera |
| Terumo Sur-Vet Tuberculin Syringe 1cc 25G X 5/8" Regular Luer | Sur-Vet | 13882 | Used to inject intravenous medications |
| Veterinary Injection Plug Luer Lock | Sur-Vet | SRIP2V | Injection plug for inserting the needle for intravenous medication |
| Webcol Alcohol Prep, Sterile, Large, 2-ply | Covidien | 5110 | To prepare ear vein before catheterization |
References
- Kaese, S., et al. The ECG in cardiovascular-relevant animal models of electrophysiology. Herzschrittmacherther Elektrophysiology. 24 (2), 84-91 (2013).
- Pogwizd, S. M., Bers, D. M. Rabbit models of heart disease. Drug Discovery Today: Disease Models. 5 (3), 185-193 (2008).
- O’Hara, T., Rudy, Y. Quantitative comparison of cardiac ventricular myocyte electrophysiology and response to drugs in human and nonhuman species. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 302 (5), 1023-1030 (2012).
- Brunner, M., et al. Mechanisms of cardiac arrhythmias and sudden death in transgenic rabbits with long QT syndrome. Journal of Clinical Investigation. 118 (6), 2246-2259 (2008).
- Lengyel, C., et al. Pharmacological block of the slow component of the outward delayed rectifier current (I(Ks)) fails to lengthen rabbit ventricular muscle QT(c) and action potential duration. British Journal of Pharmacology. 132 (1), 101-110 (2001).
- Baczko, I., Hornyik, T., Brunner, M., Koren, G., Odening, K. E. Transgenic rabbit models in proarrhythmia research. Frontiers in Pharmacology. 11, 853 (2020).
- Rudy, Y., et al. Systems approach to understanding electromechanical activity in the human heart: a national heart, lung, and blood institute workshop summary. Circulation. 118 (11), 1202-1211 (2008).
- Zhu, Y., Ai, X., Oster, R. A., Bers, D. M., Pogwizd, S. M. Sex differences in repolarization and slow delayed rectifier potassium current and their regulation by sympathetic stimulation in rabbits. Archives. 465 (6), 805-818 (2013).
- Nerbonne, J. M., Nichols, C. G., Schwarz, T. L., Escande, D. Genetic manipulation of cardiac K(+) channel function in mice: what have we learned, and where do we go from here. Circulation Research. 89 (11), 944-956 (2001).
- Eckardt, L., et al. Drug-related torsades de pointes in the isolated rabbit heart: comparison of clofilium, d,l-sotalol, and erythromycin. Journal of Cardiovascular Pharmacology. 32 (3), 425-434 (1998).
- Baczko, I., Jost, N., Virag, L., Bosze, Z., Varro, A. Rabbit models as tools for preclinical cardiac electrophysiological safety testing: Importance of repolarization reserve. Progress on Biophysics and Molecular Biology. 121 (2), 157-168 (2016).
- Richig, J. W., Sleeper, M. M. . Electrocardiography of Laboratory Animals. , (2019).
- Edwards, A. G., Louch, W. E. Species-dependent mechanisms of cardiac arrhythmia: A cellular focus. Clinical Medicine Insights. Cardiology. 11, 1179546816686061 (2017).
- Salama, G., London, B. Mouse models of long QT syndrome. Journal of Physiology. 578, 43-53 (2007).
- Zhang, Y., Wu, J., King, J. H., Huang, C. L., Fraser, J. A. Measurement and interpretation of electrocardiographic QT intervals in murine hearts. American Journal of Physiology. Heart and Circulation Physiology. 306 (11), 1553-1557 (2014).
- Auerbach, D. S., et al. Altered cardiac electrophysiology and SUDEP in a model of dravet syndrome. PLoS One. 8 (10), 15 (2013).
- Aiba, T., Tomaselli, G. F. Electrical remodeling in the failing heart. Current Opinion in Cardiology. 25 (1), 29-36 (2010).
- Auerbach, D. S., et al. Genetic biomarkers for the risk of seizures in long QT syndrome. Neurology. 87 (16), 1660-1668 (2016).
- Anderson, L. L., et al. Antiepileptic activity of preferential inhibitors of persistent sodium current. Epilepsia. 55 (8), 1274-1283 (2014).
- Johnson, J. N., et al. Identification of a possible pathogenic link between congenital long QT syndrome and epilepsy. Neurology. 72 (3), 224-231 (2009).
