Presentiamo un modello leporina minimamente invasivo di stimolazione cardiaca a lungo termine che può essere utilizzato per la stimolazione artificiale e lo sviluppo di insufficienza cardiaca negli studi preclinici.
I modelli animali di stimolazione cardiaca sono utili per testare nuovi dispositivi, studiare la fisiopatologia dei ritmi cardiaci artificialmente stimolati e studiare le cardiomiopatie indotte da aritmia e la successiva insufficienza cardiaca. Attualmente, sono disponibili solo alcuni di questi modelli e per lo più richiedono risorse estese. Riportiamo un nuovo modello sperimentale di stimolazione cardiaca in piccoli mammiferi con il potenziale per studiare l’insufficienza cardiaca indotta da aritmia.
In sei conigli bianchi neozelandesi (peso medio: 3,5 kg) in anestesia generale per inalazione è stata sezionata la regione giugulare e un singolo elettrocatetere è stato inserito attraverso la vena giugulare esterna destra. Utilizzando la guida fluoroscopica, il piombo è stato ulteriormente avanzato all’apice ventricolare destro, dove è stato stabilizzato utilizzando la fissazione passiva. Un pacemaker cardiaco è stato quindi collegato e sepolto in una tasca sottocutanea.
L’impianto del pacemaker ha avuto successo con una buona guarigione; L’anatomia del coniglio è favorevole per il posizionamento del piombo. Durante 6 mesi di follow-up con stimolazione intermittente, il potenziale miocardico medio rilevato è stato di 6,3 mV (min: 2,8 mV, max: 12 mV) e l’impedenza media del piombo misurata è stata di 744 Ω (min: 370 Ω, max: 1014 Ω). La soglia di stimolazione era inizialmente di 0,8 V ± 0,2 V ed è rimasta stabile durante il follow-up.
Questo studio è il primo a presentare con successo la stimolazione cardiaca transvenosa in un modello di piccoli mammiferi. Nonostante le dimensioni e la fragilità dei tessuti, la strumentazione di dimensioni umane con aggiustamenti può essere tranquillamente utilizzata per la stimolazione cardiaca cronica e, quindi, questo modello innovativo è adatto per studiare lo sviluppo della cardiomiopatia indotta da aritmia e la conseguente fisiopatologia dell’insufficienza cardiaca.
Nella ricerca sull’insufficienza cardiaca e nello sviluppo della stimolazione cardiaca, i modelli traslazionali sono spesso richiesti per i test preclinici1. Inoltre, nuovi dispositivi, materiali e perfezionamenti del piombo devono essere testati per le loro potenziali complicanze prima del loro uso clinico. Pertanto, i modelli di stimolazione cardiaca hanno una vasta gamma di applicazioni, tra cui l’analisi dei ritmi cardiaci stimolati artificialmente e lo studio dei loro effetti fisiopatologici sulla funzione cardiaca 2,3. Gli esperimenti di cardiomiopatia indotta da stimolazione cardiaca o tachicardia possono utilizzare modelli di varie dimensioni animali, con lo sviluppo di insufficienza cardiaca entro settimane di stimolazione ad alta velocità 1,3,4,5.
Studi precedenti hanno riportato l’uso di modelli animali di grandi dimensioni – suini, canini e ovini – in tali applicazioni 2,3,6. Tuttavia, la disponibilità di questi modelli è limitata e richiedono ampie risorse per la chirurgia e la manipolazione degli animali. Al contrario, l’uso di piccoli mammiferi potrebbe rispondere alle preoccupazioni di cui sopra e, di conseguenza, fungere da modello di ricerca ottimale e conveniente. Tuttavia, sono stati raramente riportati studi di stimolazione cardiaca su piccoli mammiferi, e questo potrebbe essere dovuto alla loro delicata anatomia, fragilità tissutale, e il più alto tasso di stimolazione richiesto 7,8,9,10,11,12.
