Dit protocol beschrijft drie methoden voor het toedienen van cardioactieve therapeutische middelen in een varkensmodel. Vrouwelijke landrasvarkens werden behandeld door middel van: (1) thoracotomie en transepicardiale injectie, (2) transendocardiale injectie op basis van katheter, of (3) intraveneuze infusie via halsaderosmotische minipomp.
Myocardinfarct is wereldwijd een van de belangrijkste doodsoorzaken en invaliditeit, en er is dringend behoefte aan nieuwe cardioprotectieve of regeneratieve strategieën. Een essentieel onderdeel van de ontwikkeling van geneesmiddelen is het bepalen hoe een nieuw therapeutisch middel moet worden toegediend. Fysiologisch relevante grote diermodellen zijn van cruciaal belang bij het beoordelen van de haalbaarheid en werkzaamheid van verschillende therapeutische toedieningsstrategieën. Vanwege hun overeenkomsten met mensen in cardiovasculaire fysiologie, coronaire vasculaire anatomie en verhouding tussen hartgewicht en lichaamsgewicht, is varkens een van de voorkeurssoorten in de preklinische evaluatie van nieuwe therapieën voor een hartinfarct. Dit protocol beschrijft drie methoden voor het toedienen van cardioactieve therapeutische middelen in een varkensmodel. Na percutaan geïnduceerd myocardinfarct kregen vrouwelijke landrasvarkens een behandeling met nieuwe middelen door middel van: (1) thoracotomie en transepicardiale injectie, (2) transendocardiale injectie op basis van katheter, of (3) intraveneuze infusie via een osmotische minipomp van de halsader. De procedures die voor elke techniek worden gebruikt, zijn reproduceerbaar, wat resulteert in een betrouwbare cardioactieve medicijnafgifte. Deze modellen kunnen eenvoudig worden aangepast aan individuele onderzoeksontwerpen, en elk van deze toedieningstechnieken kan worden gebruikt om een verscheidenheid aan mogelijke interventies te onderzoeken. Daarom zijn deze methoden een nuttig hulpmiddel voor translationele wetenschappers die nieuwe biologische benaderingen nastreven voor hartherstel na een hartinfarct.
Coronaire hartziekte (CAD) en geassocieerd ST-elevatie myocardinfarct (STEMI) zijn wereldwijd de belangrijkste doodsoorzaken. In de afgelopen twee decennia is grote vooruitgang geboekt bij het terugdringen van de sterfte in het ziekenhuis van patiënten met STEMI, door de komst van percutane coronaire interventie, fibrinolytische therapieën en standaardisatie van behandelingsalgoritmen om ervoor te zorgen dat reperfusie tijdig wordt bereikt 1,2,3. Desondanks blijft de morbiditeit die gepaard gaat met STEMI een aanzienlijke last, waardoor er een grote behoefte ontstaat aan de ontwikkeling van nieuwe cardioprotectieve en regeneratieve therapieën 2,3. Een essentieel onderdeel van de therapeutische ontwikkeling is het bepalen van de wijze waarop een nieuwe therapie moet worden toegediend4. De veiligheid, werkzaamheid en haalbaarheid van elke methode moeten worden afgestemd op de kenmerken van de therapie zelf.
Fysiologisch relevante grote diermodellen zijn van cruciaal belang bij het beoordelen van deze kenmerken van verschillende therapeutische toedieningsstrategieën5. Vanwege hun overeenkomsten met mensen in cardiovasculaire fysiologie, coronaire vasculaire anatomie en verhouding tussen hartgewicht en lichaamsgewicht, is varkens een van de voorkeurssoorten in de preklinische evaluatie van nieuwe therapieën voor een hartinfarct. We hebben eerder een STEMI-model voor varkens gebruikt om het herstellende vermogen van een recombinante eiwittherapie aan te tonen7, en blijven nieuwe farmacologische, cellulaire en genetische therapieën onderzoeken met behulp van dit model. Hier worden drie technieken van therapeutische toediening beschreven die worden gebruikt in varkensmodellen na het ontstaan van een infarct: thoracotomie en transepicardiale injectie, percutane transendocardiale injectie en jugulaire veneuze osmotische minipompimplantatie. De eerste twee methoden maken lokale weefselafgifte mogelijk, waardoor de vereiste doseringen, off-target effecten en hepatisch first-pass-metabolisme worden verlaagd 8,9,10. De osmotische minipomp maakt een continue toediening mogelijk van een medicijn met een korte halfwaardetijd, waardoor de afhankelijkheid van een infuuspomp en een gepatenteerde intraveneuze canule teniet wordt gedaan, die beide moeilijk in te voeren zijn in grote diermodellen.
