הרפיה מהירה של שריר הלב והלב חיונית לפיזיולוגיה תקינה. מנגנוני הרפיה מכניים ידועים כיום כתלויים בקצב המאמץ. פרוטוקול זה מספק סקירה כללית של רכישה וניתוח של ניסויים כדי להמשיך לחקור את הבקרה המכנית של הרפיה.
תפקוד לקוי של דיאסטולי הוא פנוטיפ נפוץ במצגות של מחלות לב וכלי דם. בנוסף לנוקשות לבבית מוגברת (לחץ דיאסטולי מוגבר בקצה החדר השמאלי), הרפיה לבבית לקויה היא אינדיקטור אבחוני מרכזי לתפקוד לקוי של דיאסטולי. בעוד הרפיה דורשת הסרה של סידן ציטוסולי ונטרול של חוטים דקים סרקומריים, התמקדות במנגנונים כאלה עדיין לא סיפקה טיפולים יעילים. מנגנונים מכניים, כגון לחץ דם (כלומר, עומס אחר), כבר תיאוריה לשנות הרפיה. לאחרונה, הראינו כי שינוי קצב המאמץ של מתיחה, לא עומס אחר, היה הכרחי ומספיק כדי לשנות את קצב ההרפיה הבא של רקמת שריר הלב. ניתן להעריך את התלות בקצב המאמץ של הרפיה, הנקראת בקרה מכנית של הרפיה (MCR), באמצעות טרבקולה לבבית שלמה. פרוטוקול זה מתאר הכנת מודל של בעלי חיים קטנים, מערכת ניסוי וחדר, בידוד הלב ובידוד לאחר מכן של טרבקולה, הכנת חדר הניסוי ופרוטוקולי ניסוי וניתוח. ראיות להארכת המתח בלב השלם מצביעות על כך ש-MCR עשוי לספק זירות חדשות לאפיון טוב יותר של טיפולים תרופתיים, יחד עם שיטה להערכת קינטיקה של מיופילמנט בשרירים שלמים. לכן, לימוד ה-MCR עשוי לסלול דרך לגישות חדשות ולגבולות חדשים בטיפול באי ספיקת לב.
הרפיה לבבית נפגעת כמעט בכל צורות אי ספיקת הלב (כולל אי ספיקת לב עם מקטע פליטה מופחת) ובמחלות לב וכלי דם רבות. בנוסף לשיטות רבות להערכת תפקוד הלב בשרירים חדירים, הערכת שרירי הלב השלמים צוברת עניין. רקמות כאלה מוערכות פרוקות (קצוות חופשיים להתכווץ) או טעונות (אורך או כוח נשלט). מבחינה היסטורית, מיוציטים מבודדים שלמים הוערכו במצב פרוק, שבו גוף התא חופשי להתקצר במהלך התכווצות. טרבקולה לבבית שלמה מוערכת לעתים קרובות בתנאים איזומטריים, שבהם האורך אינו מורשה להשתנות, אך נוצר מתח (כוח לכל שטח חתך). שתי שיטות מיוציטים שלמים ו trabeculae מתחילים להתכנס עם שינויים של עומס 1,2.
פרוטוקולים להידוק עומס על שריר (כלומר, שליטה במאמץ המפותח של שריר בערך מוגדר המדמה עומסים פיזיולוגיים) פותחו במשך כמה עשורים 3,4,5. ברקמות לב שלמות, מהדקי עומס מאפשרים לחוקרים לחקות בצורה קרובה יותר את מחזור הלב in vivo באמצעות עומסים איזוטוניים או דמויי Windkessel 6,7,8,9. מטרת פרוטוקול זה היא להשיג נתונים המשמשים לכימות ה-MCR (כלומר, התלות בקצב המאמץ של קצב ההרפיה)8,9.
בעוד פרוטוקול MCR הותאם מעבודות קודמות, ההתמקדות של פרוטוקול זה (בהשוואה לפרוטוקולים דומים המשתמשים ברקמות לב שלמות) היא על מנגנונים ביומכניים המשנים הרפיה. ישנם מספר פרוטוקולים המשתמשים בהידוק עומס 3,4,5,7,10 ופרוטוקולים המתמקדים בדגמי Windkessel 1,2,11, אך פרוטוקול זה מתאר באופן ספציפי כיצד מתיחה לפני הרפיה משנה את קצב ההרפיה. הראינו שבקרה זו מתרחשת במהלך תקופה פרוטו-דיאסטולית8, שלב שתואר במקור על ידי וויגרס12. בלבבות בריאים תקינים, שריר הלב עובר מאמץ מתארך במהלך הפליטה לפני סגירת המסתם האאורטלי (כלומר, לפני הרפיה איזובולומית)13. זה מחקה על ידי הארכת משך השליטה בעומס עד שהשריר מתחיל להימתח. ראיות קליניות מצביעות על כך שהתארכות זו עשויה להיחלש או ללכת לאיבוד במצבי מחלה14, וההשלכות והמנגנונים של שינוי שיעורי הזן הסיסטולי הסופי לא הובהרו במלואם. בהתחשב באפשרויות הטיפול הדלילות במחלות דיאסטוליות ואי ספיקת לב עם מקטע פליטה שמור, אנו מניחים כי MCR עשוי לספק תובנה לגבי מנגנונים חדשים העומדים בבסיס הרפיה לקויה.
