Изолированная система работы сердца для крупных животных моделях
Summary
Most studies involving the Langendorff apparatus use small animal models due to the increased complexity of systems for larger mammals. We describe a Langendorff system for large animal models that allows for use across a range of species, including humans, and relatively easy data acquisition.
Abstract
С момента своего появления в конце 19-го века, изолированных сердца перфузии аппарат Langendorff, и последующее развитие модели рабочей сердца, были бесценными инструментами для изучения сердечно-сосудистой системы и болезни 1-15. Хотя подготовка Langendorff сердце может быть использован для любого сердца млекопитающих, большинство исследований с участием этого аппарата используют небольшие животные модели (например, мыши, крысы, и кролик) в связи с увеличением сложности систем для крупных млекопитающих 1,3,11. Одна из основных трудностей является обеспечение постоянной коронарной перфузионного давления по всему диапазону различных размеров сердца – ключевой компонент любого эксперимента с использованием этого устройства 1,11. Путем замены классический гидростатического столба постнагрузки с центробежным насосом, Лангендорфу сердце аппарат работает описано ниже позволяет для легкой регулировки и жесткий регулирования давления перфузии, то есть то же самое установка может быть использована для различных породыс или размеры сердца. Кроме того, эта конфигурация может также легко переключаться между постоянном давлении или постоянном потоке во время реперфузии, в зависимости от предпочтений пользователя. Открытый характер этой установки, несмотря на создание регулирование температуры сложнее, чем других конструкций, позволяет легко коллекции сточных и желудочковой данных давления объема.
Introduction
Большая часть нашего понимания основного сердечной биологии и физиологии пришел из экспериментов, которые использовали изолированную, ретроградную-перфузии сердце Лангендорфа и изолированные системы, работающие с сердцем. Эти экспериментальные системы все еще широко используются сегодня, чтобы продлить наше сердечно-сосудистой знания важных тем, в том числе ишемии-реперфузии 2, предварительной подготовки 4, сотовый основе терапии для поврежденного миокарда 5,7, сердечные эффекты препаратов 6,9 и сохранения сердечной аллотрансплантата методы 8,15-18.
Хотя оба изолированные системы сердца может быть использован для любого вида млекопитающих, они в основном используются на мелких млекопитающих, таких как морской свинки, крысы, кролика или 3,12,13. Более крупные модели на животных, таких как свиньи и человека, обеспечивают более клинически релевантные данные, но менее часто используются из-за высокой стоимости, большей биологической изменчивости, больших объемов перфузии крови решений и Biggэ единиц оборудования 1,12-15. Кроме того, сбор данных является более трудным, особенно для отдельных рабочих сердцах 1,3,12-15. В результате этих сложностей, клинически соответствующие изолированные модели сердца используются редко, строго препятствует прогрессу сердечно-сосудистых исследований поступательного.
В попытке разрешить эти сложности, изолированный подготовка работы сердца был изменен, чтобы создать систему, которая может быть легко адаптирована к сердцам различных видов, включая человека, при любом постоянном давлении или постоянных условиях поток Лангендорфа. Камера соблюдения постнагрузки был заменен с центробежным насосом для упрощения процесса регулирования давления перфузии в режиме Лангендорфа и постнагрузки в рабочем режиме. Вместо закрытых, рубашкой резервуар для сдерживания сердце, эта система использует открытую камеру, чтобы сделать сбор данных проще, позволяя использовать transapical подхода к проводимости катетеризации. Moreovэ-э, это открытая конструкция позволяет получить доступ для оценки эхокардиографической сердца, дальнейшего расширения физиологические параметры, которые можно измерить во время этих экспериментов. Эти улучшения, мы надеемся поощрять других, чтобы использовать эту систему для больших исследований животных поступательного.
