Monitoraggio multi-sistema per l'identificazione di convulsioni, aritmie e apnee nei conigli trattenuti coscienti
Summary
Utilizzando video-EEG-ECG-oximetry-capnography simultanei, abbiamo sviluppato una metodologia per valutare la suscettibilità dei modelli di coniglio per sviluppare aritmie e convulsioni provocate. Questo nuovo sistema di registrazione stabilisce una piattaforma per testare l’efficacia e la sicurezza delle terapie e può catturare la complessa cascata di eventi multi-sistema che culminano nella morte improvvisa.
Abstract
I pazienti con channelopatie ioniche sono ad alto rischio di sviluppare convulsioni e aritmie cardiache fatali. C’è una maggiore prevalenza di malattie cardiache e aritmie nelle persone con epilessia (cioè cuore epilettico). Inoltre, sono stati segnalati disturbi cardiaci e autonomici che circondano le convulsioni. 1:1.000 pazienti con epilessia/anno muoiono di morte improvvisa e inaspettata nell’epilessia (SUDEP). I meccanismi per il SUDEP rimangono incompleti. Gli elettroencefalogrammi (EEG) e gli elettrocardiogrammi (ECG) sono due tecniche abitualmente utilizzate nell’ambiente clinico per rilevare e studiare i substrati/trigger per convulsioni e aritmie. Mentre molti studi e descrizioni di questa metodologia sono nei roditori, la loro attività elettrica cardiaca differisce significativamente dagli esseri umani. Questo articolo fornisce una descrizione di un metodo non invasivo per la registrazione simultanea di video-EEG-ECG-oximetry-capnoography nei conigli coscienti. Poiché la funzione elettrica cardiaca è simile nei conigli e nell’uomo, i conigli forniscono un eccellente modello di studi diagnostici e terapeutici traslittiali. Oltre a delineare la metodologia per l’acquisizione dei dati, discutiamo gli approcci analitici per l’esame della funzione elettrica neuro-cardiaca e della patologia nei conigli. Ciò include il rilevamento dell’aritmia, l’analisi spettrale dell’EEG e una scala di crisi sviluppata per conigli trattenuti.
Introduction
L’elettrocardiografia (ECG) viene utilizzata regolarmente nell’ambiente clinico per valutare la dinamica della conduzione elettrica cardiaca e il processo di attivazione-recupero elettrico. L’ECG è importante per rilevare, localizzare e valutare il rischio di aritmie, ischemia e infarizioni. Tipicamente, gli elettrodi sono apposti sul petto, sulle braccia e sulle gambe del paziente al fine di fornire una visione tridimensionale del cuore. Una deflessione positiva viene prodotta quando la direzione della depolarizzazione del miocardio è verso l’elettrodo e viene prodotta una deflessione negativa quando la direzione della depolarizzazione del miocardio è lontana dall’elettrodo. I componenti elettrografici del ciclo cardiaco includono la depolarizzazione atriale (onda P), la conduzione atriale-ventricolare (intervallo P-R), l’eccitazione ventricolare (complesso QRS) e la ripolarizzazione ventricolare (onda T). Ci sono grandi somiglianze nell’ECG e misure potenziali d’azione in molti mammiferi tra cui umani, conigli, cani, porcellini d’India, maiali, capre e cavalli1,2,3.
I conigli sono un modello ideale per la ricerca traslizionale cardiaca. Il cuore di coniglio è simile al cuore umano in termini di composizione del canale ionica e proprietà potenzialid’azione 2,4,5. I conigli sono stati utilizzati per la generazione di modelli genetici, acquisiti e indotti da farmaci di malattiecardiache 2,4,6,7,8. Ci sono grandi somiglianze nell’ECG cardiaco e una potenziale risposta d’azione ai farmaci negli esseriumani e nei conigli 7,10,11.
La frequenza cardiaca e il processo di attivazione-recupero elettrico cardiaco sono molto diversi nei roditori, rispetto ai conigli, agli esseri umani e ad altri mammiferipiù grandi 12,13,14. Il cuore del roditore batte ~ 10 volte più velocemente degli esseri umani. Al contrario, al segmento ST iso-elettrico negli ECG umani e dei conigli, non esiste un segmento ST nei roditori14,15,16. Inoltre, i roditori hanno una forma d’onda QRS-r’ con un’onda T invertita14,15,16. Le misurazioni dell’intervallo QT sono molto diverse nei roditori rispetto agli esseri umani e aiconigli 14,15,16. Inoltre, i normali valori ECG sono molto diversi negli esseri umani rispetto ai roditori12,15,16. Queste differenze nelle forme d’onda ECG possono essere attribuite alle differenze nella morfologia del potenziale d’azione e nei canali ionici che guidano la ripolarizzazionecardiaca 9,14. Mentre la corrente transitoria verso l’esterno di potassio è la principale corrente ripolarizzante nella morfologia del potenziale di azione cardiaca corta (non dome) nei roditori, nell’uomo e nei conigli c’è una grande cupola di fase 2 sul potenziale d’azione, e le correnti di potassio raddrizzatore ritardato (I Kr e IKs)sono le principali correnti di ridimensionamento polari nell’uomo e nei conigli4,9,13,17. È importante sottolineare che l’espressione di IKr e IKs è assente / minima nei roditori, e a causa della cinetica di attivazione temporale di IKr e IKs non ha un ruolo nella morfologia del potenziale di azione cardiaca9,13. Pertanto, i conigli forniscono un modello più traslazionale per valutare i meccanismi per le anomalie e le aritmie ECG indotte, acquisite ed ereditarie da farmaci4,7,13. Successivamente, poiché numerosi studi hanno dimostrato la presenza di anomalie elettriche neuronali e cardiache nelle malattie cardiache primarie (sindrome QT lunga18,19,20) o neuronali (epilessia21,22,23,24), è importante studiare i meccanismi sottostanti in un modello animale che riproduce da vicino la fisiologia umana. Mentre i roditori possono essere sufficienti per modellare il cervello umano, i roditori non sono un modello ideale di fisiologia cardiaca umana7.