Solo modelli chirurgici di elettrocateteri di stimolazione parzialmente impiantati con pacemaker esterni11,12 o dispositivi di stimolazione microscopica wireless 5,7,8,9 sono stati utilizzati negli studi sui pacemaker di piccoli mammiferi, ma per quanto ne sappiamo, l’uso di sistemi di pacemaker transvenosi completamente impiantati, di dimensioni umane, non è stato segnalato fino ad oggi. Precedenti evidenze in modelli leporini mostrano che la stimolazione a frequenze cardiache veloci per settimane porta alla depressione miocardica11,12. Questo documento presenta il primo modello di piccolo mammifero praticamente praticabile, dimostrando il successo dell’impianto di un pacemaker di dimensioni umane nei conigli. La metodologia descritta mira a presentare un modello clinicamente rilevante di stimolazione cardiaca e può essere strettamente tradotta in studi umani di tachicardia o cardiomiopatia indotta da stimolazione e la conseguente fisiopatologia dello scompenso cardiaco 2,11,12.
Nonostante i loro vincoli specifici, i modelli di piccoli mammiferi offrono vantaggi per la ricerca clinica13. Con una metodologia consolidata, i modelli di stimolazione cardiaca possono fornire una piattaforma ottimale per la simulazione di una vasta gamma di malattie cardiovascolari e stati patologici circolatori 7,14 con requisiti di risorse significativamente inferiori rispetto ai grandi modelli animali o agli studi clinici. Questo articolo presenta un modello innovativo e minimamente invasivo di stimolazione cardiaca di lunga durata nei conigli. Seguendo questo protocollo, è possibile utilizzare un sistema di pacemaker umano completamente impiantato, a grandezza naturale, incluso un cavo di stimolazione a lunghezza intera, in un modello di piccolo mammifero.
Al momento dell’impianto del pacemaker, siamo stati in grado di posizionare il piombo in una posizione stabile e ottimale all’apice del ventricolo destro in tutti gli animali. I parametri di stimolazione misurati in modo invasivo erano all’interno di intervalli normali, simili ai valori comuni negli esperimenti su grandi animali o nella medicina umana 2,3. Il potenziale miocardico medio misurato di 6,5 mV ± 1,9 mV nel ventricolo di coniglio destro è chiaramente riconosciuto da un pacemaker impiantabile standard. La soglia massima di stimolazione misurata era di 2,5 V, con una durata dello stimolo di 0,4 ms, e l’impedenza rimaneva entro intervalli normali durante il follow-up. Nel complesso, questi rappresentano parametri di stimolazione ottimali.
Durante il follow-up, i parametri di stimolazione sono stati verificati in modo non invasivo interrogando il pacemaker impiantato e questi parametri sono riassunti in Figura 7, Figura 9 e Tabella 1. Il rilevamento ventricolare e l’impedenza del piombo non hanno dimostrato cambiamenti significativi nell’arco di 6 mesi. Nonostante una tendenza crescente nella soglia di stimolazione media in tutti i soggetti, non sono stati osservati cambiamenti significativi, consentendo di condurre la stimolazione in modo sicuro durante l’intero studio. La piccola fluttuazione dei parametri di stimolazione può essere attribuita a risposte infiammatorie locali o fibrosi e potrebbe essere mitigata utilizzando materiali a rilascio di steroidi. Per l’uso in studi di stimolazione a lungo termine, i parametri di stimolazione devono essere monitorati e regolati frequentemente.
L’analisi del sangue non ha suggerito infiammazione sistemica o anemia durante la prima settimana dopo l’impianto. La tendenza all’aumento della conta piastrinica prima della procedura può essere attribuita allo stress acuto causato dalla manipolazione e dalla sedazione degli animali, poiché i valori sono rimasti stabili durante il follow-up. Una complicazione temuta dell’impianto di pacemaker è la penetrazione del piombo. Soprattutto con la fragilità dei tessuti dei piccoli mammiferi, la penetrazione dovrebbe essere sospettata quando i parametri di stimolazione cambiano bruscamente, e va sottolineato che il piombo dovrebbe sempre essere manipolato attentamente nella sua posizione corretta. Un’immagine a raggi X può confermare la penetrazione del piombo. Un’infezione batterica associata a dispositivi elettronici impiantabili cardiaci acuti (CIED) è un’altra complicanza potenzialmente grave che contribuisce in modo significativo ai tassi di mortalità e morbilità15. Quindi, è estremamente importante studiare nuovi materiali, tecniche di stimolazione e perfezionamenti dei lead per ridurre i tassi di infezione ed estendere la durata dei sistemi di stimolazione. La metodologia presentata fornisce un modello animale appropriato per tale ricerca sperimentale vitale.
