Nous présentons un modèle mini-invasif de stimulation cardiaque à long terme de la léporine qui peut être utilisé pour la stimulation artificielle et le développement de l’insuffisance cardiaque dans les études précliniques.
Les modèles animaux de stimulation cardiaque sont utiles pour tester de nouveaux dispositifs, étudier la physiopathologie des rythmes cardiaques à rythme artificiel et étudier les cardiomyopathies induites par l’arythmie et l’insuffisance cardiaque subséquente. Actuellement, seuls quelques modèles de ce type sont disponibles, et ils nécessitent principalement des ressources importantes. Nous rapportons un nouveau modèle expérimental de stimulation cardiaque chez les petits mammifères avec le potentiel d’étudier l’insuffisance cardiaque induite par l’arythmie.
Chez six lapins blancs néo-zélandais (poids moyen: 3,5 kg) sous anesthésie générale par inhalation, la région jugulaire a été disséquée et une seule sonde de stimulation a été insérée via la veine jugulaire externe droite. À l’aide d’un guidage fluoroscopique, la sonde a été avancée jusqu’à l’apex ventriculaire droit, où elle a été stabilisée par fixation passive. Un stimulateur cardiaque a ensuite été connecté et enterré dans une poche sous-cutanée.
L’implantation du stimulateur cardiaque a réussi avec une bonne cicatrisation; L’anatomie du lapin est favorable au placement de la laisse. Pendant 6 mois de suivi avec stimulation intermittente, le potentiel myocardique moyen détecté était de 6,3 mV (min: 2,8 mV, max: 12 mV), et l’impédance moyenne de plomb mesurée était de 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). Le seuil de stimulation était initialement de 0,8 V ± 0,2 V et est resté stable au cours du suivi.
Cette étude est la première à présenter une stimulation cardiaque transveineuse réussie dans un modèle de petit mammifère. Malgré la taille et la fragilité des tissus, l’instrumentation à taille humaine avec des ajustements peut être utilisée en toute sécurité pour la stimulation cardiaque chronique, et donc, ce modèle innovant est adapté pour étudier le développement de la cardiomyopathie induite par l’arythmie et la physiopathologie de l’insuffisance cardiaque qui en résulte.
Dans la recherche sur l’insuffisance cardiaque et le développement de la stimulation cardiaque, des modèles translationnels sont fréquemment nécessaires pour les essais précliniques1. De plus, les nouveaux dispositifs, matériaux et raffinements de plomb doivent être testés pour détecter leurs complications potentielles avant leur utilisation clinique. Ainsi, les modèles de stimulation cardiaque ont un large éventail d’applications, y compris l’analyse des rythmes cardiaques artificiellement rythmés et l’étude de leurs effets physiopathologiques sur la fonction cardiaque 2,3. Les expériences de cardiomyopathie induite par la stimulation cardiaque ou la tachycardie peuvent utiliser des modèles de différentes tailles d’animaux, avec le développement d’une insuffisance cardiaque dans les semaines suivant une stimulation à taux élevé 1,3,4,5.
Des études antérieures ont rapporté l’utilisation de modèles animaux de grande taille – porcins, canins et ovins – dans de telles applications 2,3,6. Cependant, la disponibilité de ces modèles est limitée et ils nécessitent des ressources importantes pour la chirurgie et la manipulation des animaux. En revanche, l’utilisation de petits mammifères pourrait répondre aux préoccupations susmentionnées et, par conséquent, servir de modèle de recherche optimal et abordable. Cependant, des études de stimulation cardiaque sur de petits mammifères ont rarement été rapportées, ce qui pourrait être dû à leur anatomie délicate, à la fragilité des tissus et au taux de stimulation plus élevé requis 7,8,9,10,11,12.