Door deze technieken te beschrijven, wordt gehoopt dat dit artikel translationele wetenschappers kan helpen bij het onderzoeken van nieuwe cardioprotectieve of regeneratieve middelen na een hartinfarct in grote diermodellen.
Transepicardiale intramyocardiale injectie
Deze procedure heeft het voordeel van directe cardiale visualisatie en het is aangetoond dat het een grotere lokale retentie van therapieën biedt dan systemische toedieningsmethoden 9,10,14. Thoracotomieën zijn echter invasief, vereisen aanzienlijke technische vaardigheden en vormen een groter risico op morbiditeit en mortaliteit dan andere besproken methoden10,15. Kennis van de kritieke en precaire fasen van de procedure kan helpen bij de bemiddeling van dit verhoogde risico.
Grote voorzichtigheid moet worden betracht bij het manipuleren van het hart om de harttop bloot te leggen vanwege het hoge risico op aritmie en het bijbehorende hemodynamische compromis. Continue invasieve bloeddrukmeting en elektrocardiografie zorgen voor een snelle identificatie van hypotensie of onstabiele aritmieën, waardoor snelle interventie en correctie mogelijk wordt. Voorbijgaande hypotensie kan over het algemeen worden behandeld met metaraminolbolussen. Aanhoudende hypotensie kan worden getemporiseerd door de inhalatie-anesthetica te verminderen (zorgvuldige controle van de anesthesiediepte) en een vasopressorinfusie te starten, terwijl tegelijkertijd de oorzaak van de veranderde hemodynamica wordt bepaald. Instabiele aritmieën, zoals ventriculaire tachycardie of ventriculaire fibrillatie, kunnen worden behandeld door elektrische cardioversie met of zonder intraveneuze antiaritmica.
Even belangrijk voor de overleving van dieren is de succesvolle verwijdering van vrij gas uit de pleuraholte voordat de borstkas wordt gesloten. Als u dit niet doet, kan dit leiden tot het ontwikkelen van een pneumothorax, waardoor het dier een groot risico loopt op ademhalingsproblemen en overlijden zodra het bij herstel wordt losgekoppeld van de mechanische ventilator. De positieve luchtwegdruk moet gedurende ten minste 30 s worden gehandhaafd totdat er geen bubbels meer worden waargenomen. De siliconenslang wordt onmiddellijk verwijderd bij het stoppen met borrelen en de thorax wordt dan snel gesloten. Het is ook mogelijk om chirurgisch een thoracostomiebuis bij sluiting te plaatsen, waardoor de lucht en ontstekingsvloeistof in de komende 24-72 uur handmatig kunnen worden verwijderd. Dit is echter moeilijk schoon en intact te houden, vooral als dieren samen worden gehuisvest. Beschadiging of besmetting van de buis kan leiden tot pyothorax, pneumothorax of sepsis. Onze ervaring is dat het inbrengen van een tijdelijke thoraxdrain niet nodig is als het vrije gas voldoende is verwijderd voordat de borstkas wordt gesloten.
Percutane transendocardiale intramyocardiale injectie
Deze methode van therapeutische toediening heeft het voordeel dat lokale weefselafgifte mogelijk is met een lager risico vanwege het minder invasieve karakter ervan in vergelijking met een chirurgische benadering10,14. Deze techniek wordt al gebruikt in grote dierstudies, met zowel fluoroscopie als elektromechanische mapping als leidraad bij gebrek aan directe visualisatie10,16,17.
