En ex vivo-svinemodel til hydrodynamisk prøvning af eksperimentelle aortaklappeprocedurer og nyt medicinsk udstyr
Summary
Vi præsenterer en metode til montering af en svin aortaklapp på en pulsduplikator for at teste dens hydrodynamiske egenskaber. Denne metode kan bruges til at bestemme ændringen i hydrodynamik efter anvendelse af en forsøgsprocedure eller nyt medicinsk udstyr før brug i en stor dyremodel.
Abstract
Mulighederne for at teste nye hjerteprocedurer og undersøgende medicinsk udstyr før brug i en dyremodel er begrænsede. I denne undersøgelse præsenterer vi en metode til montering af en svine aortaklapp i en pulsduplikator for at evaluere dens hydrodynamiske egenskaber. Disse egenskaber kan derefter evalueres før og efter den undersøgte procedure udføres og/eller det undersøgende medicinske udstyr anvendes. Sikring af tilstrømningssegmentet giver nogle vanskeligheder på grund af manglen på periferentielt myokardium i venstre ventrikulær udstrømningskanal. Denne metode løser dette problem ved at sikre tilstrømningssegmentet ved hjælp af mitralventilens forreste folder og derefter sy den venstre ventrikulære frie væg omkring tilstrømningsarmaturet. Udstrømningssegmentet sikres simpelthen ved at indsætte armaturet i et snit i det overlegne aspekt af aortabuen. Vi fandt, at prøver havde signifikant forskellige hydrodynamiske egenskaber før og efter vævsfiksering. Dette fund fik os til at bruge friske prøver i vores test og bør overvejes, når vi bruger denne metode. I vores arbejde brugte vi denne metode til at teste nye intrakardiale plastermaterialer til brug i valvulær position ved at udføre en aortaklappens neocuspidiseringsprocedure (Ozaki-procedure) på de monterede svineaortaklapper. Disse ventiler blev testet før og efter proceduren for at vurdere ændringen i hydrodynamiske egenskaber sammenlignet med den oprindelige ventil. Heri rapporterer vi en platform til hydrodynamisk test af eksperimentelle aortaklappeprocedurer, der muliggør sammenligning med den oprindelige ventil og mellem forskellige enheder og teknikker, der anvendes til den undersøgte procedure.
Introduction
Aortaklappesygdom udgør en betydelig folkesundhedsbyrde, navnlig aortastenose, som rammer 9 millioner mennesker verden over1. Strategier til at løse denne sygdom er i øjeblikket under udvikling og omfatter reparation af aortaklappen og udskiftning af aortaklappen. Især i den pædiatriske befolkning er der et betydeligt incitament til at reparere snarere end udskifte ventilen, da de aktuelt tilgængelige proteser er tilbøjelige til strukturel ventildegeneration (SVD) og ikke er væksttolerante, hvilket kræver reoperation til genudskiftning, når patienten vokser. Selv Ross-proceduren, som erstatter den syge aortaklapp (AV) med den oprindelige lungeventil (PV), kræver en protese eller transplantat i lungepositionen, der også er underlagt SVD og ofte begrænset væksttolerance2. Nye tilgange til aortaklappesygdom er under udvikling, og der er behov for test i en biologisk relevant kontekst forud for anvendelse i en stor dyremodel.
Vi har udviklet en metode til test af en AV til svin, der kan give indsigt i ventilens funktion før og efter en undersøgelsesprocedure eller anvendelse af et nyt medicinsk udstyr. Ved at montere porcine AV på en kommercielt tilgængelig pulsduplikatormaskine er vi i stand til at sammenligne de hydrodynamiske egenskaber, der almindeligvis anvendes i undersøgelsen og i sidste ende godkendelse af ventilproteser, herunder regurgitationsfraktion (RF), effektivt åbningsareal (EOA) og gennemsnitlig positiv trykforskel (PPD)3,4. Interventionen kan derefter finjusteres i en biologisk relevant sammenhæng før brug i en stor dyremodel, hvilket begrænser antallet af dyr, der er nødvendige for at producere en procedure eller protese, der kan bruges i mennesker. De hjerter, der anvendes til dette eksperiment, kan hentes fra det lokale slagteri eller affaldsvæv fra andre forsøg, så det er ikke nødvendigt at ofre et dyr udelukkende med henblik på dette eksperiment.