Seuls des modèles chirurgicaux de sondes de stimulation partiellement implantées avec stimulateurs cardiaques externes11,12 ou des dispositifs de stimulation microscopiques sans fil 5,7,8,9 ont été utilisés dans des études sur des stimulateurs cardiaques de petits mammifères, mais à notre connaissance, l’utilisation de systèmes de stimulateurs cardiaques transveineux entièrement implantés et de taille humaine n’a pas été signalée à ce jour. Des preuves antérieures dans des modèles de léporine montrent que la stimulation rapide du cœur pendant des semaines conduit à la dépression myocardique11,12. Cet article présente le premier modèle de petit mammifère pratiquement viable, démontrant l’implantation réussie d’un stimulateur cardiaque de taille humaine chez le lapin. La méthodologie décrite vise à présenter un modèle cliniquement pertinent de stimulation cardiaque et peut être étroitement transposée aux études humaines de la cardiomyopathie induite par la tachycardie ou la stimulation et de la physiopathologie de l’insuffisance cardiaque qui en résulte 2,11,12.
Malgré leurs contraintes spécifiques, les modèles de petits mammifères offrent des avantages pour la recherche clinique13. Avec une méthodologie établie, les modèles de stimulation cardiaque peuvent fournir une plate-forme optimale pour la simulation d’un large éventail de maladies cardiovasculaires et d’états pathologiques circulatoires 7,14 avec des besoins en ressources significativement inférieurs à ceux des grands modèles animaux ou des essais cliniques. Cet article présente un modèle novateur et peu invasif de stimulation cardiaque de longue durée chez le lapin. En suivant ce protocole, il est possible d’utiliser un système de stimulateur cardiaque humain de taille normale entièrement implanté, y compris une sonde de stimulation pleine longueur, dans un modèle de petit mammifère.
Au moment de l’implantation du stimulateur cardiaque, nous avons pu positionner la sonde dans un endroit stable et optimal au sommet du ventricule droit chez tous les animaux. Les paramètres de stimulation mesurés de manière invasive se situaient dans des plages normales, semblables aux valeurs courantes dans les expériences sur les grands animaux ou la médecine humaine 2,3. Le potentiel myocardique moyen mesuré de 6,5 mV ± 1,9 mV dans le ventricule droit du lapin est clairement reconnu par un stimulateur cardiaque implantable standard. Le seuil de stimulation maximal mesuré était de 2,5 V, avec une durée de stimulus de 0,4 ms, et l’impédance est restée dans les plages normales pendant le suivi. Dans l’ensemble, ceux-ci représentent des paramètres de stimulation optimaux.
Au cours du suivi, les paramètres de stimulation ont été vérifiés de manière non invasive en interrogeant le stimulateur cardiaque implanté, et ces paramètres sont résumés à la figure 7, à la figure 9 et au tableau 1. La détection ventriculaire et l’impédance de la sonde n’ont pas démontré de changements significatifs sur 6 mois. Malgré une tendance à la hausse du seuil de stimulation moyen pour tous les sujets, aucun changement significatif n’a été observé, ce qui a permis d’effectuer la stimulation en toute sécurité tout au long de l’étude. La faible fluctuation des paramètres de stimulation peut être attribuée à des réponses inflammatoires locales ou à une fibrose et pourrait être atténuée en utilisant des matériaux à élution de stéroïdes. Pour une utilisation dans les études de stimulation à long terme, les paramètres de stimulation doivent être surveillés et ajustés fréquemment.
L’analyse sanguine n’a pas suggéré d’inflammation systémique ou d’anémie au cours de la première semaine après l’implantation. La tendance à l’augmentation de la numération plaquettaire avant l’intervention peut être attribuée au stress aigu causé par la manipulation et la sédation des animaux, car les valeurs sont restées stables pendant le suivi. Une complication redoutée de l’implantation d’un stimulateur cardiaque est la pénétration du plomb. Surtout avec la fragilité des tissus de petits mammifères, la pénétration doit être suspectée lorsque les paramètres de stimulation changent brusquement, et il faut souligner que le plomb doit toujours être manipulé avec précaution dans sa position appropriée. Une radiographie peut confirmer la pénétration du plomb. Une infection bactérienne aiguë associée à un dispositif électronique implantable cardiaque (CIED) est une autre complication potentiellement grave qui contribue de manière significative aux taux de mortalité et de morbidité15. Par conséquent, il est extrêmement important d’étudier de nouveaux matériaux, des techniques de stimulation et des raffinements de plomb pour réduire les taux d’infection et prolonger la durabilité des systèmes de stimulation. La méthodologie présentée fournit un modèle animal approprié pour une recherche expérimentale aussi vitale.