Protocol
Representative Results
Discussion
Langendorff изолированных сердца перфузии аппарат и модель работы сердца привели к некоторым из самых фундаментальных открытий в физиологии сердца, патологии и фармакологии. Универсальность этой модели позволяет использовать его с различными видами при различных нормальных и патологических состояний, 1-18. Тем не менее, изолированы модель сердца обычно не используется для крупных млекопитающих, особенно человеческие сердца, отчасти из-за возросшей сложности как конструкции устройства и сбора данных. Таким образом, протокол, представленные здесь демонстрирует попытку улучшить эти сложности, что приводит к относительно воспроизводимых посредством изучения изолированных свиные сердца.
Важнейшим компонентом нашей установки является замена артериальная соблюдения / постнагрузки камере с центробежным насосом. Этот обмен позволяет усилить контроль над коронарной перфузионного давления и постнагрузки в Лангендорфа и режимов работы сердца, respectiVely, позволяет этот набор, чтобы быть легко адаптирована к сердцам различных размеров и видов. Например, в этой конструкции, свиные сердца реперфузии при 40-45 мм рт.ст., в то время как человека реперфузии сердца на 60-65 мм рт. Это изменение давления достигается просто путем корректировки параметров центробежного насоса; Ни один из компонентов системы не должна быть физически регулировать. Кроме того, помещая датчик давления в корне аорты контролировать коренных давления позволяет легкий переход между постоянным потоком и постоянным давлением в режиме Лангендорфа. Хотя это изменение снимает классическую камеру соблюдения, центробежный насос, позволяя двунаправленный поток происходит на основании градиента давления, может служить в качестве камеры соответствия. С систолы и выброшенного ударного объема, ретроградный кровоток в насосе служит для уменьшения давления постнагрузки, тиражирование аорты эластичность.
Открытая конструкция этого аппарата также важно. После сердце висит в открытом аREA, вместо полузамкнутом камере или воронку, позволяет легче аппаратуры для измерений давления объема. Открытая конструкция позволяет использование transapical разрез для LV катетера, избегая подхода трансвальвулярный. Подход трансвальвулярный более технически сложно, и обычно требует рентгеноскопии для правильного размещения. Кроме того, этот подход может также индуцировать клапанной недостаточности. При использовании transapical подход, мы безопасно и легко разместить катетер в левом желудочке, устраняя дополнительные расходы и неудобства рентгеноскопии. Открытая конструкция также обеспечивает легкий доступ для эхокардиографии и стоков коллекции, дальнейшего расширения функциональных и биохимических параметров, которые могут быть оценены в то время как в этой системе.
Открытая конструкция, а облегчения сбора данных, делает регулирование инфаркт температура сложнее. Поддержание физиологической температуры является одним из известных проблем с Лангендорфаили работают системы сердца 1,3,11,13. Система Лангендорфу обычно содержит тепловую камеру, которая помогает поддерживать надлежащую температуру, но эта камера также делает вставка желудочка давление-объем катетера более трудным. Чтобы решить эту уступает терморегуляцию открытой конструкции, оксигенатора / теплообменник был помещен после водохранилища. Минимальное пространство между теплообменником и аорты канюлю снижает потери тепла, а также датчик температуры инфаркт обеспечивает нормотермию. Использование рубашкой трубопровода или внешних источников тепла также могут быть использованы, чтобы помочь с контролем температуры.
Другим уникальным элементом этого протокола промывки аутологичной крови свиньи изучаемого и воссоздания его нормального физиологического раствора. Хотя, использование либо в целых perfusates крови или эритроцитов дополненными кристаллоидными буферов не редкость, это делает настоящее вопросами. Бывший обычно требует донорской животное, которое добавляет SUBSTАНТИАЛ издержки эксперимента, в то время как последний может иметь проблемы иммуногенности, так как обычно происходит от бычьего 1,11-13 крови. По мытья собственную кровь оригинального свиньи, протокол требует только одного животного и вопросы иммуногенность абляции. Кроме того, процесс промывки удаляет большую часть электролитов, то есть они могут быть легко манипулировать в экспериментальных параметров. Наконец, используя блок сохранения крови удаляет большинство белков в крови, которое является как преимуществом и недостатком этого способа. Преимуществом является то, что любой коагуляция и иммунологические / инфекционные белки удаляются, уменьшая вероятность образования сгустков или загрязнения. Недостатком является то, что эта смесь имеет низкую онкотического давления, которое может вести к отеку миокарда и, возможно, потери функции сердца с течением времени. Эта проблема может быть решена, однако, за счет добавления альбумин или другой коллоида.