Ryu et al. hanno indotto cardiomiopatia con insufficienza cardiaca progressiva utilizzando elettrocateteri di stimolazione atriale impiantati chirurgicamente e un generatore di impulsi esterno12. Allo stesso modo, Freeman et al. hanno concluso che la stimolazione ventricolare sostenuta porta alla depressione miocardica nei conigli per 3-4 settimane11. A causa dell’elevata frequenza cardiaca nativa dei piccoli animali, il pacemaker deve essere in grado di stimolare frequenze intorno ai 300-400 bpm per mantenere un ritmo completo. Poiché queste frequenze di stimolazione più elevate portano a insufficienza cardiaca progressiva nelle settimane11,12, il modello leporina presentato è ottimale per lo sviluppo e lo studio della cardiomiopatia risultante. Considerando le loro dimensioni, questi piccoli modelli sono ideali per applicazioni specifiche come la valutazione delle alterazioni del tessuto umorale o miocardico11,16. L’ecocardiografia può essere ulteriormente utilizzata per valutare le dimensioni e la contrattilità del cuore leporino12,17. In confronto, i modelli animali più grandi di insufficienza cardiaca hanno altri vantaggi, come la possibilità di una valutazione emodinamica invasiva dettagliata, compresa la circolazione coronarica o valutazioni del volume di pressione2.
La selezione specifica del modello leporina per gli studi di stimolazione si è basata sui suoi molteplici vantaggi. I conigli tollerano bene la procedura, sono uno dei mammiferi più piccoli a dimostrare la capacità di ricevere un sistema di pacemaker di dimensioni umane e richiedono il dispiegamento di meno risorse rispetto ad altri animali più grandi. Alcuni autori18 ritengono che la fisiologia dei piccoli mammiferi potrebbe non riflettere quella degli esseri umani, ma abbiamo scoperto che i parametri di stimolazione osservati in questi piccoli mammiferi sono abbastanza simili a quelli osservati negli esseri umani o nei grandi animali 1,2,3,19, il che significa che possono essere facilmente utilizzati per la ricerca traslazionale.
Durante il posizionamento del piombo e l’impianto del pacemaker in questo modello di piccoli mammiferi, abbiamo riscontrato somiglianze con precedenti esperimenti in modelli animali di grandi dimensioni, ma le differenze significative dovrebbero essere sottolineate. I tessuti leporini sono fragili e le pareti della nave e del ventricolo sono sottili. È necessaria una manipolazione delicata durante l’intera procedura; La punta principale dovrebbe sempre non essere supportata dallo stiletto e, quindi, flessibile. Soprattutto quando si passa attraverso l’anello tricuspide e si posiziona la punta di piombo all’apice del ventricolo destro, la manipolazione deve essere condotta con estrema cura e sotto guida fluoroscopica per evitare lesioni. Dovrebbe essere possibile anche posizionare la punta in altre posizioni. Abbiamo testato le giuste posizioni dell’appendice atriale e del tratto di efflusso ventricolare con parametri periprocedurali ottimali, ma la stabilità del piombo potrebbe essere limitata e i dati attuali non possono supportare siti di stimolazione alternativi. La vena giugulare esterna del coniglio è opportunamente dimensionata per l’inserimento di un singolo elettrocatetenza. Se è previsto l’impianto di più elettrocateterri, può essere consigliato l’uso di un animale più grande.
La fissazione del piombo nella trabecolazione miocardica è stata realizzata passivamente con denti di silicio sulla punta del piombo. Sulla base della nostra esperienza, l’uso della fissazione attiva da parte di un’elica avvitata nel sottile strato miocardico deve essere evitato per prevenire lesioni tissutali dovute a tamponamento o sanguinamento toracico. Nonostante le piccole dimensioni del ventricolo destro del coniglio, la coppia di elettrodi di stimolazione distanziati di 25 mm ha consentito configurazioni di rilevamento e stimolazione sia unipolari che bipolari (Figura 10). Questo può offrire versatilità per gli studi di stimolazione cardiaca.
A causa dell’elevata frequenza cardiaca nativa dei piccoli mammiferi18, la stimolazione continua può essere ottenuta mediante la programmazione personalizzata del pacemaker impiantabile. In alternativa, il metodo di semplice modifica interna di un comune sistema di stimolazione certificato dall’uomo può essere utilizzato per ottenere frequenze di stimolazione ad alta velocità, come descritto in dettaglio in precedenza 2,20. La perdita di cattura è stata valutata utilizzando la funzione di studio del pacing non invasivo, che è un approccio unico che consente di testare anche in condizioni di alta frequenza cardiaca nativa. I parametri di stimolazione riportati sono stati misurati regolarmente. Il pacemaker impiantato è stato in grado di registrare il rilevamento dei potenziali miocardici e dell’impedenza del piombo automaticamente e continuamente, ma la soglia di stimolazione doveva essere misurata manualmente a causa dell’elevata frequenza cardiaca nativa. Pertanto, se è necessaria una stimolazione continua, si raccomandano valutazioni frequenti per prevenire la perdita di cattura.
