Vi præsenterer en minimalt invasiv leporinemodel for langvarig hjertepacing, der kan bruges til kunstig pacing og udvikling af hjertesvigt i prækliniske studier.
Dyremodeller af hjertepacing er gavnlige til test af nye enheder, undersøgelse af patofysiologien af kunstigt tempo hjerterytmer og studere arytmi-inducerede kardiomyopatier og efterfølgende hjertesvigt. I øjeblikket er kun få sådanne modeller tilgængelige, og de kræver for det meste omfattende ressourcer. Vi rapporterer en ny eksperimentel hjertepacingmodel i små pattedyr med potentiale til at studere arytmi-induceret hjertesvigt.
Hos seks newzealandske hvide kaniner (gennemsnitsvægt: 3,5 kg) blev jugularområdet dissekeret under generel inhalationsanæstesi, og en enkelt pacingledning blev indsat via højre ydre jugularvene. Ved hjælp af fluoroskopisk vejledning blev blyet yderligere avanceret til højre ventrikulær apex, hvor det blev stabiliseret ved passiv fiksering. En hjertepacemaker blev derefter forbundet og begravet i en subkutan lomme.
Pacemakerimplantationen var vellykket med god heling; Kaninens anatomi er gunstig for blyplaceringen. I løbet af 6 måneders opfølgning med intermitterende pacing var det gennemsnitlige registrerede myokardiepotentiale 6,3 mV (min: 2,8 mV, max: 12 mV), og den gennemsnitlige blyimpedans målt var 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). Tempogrænsen var oprindeligt 0,8 V ± 0,2 V og forblev stabil under opfølgningen.
Denne undersøgelse er den første, der præsenterer vellykket transvenøs hjertepacing i en lille pattedyrmodel. På trods af størrelsen og vævets skrøbelighed kan instrumentering i menneskelig størrelse med justeringer sikkert bruges til kronisk hjertepacing, og derfor er denne innovative model velegnet til at studere udviklingen af arytmi-induceret kardiomyopati og deraf følgende hjertesvigtspatofysiologi.
I forskning i hjertesvigt og udvikling af hjertepacing kræves der ofte translationelle modeller til præklinisk test1. Desuden skal nye enheder, materialer og blyforbedringer testes for deres potentielle komplikationer, før de anvendes klinisk. Således har hjertepacingmodeller en bred vifte af applikationer, herunder analyse af kunstigt tempo hjerterytmer og undersøgelsen af deres patofysiologiske virkninger på hjertefunktionen 2,3. Hjertepacing- eller takykardi-induceret kardiomyopati eksperimenter kan udnytte modeller af forskellige dyrestørrelser, med udvikling af hjertesvigt inden for uger af høj hastighedpacing 1,3,4,5.
Tidligere undersøgelser har rapporteret brugen af store dyremodeller – svin, hunde og får – i sådanne applikationer 2,3,6. Tilgængeligheden af disse modeller er imidlertid begrænset, og de kræver omfattende ressourcer til dyrekirurgi og håndtering. I modsætning hertil kan anvendelsen af små pattedyr løse ovennævnte problemer og dermed tjene som en optimal og økonomisk overkommelig forskningsmodel. Imidlertid er hjertepacingundersøgelser på små pattedyr sjældent blevet rapporteret, og dette kan skyldes deres sarte anatomi, vævsskrøbelighed og den højere pacinghastighed, der kræves 7,8,9,10,11,12.
Kun kirurgiske modeller af delvist implanterede pacingledninger med eksterne pacemakere11,12 eller trådløse mikroskopiske pacinganordninger 5,7,8,9 er blevet anvendt i pacemakerundersøgelser med små pattedyr, men så vidt vi ved, er brugen af fuldt implanterede, menneskelige størrelse, transvenøse pacemakersystemer ikke blevet rapporteret til dato. Tidligere beviser i leporinemodeller viser, at pacing ved hurtig puls over uger fører til myokardiedepression11,12. Dette papir præsenterer den første praktisk levedygtige model for små pattedyr, der demonstrerer den vellykkede implantation af en pacemaker i menneskelig størrelse hos kaniner. Den beskrevne metode sigter mod at præsentere en klinisk relevant model for hjertepacing og kan nøje oversættes til humane studier af takykardi- eller pacing-induceret kardiomyopati og den deraf følgende hjertesvigtspatofysiologi 2,11,12.
