Модель свиньи ex vivo для гидродинамического тестирования экспериментальных процедур аортального клапана и новых медицинских устройств
Summary
Представлен способ монтажа аортального клапана свиньи на дубликаторе импульсов для проверки его гидродинамических свойств. Этот метод может быть использован для определения изменения гидродинамики после применения экспериментальной процедуры или нового медицинского устройства перед использованием на модели крупного животного.
Abstract
Возможности тестирования новых кардиологических процедур и исследовательских медицинских устройств перед использованием на животной модели ограничены. В данной работе представлен способ монтажа аортального клапана свиньи в дубликаторе импульсов для оценки его гидродинамических свойств. Эти свойства могут быть оценены до и после проведения исследуемой процедуры и/или применения медицинского прибора для исследования. Фиксация входящего сегмента представляет некоторые трудности из-за отсутствия окружного миокарда в выходном тракте левого желудочка. Этот метод решает эту проблему путем закрепления сегмента притока с помощью передней створки митрального клапана, а затем сшивания свободной стенки левого желудочка вокруг приспособления для притока. Сегмент оттока фиксируется путем введения приспособления в разрез в верхней части дуги аорты. Установлено, что образцы имеют достоверно разные гидродинамические свойства до и после фиксации тканей. Это открытие побудило нас использовать свежие образцы в наших испытаниях, и его следует учитывать при использовании этого метода. В нашей работе мы использовали этот метод для тестирования новых внутрисердечных пластырей для использования в клапанном положении путем выполнения процедуры неокуспидизации аортального клапана (процедура Одзаки) на смонтированных аортальных клапанах свиньи. Эти клапаны были протестированы до и после процедуры для оценки изменения гидродинамических свойств по сравнению с нативным клапаном. В данной работе мы представляем платформу для гидродинамического тестирования экспериментальных процедур на аортальном клапане, которая позволяет сравнивать их с нативным клапаном, а также между различными устройствами и методами, используемыми для исследуемой процедуры.
Introduction
Заболевание аортального клапана представляет собой серьезное бремя для общественного здравоохранения, особенно аортальный стеноз, от которого страдают 9 миллионовчеловек во всем мире1. Стратегии борьбы с этим заболеванием в настоящее время развиваются и включают восстановление аортального клапана и замену аортального клапана. Особенно в педиатрической популяции существует значительный стимул к ремонту, а не замене клапана, поскольку доступные в настоящее время протезы склонны к структурной дегенерации клапана (SVD) и не устойчивы к росту, требуя повторной операции для повторной замены по мере роста пациента. Даже процедура Росса, при которой больной аортальный клапан (АВ) заменяется нативным легочным клапаном (ЛВ), требует протеза или трансплантата в легочном положении, который также подвержен СВД и часто ограниченной толерантности к росту. В настоящее время разрабатываются новые подходы к лечению заболеваний аортального клапана, и существует необходимость в тестировании в биологически значимом контексте перед применением на крупной животной модели.
Мы разработали метод тестирования AV у свиней, который может дать представление о функционировании клапана до и после исследовательской процедуры или применения нового медицинского устройства. Установив AV свиней на коммерчески доступный импульсный дубликатор, мы можем сравнить гидродинамические характеристики, которые обычно используются при исследовании и, в конечном итоге, утверждении протезов клапанов, включая фракцию регургитации (RF), эффективную площадь отверстия (EOA) и среднюю положительную перепад давления (PPD)3,4. Вмешательство может быть точно настроено в биологически значимом контексте перед использованием на модели крупного животного, тем самым ограничивая количество животных, необходимых для производства процедуры или протеза, который может быть использован на людях. Сердца, использованные для этого эксперимента, могут быть получены с местной скотобойни или из отходов тканей других экспериментов, поэтому нет необходимости приносить в жертву животное исключительно для целей этого эксперимента.
В своей работе мы использовали этот метод для разработки нового заплаточного материала для ремонта и замены клапанов. Мы проверили гидродинамическую функцию различных пластырей, выполнив процедуру неокуспидизации аортального клапана (процедура Озаки 5,6,7) на AV свиней и протестировав их в дубликаторе импульсов до и после процедуры. Это позволило нам точно настроить материал на основе его гидродинамических характеристик. Таким образом, этот метод обеспечивает платформу для гидродинамического тестирования экспериментальных процедур и новых медицинских устройств для использования на AV перед применением на модели крупного животного.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленный здесь метод обеспечивает платформу для гидродинамических испытаний AV с целью изучения эффекта экспериментальной процедуры или нового медицинского устройства. Установив родной аортальный клапан на дубликатор импульсов, мы можем определить влияние экспериментальной ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить лабораторию доктора Горданы Вуньяк-Новакович, в том числе Джули Ван Хассель, Мохамеда Диана и Панпана Чена, за то, что они позволили нам использовать сердечные отходы, полученные в результате их экспериментов. Эта работа была поддержана Коалицией по врожденным порокам сердца в Батлере, штат Нью-Джерси, и Национальными институтами здравоохранения в Бетесде, штат Мэриленд (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).