בעוד שהדיסקציה הגסה המתוארת כאן מתמקדת במכרסמים, בידוד טרבקולה יכול להתבצע מכל לב שלם, ובעבר נעשה בו שימוש עם טרבקולה לבבית אנושית8. באופן דומה, רכישת הנתונים וניתוחם יכולים להיות מיושמים גם על קרדיומיוציטים או סוגי שרירים מבודדים אחרים 1,10. הדיון כולל הערות על שינויים והתאמות אפשריים לשיטה, לצד מגבלות, כגון זהירות מפני שימוש בשרירי פפילרי בגלל התכונות המכניות של האקורד9.
בקרה מכנית של הרפיה (MCR) מכמתת את התלות של קצב הרפיית שריר הלב בקצב המאמץ של השריר המתקדם להרפיה 8,9. קצב המאמץ, ולא העומס, הוא הכרחי ומספיק כדי לשנות את קצב ההרפיה8. מכיוון שהתערבויות לשינוי קצב הסידן לא הוכחו כמשפרות באופן משמעותי את הרפיית הלב, התערבות מכנית עשויה לספק תובנות חדשות לגבי המנגנון ולספק טיפול חדש לתפקוד דיאסטולי.
הפרוטוקול לשינוי קצב המאמץ של שריר הלב המתואר כאן משתמש במהדק עומס איזוטוני 8,9. חוזק של מהדק העומס האיזוטוני הוא הבקרה הכמותית של לחץ העומס שלאחר מכן. פרוטוקולים דמויי Windkessel יכולים לשמש לבדיקה נוספת של שינויים בעומס לאחר מכן, preload ועבודת לב 2,6,7. רמפה שאינה נשלטת על ידי מהדק העומס יכולה לשמש גם כדי לבודד טוב יותר את השינוי במאמץ מקצב המאמץ. בכל מקרה, העומס עצמו לא נראה כמשנה חזק של קצב ההרפיה8.
הפרוטוקול עשוי להיות מותאם גם כדי להתקרב לתנאים פיזיולוגיים יותר עבור טמפרטורה וקצב קצב. פרטי הפרוטוקול הנוכחי שימשו כדי להראות את נוכחותו של MCR. ביצוע ניסויים בתנאים פיזיולוגיים מומלץ בדרך כלל, בהתאם לשאלת הניסוי. עם זאת, ניסויים המבוצעים ב 37 ° C, או בקצב גבוה, יכול לגרום מהר יותר rundown (נזק) לשריר. ייתכן שיהיה צורך בתמיסה עם יכולת נשיאת חמצן משופרת. יתר על כן, רכישת הנתונים חייבת להיות מסוגלת לדגום את האורך ולאלץ מהר מספיק כדי לפתור את העוויתות המהירות ולספק בקרת משוב.
הפרוטוקול הנוכחי אינו מתאר את מדידת הסידן או מדידה ובקרה של אורכי סרקומר. מדידות סידן טופלו בפרוטוקולים אחרים11, בעוד שניתן להוסיף מדידת אורך סרקומר עם ציוד מתאים. בקרת אורך סרקומר אינה מנוצלת במחקרי MCR הנוכחיים, מכיוון שאורך השריר הוא הפרמטר המתקשר ביותר למצב הקליני19. בקרת אורך סרקומר נוספת (לעומת בקרת אורך שריר) תספק תשובות ספציפיות לשאלות קינטיות, אך לא סביר שתוסיף לידע התרגומי בשל השונות הבין-סרקומרית וההבנה המינימלית של שינויי אורך סרקומר ב-vivo.
שלושה שיקולים ניסיוניים מודגשים כאן כדי להגדיל את יכולת השחזור של הנתונים.
ראשית, טרבקולה לבבית עצמאית עשויה להיות קשה למצוא אצל בעלי חיים מסוימים (תוצאות ותקשורת שלא פורסמו). בעוד שרירי עוויתות ניתן למצוא ברוב החולדות, שיעור הצלחה סביר לקבלת נתונים מטרבקולה בחולדות הוא אחד מכל שלושה. ההצלחה של Trabecula עשויה להיות גבוהה יותר עם חולדות Brown Norway x Lewis F1, שגם בהן נעשה שימוש היסטורי20 ודווח שיש להן יותר trabeculae (תקשורת שלא פורסמה). עבור עכברים, שיעורי ההצלחה צפויים להיות נמוכים יותר, כאשר פחות מאחד מכל 10 צפוי עבור עכברים מרקע BL/6; עם זאת, שיעור גבוה יותר צפוי עבור עכברים מרקע FVBN (תקשורת ותצפיות שלא פורסמו).