Aangezien het hart niet direct zichtbaar is, is het verstandig voor de procedurele arts om orthogonale fluoroscopische beelden te gebruiken bij het selecteren van een injectieplaats. Bovendien is de injectie van verdund jodiumcontrast vóór en toediening van het geneesmiddel uiterst waardevol bij het bevestigen van myocardcontact. Gepast contact kan worden bevestigd door het observeren van een karakteristieke ‘myocardiale blos’, die een van de weinige markers kan zijn van het succes van de injectie voorafgaand aan de weefseloogst. Vanwege het risico op kamerperforatie wordt ook aanbevolen om de dikte van de myocardwand op de geselecteerde injectieplaats groter te zijn dan 9 mm14,16.
Halsslagader veneuze osmotische minipomp
De osmotische minipomp is een populair apparaat dat vaak wordt gebruikt in studies met kleine dieren. Er is steeds meer belangstelling voor het gebruik van dit apparaat in grote diermodellen 7,18,19, gezien het unieke voordeel van het toedienen van een therapeutisch middel met een consistente snelheid gedurende een bepaalde periode. Een mogelijke beperking van deze methode is het onvermogen om de infusiesnelheid van het geneesmiddel te wijzigen of te stoppen zonder de pomp te vervangen of te verwijderen. Dit moet worden overwogen voordat de therapie op deze manier wordt getest.
Deze studie toonde aan dat deze methode kon worden uitgevoerd met een hoog slagingspercentage bij varkens, met een lage morbiditeit en mortaliteit. Opgemerkt moet worden dat veel vitale structuren grenzen aan de operatieplaats, waaronder lymfeklieren, de thymus en de halsslagader. Het naleven van de methode en het raadplegen van anatomische teksten20 worden sterk aanbevolen om onbedoelde schade aan een van deze structuren te voorkomen. De meest zorgwekkende complicatie van deze methode is hemorragische shock als gevolg van onbedoeld letsel aan de halsader of een omliggende structuur. Het is daarom van cruciaal belang dat het zachte weefsel rond de halsader zorgvuldig wordt verwijderd. Als u deze stap niet correct uitvoert, kan dit leiden tot problemen bij het plaatsen van de minipompslang of het beheersen van onbedoelde bloedingen.
Dit artikel heeft drie methoden beschreven voor de toediening van cardioactieve therapieën. Ondanks het gerapporteerde succes van elke techniek, zijn er inherente beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden. Invasieve procedures (transepicardiale injectie) zorgen voor een grotere nauwkeurigheid van therapeutische toediening; Ze brengen echter een groter risico op mogelijk fatale complicaties met zich mee. Bovendien vereist invasieve bevalling meer technische vaardigheden om het risico op complicaties te minimaliseren. Evenzo vereist fluoroscoopische, transendocardiale injectie een zekere mate van technische vaardigheid voor katheterisatie en manipulatie van hardware. Als deze methode niet goed wordt uitgevoerd, zijn injectiefalen en fatale complicaties mogelijk.
De beschreven directe injectiemethoden maken het mogelijk om eenmalig een therapeutisch middel in het doelweefsel toe te dienen. De halsslagaderige osmotische minipomp maakt de systemische toediening van een therapeutisch middel gedurende een periode van 7 dagen mogelijk. Relatief gezien is deze methode eenvoudiger en gaat ze gepaard met minder risico, maar het is afhankelijk van een systemische therapie die zijn weg vindt naar het myocardium. Bovendien is het, als de pomp eenmaal op zijn plaats zit, onmogelijk om de toediening te staken of het dosistempo te wijzigen zonder het dier opnieuw te verdoven en de pomp te verwijderen.