På trods af deres specifikke begrænsninger giver små pattedyrmodeller fordele for klinisk forskning13. Med en etableret metode kan hjertepacingmodeller give en optimal platform til simulering af en bred vifte af hjerte-kar-sygdomme og kredsløbspatologiske tilstande 7,14 med signifikant lavere ressourcebehov sammenlignet med store dyremodeller eller kliniske forsøg. Dette papir præsenterer en innovativ, minimalt invasiv model for langvarig hjertepacing hos kaniner. Ved at følge denne protokol er det muligt at anvende et fuldt implanteret humant pacemakersystem i fuld størrelse, herunder en pacingledning i fuld længde, i en model med små pattedyr.
På tidspunktet for implantation af pacemakere var vi i stand til at placere blyet på et stabilt, optimalt sted i toppen af højre ventrikel hos alle dyrene. De invasivt målte pacingparametre lå inden for normalområdet, svarende til de værdier, der er almindelige i store dyreforsøg eller humanmedicin 2,3. Det målte gennemsnitlige myokardiepotentiale på 6,5 mV ± 1,9 mV i højre kaninventrikel genkendes tydeligt af en standard implanterbar pacemaker. Den maksimale målte pacingtærskel var 2,5 V med en stimulusvarighed på 0,4 ms, og impedansen forblev inden for normale områder under opfølgningen. Samlet set repræsenterer disse optimale tempoparametre.
Under opfølgningen blev pacingparametrene verificeret ikke-invasivt ved at forhøre den implanterede pacemaker, og disse parametre er opsummeret i figur 7, figur 9 og tabel 1. Ventrikulær sensing og blyimpedans viste ingen signifikante ændringer over 6 måneder. På trods af en stigende tendens i tempotærsklen i gennemsnit på tværs af alle forsøgspersoner, blev der ikke observeret signifikante ændringer, hvilket gjorde det muligt at udføre pacing sikkert gennem hele studiet. De små udsving i tempoparametrene kan tilskrives lokale inflammatoriske reaktioner eller fibrose og kan afbødes ved at anvende steroideluerende materialer. Til brug i langtidspacingforsøg bør pacingparametrene monitoreres og justeres hyppigt.
Blodanalysen antydede ikke systemisk inflammation eller anæmi i løbet af den første uge efter implantation. Tendensen med øgede trombocyttal før proceduren kan tilskrives den akutte stress forårsaget af dyrehåndtering og sedation, da værdierne forblev stabile under opfølgningen. En frygtet komplikation af pacemakerimplantation er blyindtrængning. Især med skrøbelighed i små pattedyrvæv bør penetration mistænkes, når pacingparametrene ændres brat, og det skal understreges, at blyet altid skal manipuleres omhyggeligt i sin rette position. Et røntgenbillede kan bekræfte blyindtrængning. En akut hjerteimplanterbar elektronisk enhed (CIED)-associeret bakteriel infektion er en anden potentielt alvorlig komplikation, der bidrager væsentligt til dødelighed og sygelighed15. Derfor er det ekstremt vigtigt at studere nye materialer, pacingteknikker og blyforbedringer for at reducere infektionshastighederne og forlænge temposystemernes holdbarhed. Den præsenterede metode giver en passende dyremodel til sådan vital eksperimentel forskning.
Ryu et al. induceret kardiomyopati med progressiv hjertesvigt ved hjælp af kirurgisk implanterede atriale pacing ledninger og en ekstern pulsgenerator12. Tilsvarende konkluderede Freeman et al., at vedvarende ventrikulær pacing fører til myokardiedepression hos kaniner over 3-4 uger11. På grund af små dyrs høje indfødte hjertefrekvens skal pacemakeren være i stand til at pacing frekvenser omkring 300-400 bpm for at opretholde en fuld temporytme. Da disse højere tempofrekvenser fører til progressiv hjerteinsufficiens i uge11,12, er den præsenterede leporinemodel optimal til udvikling og undersøgelse af den resulterende kardiomyopati. I betragtning af deres størrelse er disse små modeller ideelle til specifikke applikationer såsom evaluering af humorale eller myokardievævsændringer11,16. Ekkokardiografi kan yderligere bruges til at evaluere dimensioner og kontraktilitet af leporinehjertet12,17. Til sammenligning har større dyremodeller for hjertesvigt andre fordele, såsom muligheden for detaljeret invasiv hæmodynamisk evaluering, herunder koronar cirkulation eller trykvolumenvurderinger2.