שנית, נזק לשרירים יכול להפחית את התפוקה. אם הכוחות המפותחים הם פחות מ 10 mN mm-2 ב 25 ° C ו 0.5 Hz קצב, החוקרים עשויים להזדקק לבצע פתרון בעיות כדי להעריך אם מתיחה בשוגג או מגע בין מלקחיים מתכת שריר מתרחש, אם פתרונות אינם מוכנים כראוי, או אם קצב או ציוד ניסיוני מתפקד כראוי. פרוטוקולים אחרים המשתמשים בטרבקולה שלמה הציעו להשתמש במזרקי Luer-lock ככלי העברה11. בעוד שזה אפשרי, במיוחד אם המשתמש שולט בקצב זרימה איטי מאוד או בקטע שריר קטן יותר, הפרוטוקול הנוכחי משתמש בפיפטת העברת משעמם גדולה בהרבה כדי למזער נזק אפשרי. שלב נוסף שבו עלול להתרחש נזק איסכמי הוא במהלך דיסקציה. אבי העורקים צריך להיות משומר ושטוף עם פתרון זילוח בתוך 3 דקות של חתך הבטן הראשון (חולדה) או נקע צוואר הרחם (עכבר), בדומה לגבולות המפורטים בפרוטוקולי בידוד קרדיומיוציטים21,22. זה ממזער את הזמן שבו רקמת הלב אינה נחשפת לתמיסת זילוח דמוית קרדיופלגיה. יתר על כן, דיסקציות הנמשכות יותר מ -30 דקות בדרך כלל אינן מייצרות טרבקולה מעוותת. לכן, המפעילים צריכים לתרגל דיסקציה מהירה אך זהירה כדי למזער נזקים. שטח חתך מעל 0.2 מ”מ 2 (2 x 10-7 מ ‘) עלול לסבול מאיסכמיה ליבה20.
שלישית, יש לקחת בחשבון את האופן שבו השרירים מחוברים למתמר המנוע והכוח. פרוטוקול זה מתמקד כיום בווים ובטרבקולה העומדת בפני עצמה. קצב המאמץ המהיר לפעמים של המתיחה לפני הרפיה יכול לגרום לשריר להחליק אם לא מודבק כראוי, ולכן הפרוטוקול הנוכחי אינו משתמש ב”סלים” כדי להחזיק את הטרבקולה23,24. ניתן לשקול ולאמת גם שיטות הרכבה חלופיות (דבקים, קליפסים וכו ‘25,26). הפרוטוקול המתואר כאן משתמש בטרבקולה ולא בשרירי פפילרי. האקורדים של שריר הפפילרי גורמים לגמישות סדרתית שיכולה לעכב שינויים ב-MCR9. עם זאת, המיקום המדויק של החיבורים בשריר לא צפוי להשפיע על המדדים, מכיוון שאורך (וקוטר) הטרבקולה משתנים באופן משמעותי.
מגבלה של פירסינג בקצוות השריר עם ווים היא שגם נקודת ההרכבה עצמה יכולה להיפגע. קרע אפשרי של רקמת השריר המודבקת עם התכווצויות תכופות (בהתאם לחוזק שלהם) עשוי לשנות את אורך או גמישות הסדרה. קצב קריעה זה קשה לשליטה. באופן דומה, נזק לרקמה ולקרס יכול להחמיר במהלך המתיחה, גם הוא עלול לגרום לבעיות. יש להשתמש בבדיקה חזותית, ובערכי הכוח המפותח שנותרו >80% מהכוח האיזומטרי שיווי משקל, כדי להעריך אם התכשיר פגום ויש לשלול אותו.
מגבלה או שיקול נוסף משפיע על שאלות הניסוי שניתן לענות עליהן באמצעות השיטה. לדוגמה, שקול את השימוש של 2,3-butanedione monoxime (BDM) בתמיסת זילוח. BDM הוא phosphatase, אשר עשוי לשנות את תפקוד השריר. בנוסף, התקופה הארוכה של פריקה וחוסר קצב פירושה שמצב הזרחן הסמוי השתנה ככל הנראה. לכן, יש לנקוט משנה זהירות אם מנסים להעריך ישירות את התכווצות השרירים של בעל חיים (לעומת הבדלים בין גנוטיפים או טיפולים), שכן מצב ההתכווצות השתנה ככל הנראה. עם זאת, ההשפעה של זרחן ניתן להעריך פרמקולוגית על ידי הוספת אגוניסט או אנטגוניסט של המסלול.