Alle methoden die in dit artikel worden beschreven, zijn uitgevoerd op dieren op de dag of 2 weken na een hartinfarct. Daarom kan dit werk het succes van genoemde methoden niet rapporteren bij gezonde dieren of dieren die zijn onderworpen aan een alternatieve cardiale pathologie. Ten slotte moeten de farmacologie en biotechnologie van elk beoogd middel zorgvuldig worden overwogen, aangezien dit inherent gekoppeld zal zijn aan de werkzaamheid van de gekozen toedieningsroute. Een gedetailleerde bespreking hiervan valt buiten het bestek van dit manuscript.
Uitgebreide afbeeldingen van preklinische methoden komen het dierenwelzijn en de bredere wetenschappelijke gemeenschap ten goede. De resulterende verbeterde reproduceerbaarheid van procedures en resultaten leidt tot minder complicaties op het gebied van diergezondheid, minder dieren die nodig zijn om significante resultaten te produceren en meer vertrouwen in experimentele resultaten21,22. In dit artikel worden drie methoden voor toediening van nieuwe therapieën beschreven voor de behandeling van een hartinfarct in een varkensmodel. Door de gebruikte technieken in detail te beschrijven en de voordelen en risico’s van elk te verwoorden, wordt verwacht dat onderzoekers in staat zullen zijn om comfortabel consistente en betrouwbare preklinische modellen te creëren die passen bij hun onderzoeksdoelen.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gefinancierd door subsidies van de National Health and Medical Research Council APP1194139/APP1126276 (JC), de National Stem Cell Foundation of Australia en het New South Wales Government Office of Health and Medical Research (JC). DS werd ondersteund door het Royal Australasian College of Physicians, het Institute of Clinical Pathology and Medical Research en het Australian Government Research Training Program. TD werd ondersteund door het Institute of Clinical Pathology and Medical Research, Penfolds Family Scholarship, National Health and Medical Research Council (APP2002783) en de National Heart Foundation of Australia (104615).
Central line placement | |||
2-0 sutures | Ethicon | JJ9220 | |
Arrow' Paediatric Two-Lumen Central Venous Catheterisation Set with Blue FlexTip Catheter (contains 18G cook needle and 0.035" J-tip wire) | Teleflex | CS-14502 | Central Line |
Green Fluorsence Protein (GFP) | Abcam | ab13970 | 1:100 dilution ratio |
Histology antibodies | |||
Ku80 | Cell Signalling Technology | C48E7 | 1:500 dilution ratio |
No. 11 scalpel | Swann-Morton | 203 | |
Sparq' Ultrasound System | Philips | MP11742 Medpick | |
Sterile ultrasound probe cover | Atris | 28041947 | |
Swine Jacket with Pocket, size 'Medium' | Lomir Biomedical | SS J2YJJET | |
Jugular vein osmotic minipump implantation | |||
Adson Brown Tissue Forceps | Icon Medical Supplies | KLINI316012 | |
Bellucci Self-Retaining Retractor | surgicalinstruments.net.au | group-24.26.02 | Self retaining tissue retractor |
Electrosurgical Pencils with 'Edge' Coated Electrodes | Covidien | E2450H | Cautery Pencil |
Metzenbaum Scissors | Icon Medical Supplies | ARMO3250 | |
No. 22 scalpel blade | Swann-Morton | 208 | |
Nylon Suture (2-0, 3-0) | Ethicon | D9635, 663G | |
Osmotic Infusion Minipump | Alzet | 2ML1, 2ML2, 2ML4 | |
Vascular Silicone Ties | Vecmedical | 95001 | |
Vicryl suture (5-0) | Ethicon | W9982 | |
Percutaneous transedocardial injection | |||
Artis Zee' C-Arm Fluoroscopy | Siemens | IR-19-1994 | |