I vores arbejde brugte vi denne metode til at udvikle et nyt plastermateriale til reparation og udskiftning af ventiler. Vi testede den hydrodynamiske funktion af en række plastermaterialer ved at udføre en neocuspidiseringsprocedure for aortaklappen (Ozaki-procedure 5,6,7) på AV’er fra svin og teste dem i pulsduplikatoren før og efter proceduren. Dette gjorde det muligt for os at finjustere materialet baseret på dets hydrodynamiske ydeevne. Denne metode giver således en platform til hydrodynamisk test af eksperimentelle procedurer og nyt medicinsk udstyr til brug på AV inden anvendelse i en stor dyremodel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden, der præsenteres her, giver en platform for hydrodynamisk test af AV for at undersøge effekten af en eksperimentel procedure eller et nyt medicinsk udstyr. Ved at montere den oprindelige aortaklapp på en pulsduplikatormaskine er vi i stand til at bestemme effekten af eksperimentproceduren på alle de hydrodynamiske parametre, der anvendes til undersøgelse og godkendelse af nye ventilproteser (ISO 5840). Dette giver mulighed for at finjustere procedurer og proteser inden brug i en stor dyremodel.
<p class=…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke laboratoriet af Dr. Gordana Vunjak-Novakovic, herunder Julie Van Hassel, Mohamed Diane og Panpan Chen, for at give os mulighed for at bruge hjerteaffaldsvæv fra deres eksperimenter. Dette arbejde blev støttet af Congenital Heart Defect Coalition i Butler, NJ og National Institutes of Health i Bethesda, MD (5T32HL007854-27).
Materials
| 3D Printer | Ultimaker | Ultimaker S5 | Used for printing custom fixtures for hydrodynamic testing |
| Crile-Wood Needle Driver | Emerald Instruments | 2.0638.15 | Used for suturing ventricle |
| Debakey Forceps | Jarit | 320-110 | Used for dissection and sample preparation (can use multiple if working with an assistant) |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs Inc. | DSP-MD.43 | Used for fixed tissue storage |
| Formalin 10% | Epredia | 5701 | Used for tissue fixation |
| Gerald Forceps | Jarit | 285-126 | Used for dissection and sample preparation |
| Glass jars | QAPPDA | B07QCP54Z3 | Used for tissue storage |
| Glutaraldehyde 25% | Electron Microscopy Sciences | 16400 | Used for tissue fixation |
| HEPES 1 M buffer solution | Fisher | BP299-100 | Used to make glutaraldehyde 0.6% |
| Mayo Scissors | Jarit | 099-200 | Used for cutting suture |
| Metzenbaum Scissors | Jarit | 099-262 | Used for dissection and sample preparation |
| O-ring | Sterling Seal & Supply Inc. | AS568-117 | Used as a gasket on the end of the 3D printed fixtures |
| Polylactic acid resin | Ultimaker | 1609 | Used for 3D printing fixtures |
| Polyproplene suture | Covidien | VP-762-X | Used for suturing ventricle, tapered needle |
| Pulse Duplicator | BDC Laboratories | HDTi-6000 | Used for hydrodynamic testing |
| Silk ties | Covidien | S-193 | Used for ligating coronary arteries |
| Tonsil Clamp | Aesculap | BH957R | Used for coronary artery dissection |
| Zip ties (6 inch) | Advanced Cable Ties, Inc. | AL-06-18-9-C | Used for securing sample to fixtures, 157.14 mm long (6 inches), 2.5 mm wide |
| Zip ties (8 inch) | GTSE | GTSE-20025B.1000 | Used for securing sample to fixtures, 203 mm long (8 inches), 2.5 mm wide |
References
- Aluru, J. S., Barsouk, A., Saginala, K., Rawla, P., Barsouk, A. Valvular heart disease epidemiology. Medical Science. 10 (2), 32 (2022).