L’elettroencefalografia (EEG) utilizza elettrodi, solitamente posti sul cuoio capelluto o intracranicialmente, per registrare la funzione elettrica corticale. Questi elettrodi possono rilevare cambiamenti nella velocità di cottura e sincronicità di gruppi di neuroni piramidali vicini nella corteccia cerebrale25. Queste informazioni possono essere utilizzate per valutare la funzione cerebrale e lo stato di veglia / sonno. Inoltre, gli EEG sono utili per localizzare l’attività epileptiforme e distinguere le convulsioni epilettiche da eventi non epilettici (ad esempio, attività psicogenica non epilettiforme ed eventi cardiogenici). Al fine di diagnosticare il tipo di epilessia, i fattori provocatori e l’origine della crisi epilessia, i pazienti con epilessia sono sottoposti a varie manovre che possono portare a una crisi epilettica. Vari metodi includono iperventilazione, stimolazione fotica e privazione del sonno. Questo protocollo dimostra l’uso della stimolazione fotica per indurre aberrazioni e convulsioni EEG neiconigli 26,27,28,29.
Registrazioni video-EEG-ECG simultanee sono state ampiamente utilizzate negli esseri umani e nei roditori per valutare l’attività comportamentale, neuronale e cardiaca durante gli stati pre-ictal, ictal e post-ictal30. Mentre diversi studi hanno condotto registrazioni EEG ed ECG separatamente nei conigli4,31,32,33, un sistema per acquisire e analizzare video-EEG-ECG simultaneo nel coniglio trattenuto cosciente non è ben consolidato34. Questo documento descrive la progettazione e l’implementazione di un protocollo in grado di registrare dati video-EEG-ECG -capnografia-ossimametria simultanei nei conigli coscienti al fine di valutare la funzione elettrica e respiratoria neuro-cardiaca. I risultati raccolti da questo metodo possono indicare la suscettibilità, i fattori scatenanti, la dinamica e la concordanza tra aritmie, convulsioni, disturbi respiratori e manifestazioni fisiche. Un vantaggio del nostro sistema sperimentale è che acquisiamo registrazioni consapevoli senza la necessità di un sedativo. I conigli rimangono nei limitatori per ≥5 ore, con un movimento minimo. Come anestetici perturb funzione neuronale, cardiaca, respiratoria e autonomica, le registrazioni durante lo stato cosciente forniscono i dati più fisiologici.
Questo sistema di registrazione può in definitiva fornire informazioni dettagliate per far progredire la comprensione dei meccanismi neurologici, cardiaci e respiratori per la morte improvvisa e inaspettata nell’epilessia (SUDEP). Oltre al monitoraggio neurologico e cardiaco di cui sopra, recenti prove hanno anche supportato il ruolo dell’insufficienza respiratoria come potenziale contributo alla morte improvvisa dopo unacrisi epilettica 35,36. Per monitorare lo stato respiratorio dei conigli, sono stati implementati ossimametria e capnografia per valutare lo stato dell’apparato respiratorio prima, durante e dopo una crisi epilettica. Il protocollo qui presentato è stato concepito allo scopo di valutare la soglia per le convulsioni di coniglio indotte da stimoli farmacologici e fotici. Questo protocollo è in grado di rilevare sottili anomalie EEG ed ECG che potrebbero non provocare manifestazioni fisiche. Inoltre, questo metodo può essere utilizzato per la sicurezza cardiaca e test di efficacia antiaritmica di nuovi farmaci e dispositivi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questa configurazione sperimentale facilita registrazioni e analisi video-EEG-ECG-ossimametria-capnografia simultanee dettagliate nei conigli, in particolare nei modelli di malattie cardiache e/o neuronali. I risultati di questo articolo mostrano che questo metodo è in grado di rilevare convulsioni e aritmie e differenziarle dagli artefatti elettrografici. I risultati attesi sono stati ottenuti quando si dà ai conigli un proconvulsivo, che ha indotto convulsioni. I dati ottenuti dalle registrazioni video-EEG sono stati…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono che questo studio è stato supportato da sovvenzioni dell’American Heart Association, dell’American Epilepsy Society e del SUNY Upstate Department of Pharmacology.
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 |
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