Det specifikke valg af leporinemodellen til pacingstudier var baseret på dens mange fordele. Kaniner tolererer proceduren godt, er et af de mindste pattedyr, der demonstrerer kapaciteten til at modtage et pacemakersystem i menneskelig størrelse og kræver anvendelse af færre ressourcer end andre større dyr. Nogle forfattere 18 mener, at fysiologien hos små pattedyr muligvis ikke afspejler menneskers, men alligevel fandt vi, at de pacingparametre, der observeres hos disse små pattedyr, ligner dem, der ses hos mennesker eller store dyr 1,2,3,19, hvilket betyder, at de let kan bruges til translationel forskning.
Under blyplacering og pacemakerimplantation i denne lille pattedyrmodel stødte vi på ligheder med tidligere forsøg i store dyremodeller, men de betydelige forskelle skal påpeges. Leporinvæv er skrøbeligt, og karret og ventrikulære vægge er tynde. Skånsom manipulation er nødvendig under hele proceduren; Blyspidsen skal altid ikke understøttes af stylet og dermed fleksibel. Især når man passerer gennem tricuspid annulus og placerer blyspidsen til toppen af højre ventrikel, skal manipulation udføres med ekstrem omhu og under fluoroskopisk vejledning for at undgå skade. Det bør også være muligt at placere spidsen andre steder. Vi har testet de rigtige atriale vedhæng og ventrikulære udstrømningskanalpositioner med optimale periprocedureparametre, men blystabiliteten kan være begrænset, og de aktuelle data kan ikke understøtte alternative pacingsteder. Kaninens ydre jugularvene er passende størrelse til indsættelse af en enkelt pacingledning. Hvis implantation af flere ledninger er påtænkt, kan det anbefales at anvende et større dyr.
Blyfikseringen i myokardietrabekulationen blev udført passivt med siliciumtænder ved blyspidsen. Baseret på vores erfaring skal brugen af aktiv fiksering af en helix skruet ind i det tynde myokardielag undgås for at forhindre vævsskade på grund af tamponade eller brystblødning. På trods af den lille størrelse af kaninens højre ventrikel tillod parret pacingelektroder med 25 mm både unipolære og bipolære sensing- og pacingkonfigurationer (figur 10). Dette kan tilbyde alsidighed til hjertepacing-undersøgelser.
På grund af den høje indfødte hjertefrekvens hos små pattedyr18 kan kontinuerlig pacing opnås ved brugerdefineret programmering af den implanterbare pacemaker. Alternativt kan metoden med simpel intern modifikation af et fælles menneskecertificeret pacingsystem bruges til at opnå pacingfrekvenser med høj hastighed, som beskrevet detaljeret tidligere 2,20. Tabet af indfangning blev vurderet ved hjælp af den ikke-invasive pacing-undersøgelsesfunktion, som er en unik tilgang, der gør det muligt at teste selv under en høj medfødt puls. De rapporterede pacingparametre blev målt regelmæssigt. Den implanterede pacemaker var i stand til at registrere registreringen af myokardiepotentialer og blyimpedans automatisk og kontinuerligt, men pacingtærsklen måtte måles manuelt på grund af den høje native puls. Hvis der kræves kontinuerlig pacing, anbefales hyppige vurderinger derfor for at forhindre tab af fangst.
Gutruf et al. har tidligere rapporteret om brugen af stærkt miniaturiserede, trådløse, batterifrie pacemakere i små dyremodeller7. Sammenlignet med deres undersøgelser repræsenterer implantationen af en pacemaker i menneskelig størrelse, der er beskrevet her, en anden tilgang, der giver mulighed for innovativ blytest, tæt oversættelse til klinisk forskning og bredere applikationer med almindeligt tilgængelige materialer. Zhou et al. præsenterede udviklingen af en miniature hjertepacemaker designet til at blive implanteret perkutant i fosterhjertet til behandling af atrioventrikulær blok. De rapporterede brugen af voksne kaninforsøg for at bekræfte gennemførligheden af en sådan enhed9. Andre har tidligere rapporteret fordelene ved kaninintubation til invasive procedurer. Baseret på vores erfaring har tilgangen til at opretholde spontan vejrtrækning med en oro-nasal maske flere fordele ved så korte procedurer, da det minimerer risikoen for komplikationer forårsaget af manipulation af luftvejene. Desuden kan tryklungeskader også forebygges.