- Devinsky, O., Hesdorffer, D. C., Thurman, D. J., Lhatoo, S., Richerson, G. Sudden unexpected death in epilepsy: epidemiology, mechanisms, and prevention. Lancet Neurology. 15 (10), 1075-1088 (2016).
- Bagnall, R. D., et al. Exome-based analysis of cardiac arrhythmia, respiratory control, and epilepsy genes in sudden unexpected death in epilepsy. Annals in Neurology. 79 (4), 522-534 (2016).
- Frasier, C. R., et al. Channelopathy as a SUDEP biomarker in dravet syndrome patient-derived cardiac myocytes. Stem Cell Reports. 11 (3), 626-634 (2018).
- Glasscock, E. Genomic biomarkers of SUDEP in brain and heart. Epilepsy and Behavior. 38, 172-179 (2014).
- Olejniczak, P. Neurophysiologic basis of EEG. Journal of Clinical Neurophysiology. 23 (3), 186-189 (2006).
- Gastaut, H., Hunter, J. An experimental study of the mechanism of photic activation in idiopathic epilepsy. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 2 (3), 263-287 (1950).
- Fisher, R. S., et al. Photic- and pattern-induced seizures: A review for the Epilepsy Foundation of America Working Group. Epilepsia. 46 (9), 1426-1441 (2005).
- Specchio, N., et al. Diagnosing photosensitive epilepsy: fancy new versus old fashioned techniques in patients with different epileptic syndromes. Brain Development. 33 (4), 294-300 (2011).
- Kasteleijn-Nolst Trenite, D., et al. Methodology of photic stimulation revisited: updated European algorithm for visual stimulation in the EEG laboratory. Epilepsia. 53 (1), 16-24 (2012).
- Mishra, V., Gautier, N. M., Glasscock, E. Simultaneous video-EEG-ECG monitoring to identify neurocardiac dysfunction in mouse models of epilepsy. Journal of Visualized Experiments. (131), e57300 (2018).
- Green, J. D., Maxwell, D. S., Schindler, W. J., Stumpf, C. Rabbit EEG “theta” rhythm: Its anatomical source and relation to activity in single neurons. Journal of Neurophysiology. 23 (4), 403-420 (1960).
- Petersen, J., Diperri, R., Himwich, W. A. The comparative development of the EEG in rabbit, cat and dog. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 17, 557-563 (1964).
- Strain, G. M., Van Meter, W. G., Brockman, W. H. Elevation of seizure thresholds: a comparison of cerebellar stimulation, phenobarbital, and diphenylhydantoin. Epilepsia. 19 (5), 493-504 (1978).
- Cheng, Y., et al. Effectiveness of retigabine against levobupivacaine-induced central nervous system toxicity: A prospective, randomized animal study. Journal of Anesthesia. 30 (1), 109-115 (2016).
- Nascimento, F. A., et al. Pulmonary and cardiac pathology in sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Epilepsy and Behavior. 73, 119-125 (2017).
- Buchanan, G. F. Impaired CO2-Induced Arousal in SIDS and SUDEP. Trends in Neuroscience. 42 (4), 242-250 (2019).
- Van Egmond, P., Binnie, C. D., Veldhuizen, R. The effect of background illumination on sensitivity to intermittent photic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 48 (5), 599-601 (1980).
- Harding, G. F., Fylan, F. Two visual mechanisms of photosensitivity. Epilepsia. 40 (10), 1446-1451 (1999).
- Kuwada, S., Stanford, T. R., Batra, R. Interaural phase-sensitive units in the inferior colliculus of the unanesthetized rabbit: effects of changing frequency. Journal of Neurophysiology. 57 (5), 1338-1360 (1987).
- Kalume, F., et al. Sudden unexpected death in a mouse model of Dravet syndrome. Journal of Clinical Investigation. 123 (4), 1798-1808 (2013).
- Xiang, C., et al. Threshold for maximal electroshock seizures (MEST) at three developmental stages in young mice. Zoology Research. 40 (3), 231-235 (2019).
- Ross, K. C., Coleman, J. R. Developmental and genetic audiogenic seizure models: behavior and biological substrates. Neuroscience and Biobehavior Reviews. 24 (6), 639-653 (2000).
- Faingold, C. L., Randall, M., Tupal, S. DBA/1 mice exhibit chronic susceptibility to audiogenic seizures followed by sudden death associated with respiratory arrest. Epilepsy and Behavior. 17 (4), 436-440 (2010).