Ryu et al. ont induit une cardiomyopathie avec insuffisance cardiaque progressive à l’aide de sondes de stimulation auriculaire implantées chirurgicalement et d’un générateur d’impulsions externe12. De même, Freeman et coll. ont conclu qu’une stimulation ventriculaire soutenue entraîne une dépression myocardique chez les lapins pendant 3 à 4 semaines11. En raison de la fréquence cardiaque native élevée des petits animaux, le stimulateur cardiaque doit être capable de rythmer des fréquences d’environ 300 à 400 bpm pour maintenir un rythme complet. Comme ces fréquences de stimulation plus élevées conduisent à une insuffisance cardiaque progressive au cours des semaines11,12, le modèle de léporine présenté est optimal pour le développement et l’investigation de la cardiomyopathie qui en résulte. Compte tenu de leur taille, ces petits modèles sont idéaux pour des applications spécifiques telles que l’évaluation de modifications du tissu humoral ou myocardique11,16. L’échocardiographie peut également être utilisée pour évaluer les dimensions et la contractilité du cœur de léporine12,17. En comparaison, des modèles animaux plus grands d’insuffisance cardiaque présentent d’autres avantages, tels que la possibilité d’une évaluation hémodynamique invasive détaillée, y compris des évaluations de la circulation coronaire ou du volumede pression 2.
La sélection spécifique du modèle de léporine pour les études de stimulation était basée sur ses multiples avantages. Les lapins tolèrent bien la procédure, sont l’un des plus petits mammifères à démontrer leur capacité à recevoir un système de stimulateur cardiaque à taille humaine et nécessitent le déploiement de moins de ressources que les autres animaux plus gros. Certains auteurs18 croient que la physiologie des petits mammifères peut ne pas refléter celle des humains, mais nous avons constaté que les paramètres de stimulation observés chez ces petits mammifères sont assez similaires à ceux observés chez les humains ou les grands animaux 1,2,3,19, ce qui signifie qu’ils peuvent être facilement utilisés pour la recherche translationnelle.
Lors de la mise en place du plomb et de l’implantation du stimulateur cardiaque dans ce modèle de petits mammifères, nous avons rencontré des similitudes avec des expériences précédentes sur des modèles de grands animaux, mais les différences significatives doivent être soulignées. Les tissus léporiniques sont fragiles et les vaisseaux et les parois ventriculaires sont minces. Une manipulation douce est nécessaire pendant toute la procédure; La pointe de plomb doit toujours ne pas être prise en charge par le stylet, et donc flexible. En particulier lors du passage à travers l’anneau tricuspide et du positionnement de l’extrémité de la sonde à l’apex du ventricule droit, la manipulation doit être effectuée avec un soin extrême et sous guidage fluoroscopique pour éviter les blessures. Le positionnement de la pointe à d’autres endroits devrait également être possible. Nous avons testé les positions de l’appendice auriculaire et du canal ventriculaire droit avec des paramètres périprocéduraux optimaux, mais la stabilité du plomb peut être limitée et les données actuelles ne peuvent pas soutenir d’autres sites de stimulation. La veine jugulaire externe du lapin est dimensionnée de manière appropriée pour l’insertion d’une seule sonde de stimulation. Si l’implantation de plusieurs sondes est prévue, l’utilisation d’un animal plus grand peut être conseillée.
La fixation du plomb dans la trabéculation myocardique a été accomplie passivement avec des dents de silicium à l’extrémité du plomb. D’après notre expérience, l’utilisation de la fixation active par une hélice vissée dans la fine couche myocardique doit être évitée pour prévenir les lésions tissulaires dues à la tamponnade ou aux saignements thoraciques. Malgré la petite taille du ventricule droit du lapin, la paire d’électrodes de stimulation espacées de 25 mm a permis des configurations de détection et de stimulation unipolaires et bipolaires (figure 10). Cela peut offrir une polyvalence pour les études de stimulation cardiaque.