CARTO' 3 System | Biosense Webster | Electrophysiological Mapping Software & System | |
Cook Access Needle | Cook Medical | G07174 | Cannulation needle |
Fast-Cath' Introducer (6 French, 8 French) | Abbott | 406204, 406142 | Vascular sheath with introducer and guidewire |
Myostar' Injection Catheter | Biosense Webster | 121117S, 121119S, 1211120S | Intramyocardial injection catheter |
No.11 scalpel | Swann-Morton | 203 | |
Omnipaque' Iohexol Contrast | GE Healthcare | AUST R 39861 | Iodinated contrast agent |
Sparq' Ultrasound System | Philips | MP11742 Medpick | |
Sedation & general anaesthesia | |||
Compound Sodium Lactate Hartmann's Solution | Free flex | 894451 | |
Fentanyl 50 mcg/mL | Pfizer | AUST R 107027. | Intravenous anaesthesia and analgesia |
Forthane' Isoflurane | Abbott | AUST R 29656 | Inhalant anaesthetic |
GE Aestiva 5 Anaesthesia Machine | Datex Ohmeda | 17002-9, 17002A9 Avante Health Solutions | Anaesthetic Machine |
Hypnovel' Midazolam 5 mg/mL | Roche | AUST R 13726 | Sedative |
Intravenous cannula | BD Angiocath | 381137 | 20 gauge cannula |
Ketamil' Ketamine 10 mg/mL | Ilium | APVMA number: 51188c | Sedative |
Laryngoscope | Miller | VDI-6205 | |
Medetomidine 1 mg/mL | Ilium | APVMA number 64251; ACVM number A10488 | Sedative |
Metaraminol 10 mg/mL | Phebra | AUST R 284784 | Short-acting vasopressor |
Methadone 10 mg/mL | Ilium | APVMA number: 63712 | Sedative, Restricted drug |
Onsetron' Ondansetron 2 mg/mL | Accord Healthcare | AUST R 205593 | Anti-emetic |
Propofol-Lipuro' Propofol 10 mg/mL | Braun | AUST R 142906 | Intravenous anaesthetic |
Pulse Oximeter | Meditech | GVPMT-M3S | Portable pulse oximeter |
Shiley' Cuffed Basic Endotracheal Tube (Size 5.5 & 6.0) | Medtronic | 86108-, 86109- | |
Shiley' Intubating Stylet, 10 Fr | Medtronic | 85864 | |
Sodium Chloride 0.9% | Free flex | FAH1322 | |
Thoracotomy and epicardial Cell Injection | |||
27 G Insulin needle | Terumo | 51907 | |
Adson Brown Tissue Forceps | Icon Medical Supplies | KLINI316012 | |
CARTO' 3 System | Biosense Webster | Electrophysiological Mapping Software & System | |
Cefazolin 1 g Vial | AFT Pharmaceuticals | 9421900137367 CH2 | Antibiotic Prophylaxis |
Chest drainage tube | SurgiVet | SKU-336 | |
Cook Access Needle | Cook Medical | G07174 | Cannulation needle |
Cooley Sternotomy Retractor Paediatric | Millennium Surgical | 9-61287 | |
Durogesic' 100 mcg/h Fentanyl Patch | Janssen | AUST R 112371 | Postoperative analgesia |
Electrosurgical Pencils with 'Edge' Coated Electrodes | Covidien | E2450H | Cautery Pencil |
Electrosurgical Pencils with 'Edge' Coated Electrodes | Covidien | E2450H | Cautery Pencil |
Fast-Cath' Introducer (6 French, 8 French) | Abbott | 406204, 406142 | Vascular sheath with introducer and guidewire |
Lignocaine 20 mg/mL | Pfizer | AUST R 49296, AUST R 49297, AUST R 49293 and AUST R 49295. | Local anaesthesia, anti-arrhythmic |
Marcaine' Bupivacaine 0.5% | Pfizer | AUST R 48328 | Local anaesthesia. |
Metzenbaum Scissors | Icon Medical Supplies | ARMO3250 | |
No. 22 scalpel | Swann-Morton | 208 | |
Nylon Suture (2-0, 3-0) | Ethicon | D9635, JJ76264 | |
Size 1 PDS suture | Ethicon | JJ75414 | |
Sparq' Ultrasound System | Philips | MP11742 Medpick | |
Sterile gauze | Kerlix | KE5072 | |
Sterile laparotomy sponges | Propax | 2907950 | |
Thermocool Smartouch' Catheter | Biosense Webster | D133601, D133602, D133603 | Epicardial Mapping Catheter |