- Herrmann, J. L., Brown, J. W. Seven decades of valved right ventricular outflow tract reconstruction: The most common heart procedure in children. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 160 (5), 1284-1288 (2020).
- Rotman, O. M., Bianchi, M., Ghosh, R. P., Kovarovic, B., Bluestein, D. Principles of TAVR valve design, modelling, and testing. Expert Review of Medical Devices. 15 (11), 771-791 (2018).
- Pibarot, P., et al. Imaging for predicting and assessing prosthesis-patient mismatch after aortic valve replacement. JACC Cardiovascular Imaging. 12 (1), 149-162 (2019).
- Ozaki, S., et al. Aortic valve reconstruction using self-developed aortic valve plasty system in aortic valve disease. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 12 (4), 550-553 (2011).
- Krane, M., Amabile, A., Ziegelmüller, J. A., Geirsson, A., Lange, R. Aortic valve neocuspidization (the Ozaki procedure). Multimedia Manual of Cardiothoracic Surgery. , (2021).
- Ozaki, S., et al. A total of 404 cases of aortic valve reconstruction with glutaraldehyde-treated autologous pericardium. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 147 (1), 301-306 (2014).
- Vandecasteele, T., et al. The pulmonary veins of the pig as an anatomical model for the development of a new treatment for atrial fibrillation. Anatomia Histollogia Embryologia. 44 (1), 1-12 (2015).
- Góes, A. M. O., et al. Comparative angiotomographic study of swine vascular anatomy: contributions to research and training models in vascular and endovascular surgery. Journal Vascular Brasilerio. 20, 20200086 (2021).
- Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Piątek, K., Hołda, J. Influence of different fixation protocols on the preservation and dimensions of cardiac tissue. Journal of Anatomy. 229 (2), 334-340 (2016).
- Hołda, M. K., Klimek-Piotrowska, W., Koziej, M., Tyrak, K., Hołda, J. Penetration of formaldehyde based fixatives into heart. Folia Medica Cracoviensia. 57 (4), 63-70 (2017).
- Spampinato, R. A., et al. Grading of aortic regurgitation by cardiovascular magnetic resonance and pulsed Doppler of the left subclavian artery: harmonizing grading scales between imaging modalities. International Journal of Cardiovascular Imaging. 36 (8), 1517-1526 (2020).
- Capps, S. B., Elkins, R. C., Fronk, D. M. Body surface area as a predictor of aortic and pulmonary valve diameter. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 119 (5), 975-982 (2000).
- Baumgartner, H., et al. Recommendations on the echocardiographic assessment of aortic valve stenosis: a focused update from the European Association of Cardiovascular Imaging and the American Society of Echocardiography. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 18 (3), 254-275 (2017).
- Saisho, H., et al. An ex vivo evaluation of two different suture techniques for the Ozaki aortic neocuspidization procedure. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 33 (4), 518-524 (2021).
- Saisho, H., et al. Ex vivo evaluation of the Ozaki procedure in comparison with the native aortic valve and prosthetic valves. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 35 (3), (2022).
- Paulsen, M. J., et al. Comprehensive ex vivo comparison of 5 clinically used conduit configurations for valve-sparing aortic root replacement using a 3-dimensional-printed heart simulator. Circulation. 142 (14), 1361-1373 (2020).
- Al-Atassi, T., et al. Impact of aortic annular geometry on aortic valve insufficiency: Insights from a preclinical, ex vivo, porcine model. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 150 (3), 656-664 (2015).
- Sun, M., et al. A biomimetic multilayered polymeric material designed for heart valve repair and replacement. Biomaterials. 288, 121756 (2022).
- Waller, B. F., McKay, C., Van Tassel, J., Allen, M. Catheter balloon valvuloplasty of stenotic porcine bioprosthetic valves: Part I: Anatomic considerations. Clinical Cardiology. 14 (8), 686-691 (1991).
- Crick, S. J., Sheppard, M. N., Ho, S. Y., Gebstein, L., Anderson, R. H. Anatomy of the pig heart: comparisons with normal human cardiac structure. Journal of Anatomy. 193, 105-119 (1998).