Selv om undersøgelsesprotokollen blev udarbejdet omhyggeligt, og det samlede antal inkluderede dyr var tilstrækkeligt, skal der påpeges flere begrænsninger. Den lille størrelse af kaninens højre ventrikel tillod ikke flere blyplaceringer. Selvom vi forsøgte at teste placeringen af blyspidsen i højre ventrikeludstrømningskanal, har vi begrænset viden om dens stabilitet og forventer, at den er ret begrænset. Tempoimpedanstendensen viste et fald inden for den første uge efter førerplaceringen. Dette kan skyldes lokal betændelse og mild fibrose, men kort efter blev blyimpedansen genoprettet, og en tendens til stabilitet blev løbende opretholdt. Et enkeltkammer pacing system blev anvendt i denne undersøgelse. I fremtidige undersøgelser bør det også undersøges, om et par pacingledninger gennem den ensidige jugularvene kan fremmes. Selvom dette ikke blev testet i denne undersøgelse, mener vi, at et andet bly kunne introduceres og stabiliseres i højre atrium.
Generelt har dyremodeller af hjertepacing adskillige anvendelser inden for kardiovaskulær forskning. For det første fører pacing ved ikke-fysiologiske høje frekvenser over flere uger til takykardi-induceret kardiomyopati, som tidligere rapporteret, og giver mulighed for undersøgelse af patofysiologi og behandling af kronisk hjertesvigt 2,3,11,12. Endvidere kan forskning i raffinerede materialer og teknologier udnytte den præsenterede leporinemodel, som kunne foreslås til mellemfristede pacing-undersøgelser. Så vidt vi ved, er denne undersøgelse den første, der demonstrerer fordelene ved en så lille pattedyrmodel til komplekse hjertepacingforsøg21. Afslutningsvis kan et temposystem i menneskelig størrelse med den beskrevne metode med succes implanteres i små pattedyr på trods af vævets skrøbelighed og sarte anatomi. Efter træning er denne teknik let reproducerbar, og den danner grundlag for modeller af paced takykardi med brede anvendelser i kardiovaskulær forskning.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker taknemmeligt at anerkende råd og bistand fra Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková og Tereza Vavříková for deres inspiration, arbejde og tekniske support. Dette arbejde blev finansieret af MH CZ-DRO (NNH, 00023884), IG200501 tilskud.
Medication | |||
atipamezole | Eurovet Animal Health, B.V. | Atipam | anesthetic |
buprenorphine | Vetoquinol | Bupaq | analgetic |
enrofloxacin | Krka | Enroxil | antibiotic |
isoflurane | Baxter | Aerrane | anesthetic |
ketamine hydrochloride | Richter Gedeon | Calypsol | anesthetic |
medetomidine | Orion Corp. | Domitor | anesthetic |
meloxicam | Cymedica | Melovem | analgetic |
povidone iodine | Egis Praha | Betadine | disinfection |
Silver Aluminium Aerosol | Henry Schein | 9003273 | tincture |
Surgical materials | |||
2-0 Perma-Hand Silk | Ethicon | A185H | silk tie suture |
2-0 Vicryl | Ethicon | V323H | absorbable braided suture |
4-0 Monocryl | Ethicon | MCP494G | monofilament |
BearHugger | 3M | BearHugger | heating pad |
cauterizer | |||
Metzenbaum scissors, lancet with #22 blade, DeBakey forceps, needle driver | basic surgical equipment | ||
sterile drapes | |||
Diagnostic devices | |||
Acuson VF10-5 | Siemens Healthcare | sonographic vascular probe | |
Acuson x300 | Siemens Healthcare | ultrasound system | |
ESP C-arm | GE Healthcare | ESP | X-ray fluoro C-arm |
Pacing devices | |||
400 | Medico | CAT400 | bipolar pacing lead |
Effecta DR | Biotronic | 371199 | implantable pacemaker |
ERA 3000 | Biotronic | 128828 | external pacemaker |
ICS 3000 | Biotronic | 349528 | pacemaker programmer |