En raison de la fréquence cardiaque native élevée des petits mammifères18, une stimulation continue peut être obtenue par une programmation personnalisée du stimulateur cardiaque implantable. Alternativement, la méthode de modification interne simple d’un système de stimulation commun certifié par l’homme peut être utilisée pour obtenir des fréquences de stimulation à haut débit, comme décrit en détail précédemment 2,20. La perte de capture a été évaluée à l’aide de la fonction d’étude de stimulation non invasive, qui est une approche unique qui permet de tester même dans des conditions de fréquence cardiaque native élevée. Les paramètres de stimulation rapportés ont été mesurés régulièrement. Le stimulateur cardiaque implanté était capable d’enregistrer la détection des potentiels myocardiques et de l’impédance de la sonde automatiquement et en continu, mais le seuil de stimulation devait être mesuré manuellement en raison de la fréquence cardiaque native élevée. Par conséquent, si un rythme continu est nécessaire, des évaluations fréquentes sont recommandées pour éviter la perte de capture.
Gutruf et al. ont précédemment signalé l’utilisation de stimulateurs cardiaques hautement miniaturisés, sans fil et sans pile dans des modèles de petits animaux7. Par rapport à leurs études, l’implantation d’un stimulateur cardiaque à taille humaine décrite ici représente une approche différente qui offre la possibilité de tests de plomb innovants, d’une application étroite à la recherche clinique et d’applications plus larges avec des matériaux généralement disponibles. Zhou et al. ont présenté le développement d’un stimulateur cardiaque miniature conçu pour être implanté par voie percutanée dans le cœur fœtal pour traiter le bloc auriculo-ventriculaire. Ils ont rapporté l’utilisation d’expériences sur des lapins adultes pour confirmer la faisabilité d’un tel dispositif9. D’autres ont déjà signalé les avantages de l’intubation chez le lapin pour les procédures invasives. D’après notre expérience, l’approche consistant à maintenir la respiration spontanée avec un masque oro-nasal présente plus d’avantages pour des procédures aussi courtes car elle minimise le risque de complications causées par la manipulation des voies respiratoires. En outre, les lésions pulmonaires sous pression peuvent également être évitées.
Bien que le protocole de l’étude ait été préparé avec soin et que le nombre total d’animaux inclus ait été adéquat, plusieurs limites doivent être soulignées. La petite taille du ventricule droit du lapin ne permettait pas de placer plusieurs fils. Bien que nous ayons essayé de tester le positionnement de l’embout de plomb dans le couloir de sortie ventriculaire droit, nous avons une connaissance limitée de sa stabilité et nous nous attendons à ce qu’elle soit plutôt limitée. La tendance de l’impédance de stimulation a montré une baisse au cours de la première semaine suivant le placement du lead. Cela pourrait être dû à une inflammation locale et à une fibrose légère, mais peu de temps après, l’impédance du plomb a été restaurée et une tendance à la stabilité a été continuellement maintenue. Un système de stimulation à chambre unique a été utilisé dans cette étude. Dans les études futures, l’avancement d’une paire de sondes de stimulation à travers la veine jugulaire unilatérale devrait également être étudié. Bien que cela n’ait pas été testé dans cette étude, nous pensons qu’une deuxième sonde pourrait être introduite et stabilisée dans l’oreillette droite.
En général, les modèles animaux de stimulation cardiaque ont de nombreuses applications dans la recherche cardiovasculaire. Tout d’abord, la stimulation à des fréquences élevées non physiologiques sur plusieurs semaines conduit à une cardiomyopathie induite par la tachycardie, comme indiqué précédemment, et permet l’étude de la physiopathologie et du traitement de l’insuffisance cardiaque chronique 2,3,11,12. De plus, la recherche sur les matériaux et les technologies raffinés peut utiliser le modèle de léporine présenté, qui pourrait être suggéré pour des études de stimulation à moyen terme. À notre connaissance, cette étude est la première à démontrer les avantages d’un modèle de si petit mammifère pour des expériences complexes de stimulation cardiaque21. En conclusion, avec la méthodologie décrite, un système de stimulation à taille humaine peut être implanté avec succès chez les petits mammifères, malgré la fragilité des tissus et l’anatomie délicate. Après l’entraînement, cette technique est facilement reproductible et fournit une base pour des modèles de tachycardie rythmée avec de larges applications dans la recherche cardiovasculaire.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs remercient Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková et Tereza Vavříková pour leurs conseils, leur travail et leur soutien technique. Ce travail a été financé par MH CZ-DRO (NNH, 00023884), subvention IG200501.
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 |