Gutruf et al. hanno precedentemente riportato l’uso di pacemaker altamente miniaturizzati, wireless e senza batteria in modelli di piccoli animali7. Rispetto ai loro studi, l’impianto di un pacemaker di dimensioni umane qui descritto rappresenta un approccio diverso che offre la possibilità di test innovativi sui lead, una traduzione ravvicinata alla ricerca clinica e applicazioni più ampie con materiali generalmente disponibili. Zhou et al. hanno presentato lo sviluppo di un pacemaker cardiaco in miniatura progettato per essere impiantato per via percutanea nel cuore fetale per trattare il blocco atrioventricolare. Hanno riferito l’uso di esperimenti di conigli adulti per confermare la fattibilità di un tale dispositivo9. Altri hanno precedentemente riportato i vantaggi dell’intubazione del coniglio per le procedure invasive. Sulla base della nostra esperienza, l’approccio di mantenere la respirazione spontanea con una maschera oro-nasale ha più benefici per procedure così brevi in quanto riduce al minimo il rischio di complicanze causate dalla manipolazione delle vie aeree. Inoltre, le lesioni polmonari da pressione possono anche essere prevenute.
Sebbene il protocollo di studio sia stato preparato con cura e il numero totale di animali inclusi fosse adeguato, devono essere evidenziate diverse limitazioni. Le piccole dimensioni del ventricolo destro del coniglio non consentivano più posizionamenti di piombo. Sebbene abbiamo provato a testare il posizionamento della punta principale nel tratto di efflusso ventricolare destro, abbiamo una conoscenza limitata della sua stabilità e ci aspettiamo che sia piuttosto limitata. La tendenza dell’impedenza di stimolazione ha mostrato un calo entro la prima settimana dopo il posizionamento del piombo. Ciò potrebbe essere dovuto all’infiammazione locale e alla fibrosi lieve, ma poco dopo l’impedenza del piombo è stata ripristinata e una tendenza alla stabilità è stata continuamente mantenuta. In questo studio è stato utilizzato un sistema di stimolazione a camera singola. In studi futuri, dovrebbe essere studiato anche l’avanzamento di una coppia di elettrocateteri di stimolazione attraverso la vena giugulare unilaterale. Sebbene questo non sia stato testato in questo studio, riteniamo che un secondo elettrocatetere potrebbe essere introdotto e stabilizzato nell’atrio destro.
In generale, i modelli animali di stimolazione cardiaca hanno numerose applicazioni nella ricerca cardiovascolare. In primo luogo, la stimolazione a frequenze elevate non fisiologiche per diverse settimane porta alla cardiomiopatia indotta da tachicardia, come precedentemente riportato, e consente lo studio della fisiopatologia e il trattamento dell’insufficienza cardiaca cronica 2,3,11,12. Inoltre, la ricerca su materiali e tecnologie raffinati può utilizzare il modello leporina presentato, che potrebbe essere suggerito per studi di stimolazione a medio termine. A nostra conoscenza, questo studio è il primo a dimostrare i benefici di un modello di mammifero così piccolo per complessi esperimenti di stimolazione cardiaca21. In conclusione, con la metodologia descritta, un sistema di stimolazione a misura d’uomo può essere impiantato con successo in piccoli mammiferi, nonostante la fragilità dei tessuti e la delicata anatomia. Dopo l’allenamento, questa tecnica è facilmente riproducibile e fornisce una base per modelli di tachicardia stimolata con ampie applicazioni nella ricerca cardiovascolare.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori desiderano ringraziare i consigli e l’assistenza di Maria Kim, Jana Bortelová, Alena Ehrlichová, Matěj Hrachovina, Leoš Tejkl, Jana Míšková e Tereza Vavříková per la loro ispirazione, lavoro e supporto tecnico. Questo lavoro è stato finanziato da MH CZ-DRO (NNH, 00023884), sovvenzione 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 |