לסיכום, MCR מספק תובנה כיצד הרפיה מווסתת על ידי תנועת שרירים (קצב מאמץ). MCR עשוי לעזור לספק תובנה טובה יותר לגבי אבחון וניטור של מחלות דיאסטוליות, יחד עם מטרות להתערבות פרמקולוגית, כגון שינוי קינטיקה מיוזין. הפרוטוקול והעצות המתוארים כאן פורסים ידע שפותח במשך מספר שנים של ניסויים, וצריכים להיות ישימים למערכות ומודלים אחרים של מחלות לב.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכת על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (1R01HL151738) ואיגוד הלב האמריקאי (18TPA34170169).
18 or 16 gauge blunted needle/canula | for cannulation of rat aorta, use 1mm of PE160 or PE205 tubing as stop | ||
2,3-Butanedione Monoxime | Sigma-Aldrich | B0753-25G | |
23 gauge blunted needle/canula | for cannulation of mouse aorta, use 1mm of PE50 tubing as stop | ||
5 mL syringe | BD Luer-Lock | 309646 | |
95% Oxygen/5% CO2 | AirGas | Z02OX9522000043 | |
Anethesia system | EZ Systems | EZ-SA800 | Can use any appropriate anethesia method/system |
Bovine Serum Albumin | Fisher BioReagents | BP-1600 | to coat tips of fine forcepts, scissors |
Calcium Chloride Dihydrate | Fisher Chemical | C79-500 | |
Containers/dissection dishes | FisherBrand | 08-732-113 | Weigh dishes for creating dissection plates |
Crile Hemostat | Fine Science Tools | 13005-14 | for mouse gross dissection |
D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G8270-1KG | |
Data acquisition software | SLControl | ||
Data acquisition system | MicrostarLabs | DAP5216a | Can use any DAQ. This is a PCI based data acqusition for use with SLControl; must have a PC with a PCI slot |
Data analysis software | Mathworks | Matlab | Custom Script |
Dumont #3 Forceps | Fine Science Tools | 11231-30 | 2x for cannulation of aorta |
Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | 2x for trabecula isolation |
Experimental system | Aurora Scientific | 801C | Can use any appropriate experimental chamber with force and length control |
Fine Scissors, curved | Fine Science Tools | 14061-09 | for removal of heart |
Gooseneck Piggyback Illuminator | AmScope | LED-6WA | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375-250G | |
Imaging software | IrfanView | ||
Iris Forceps | World Precision Instruments | 15915 | for removal of heart |
Isoflurane | VetOne | 502017 | |
Magnesium Chloride Hexahydrate | Sigma-Aldrich | M2670-100G | |
Magnesium Sulfate | Sigma-Aldrich | M7506-500G | |
Mayo Scissors | Fine Science Tools | 14110-15 | for rat gross dissection |
Metzenbaum Scissors | Fine Science Tools | 14116-14 | for mouse gross dissection |
Microscope connected camera | Flir | BFS-U3-27S5M-C | Includes acquisition software |
Microscope/digital imaging system | Olympus | IX-73 | Can use any appropriate microscope. Needed to measure muscle length, cross sectional area |
Mounting Pin/Needle | BD PrecisionGlide | 305136 | For holding heart to dish. 27 G x 1-1/4 |
Mounting Pin/Needle | Fine Science Tools | 26000-40 | For holding heart to dish. 0.4mm diameter insect pin (Alt to 27G needle) |
Oxygen (O2) | AirGas | OX USP300 | |
Peristaltic Pump | Rainin | Rabbit | Can be any means to create flow in experimental chamber |
pH and Oxygen sensor | Mettler Toledo | SevenGo pH and DO | |
Potassium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | 237205-100G | |
Potassium Chloride | Fisher Chemical | P217-500 | |
Potassium Phosphate Monobasic | Sigma-Aldrich | 795488-500G | |
Rochester-pean Hemostat | World Precision Instruments | 501708 | for rat gross dissection |
Silk Suture, Size: 4/0 | Fine Science Tools | 18020-40 | cut to ~1.5 inch pieces, soaked in water |
Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6297-250G | |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S9888-1KG | |
Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | S8045-500G | |
Sodium Phosphate Dibasic | Sigma-Aldrich | S7907-100G | |
Stereomicroscope | AmScope | SM-1TX | |
Student Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 91500-09 | for opening of the RV |
SYLGARD 184 Silicone Elastomer Base | Dow Corning | 3097358-1004 | For creating dissection plates |
Syringe Holder | Harbor Frieght | Helping Hands 60501 | Can be used as alternate for ring stand |
Taurine | Sigma-Aldrich | T0625-1KG | |
Transfer Pipette | FisherBrand | 13-711-7M | cut ~1" from tip to widen bore |
Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-00 | for trabecula isolation |