Обеспечение того, чтобы правильно подобранногоIMAL и катетер были выбраны также важно, как с помощью соответствующего работающем сердце аппарат. В идеале, катетер будет размещена со всеми электродами зондирования внутри желудочка пространстве, с двумя электродами возбуждения (т.е. наиболее проксимальные электроды) за пределами желудочка пространстве. Если полость желудочков животного слишком мал, или расстояние между электродами слишком велико, то все сегменты не будут соответствовать в пространстве ЛЖ. В то время как расположение электродов возбуждения может быть скорректирована, небольшой полости ЛЖ может также вызвать катетер согнуть или кривой, что делает сбор данных трудно. Таким образом, для функционального анализа больших сердец животных, размер животных не менее 60 кг рекомендуется. С животного такого размера, расстояние между электродами 7 мм, как правило, обеспечивает полную вставки катетера.
В заключение, эта рукопись описывает изолированную систему работающем сердце, что упрощает регулирование давления перфузии, колонка данныхлекция, и общий дизайн, делая контроль температуры лишь немного сложнее. Эти изменения в изолированной работающем сердце мы надеемся, позволит за более широкого использования с большими сердцами млекопитающих, включая человека, углубления нашего понимания сердечной патологии и позволяет более клинически соответствующие варианты лечения, которые будут обнаружены.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
There are no acknowledgments.
Materials
| PowerLab 16/35 with LabChart Pro | ADInstruments | PL3516/P | |
| MPVS Ultra Pressure-Volume Unit | ADInstruments | 880-0168 | |
| Ventri-Cath Catheter (5F, 12E, 7mm, DField, Straight, 122cm) | Millar | VENTRI-CATH-507s | |
| Pressure Catheter (3.5F, Single, Straight, 100cm, Ny, Non Repairable) | Millar | SPR-524 | |
| PV Extension Cable (10ft) | ADInstruments | CEC-10PV | |
| Catheter Interface Cable (10ft) | ADInstruments | PEC-10D | |
| Rho Calibration Cuvette | ADInstruments | 910-1060 | |
| MPVS Ultra BNC Cable Pack | ADInstruments | 880-0172 | |
| Autotransfusion system | Sorin | 7320000 | |
| Bowl Set with Low Volume (135 ml) Centrifuge Bowl | Sorin | 7135100 | |
| Oxygenator/Heat Exchanger | Terumo | 3CXSX18RX | |
| Perivascular flow probe | Transonic Systems | PAU Series | Size of flow probe will depend on animal size; for 60 kg pig, recommend 20 or 24 mm probe |
| Perivascular flowmeter module | Transonic Systems | TS420 | |
| Myocardial temerpature sensor | Smiths Medical | MTS-40015 | |
| 16 G 1" Regular needle | BD Inc. | 305197 | |
| 4-0 polypropylene suture (double-arm) | Ethicon | 8526H | For purse-string stitches |
| 2-0 polypropylene suture (single-arm) | Ethicon | 8833H | |
| Cable ties | ULINE | S-1021 | |
| Cable tie gun | ULINE | H-241 | |
| Clear, Flexible PVC Tubing | VWR International | 89068 | Inner diameter depends on cannulas, pumps and other equipment used; most commonly use 1/4", 3/8" tubing |
| Straight Tubing Connectors | VWR International | 46600 | |
| Y-Shaped Tubing Connectors | Thermo Scientific | 6152 | |
| Jacketed Bubble Trap | Radnoti | 14040 | For preload chamber |
| Centrifugal pump | Maquet | 70105 | The centrifugal pump and roller pumps were obtained used from perfusion department after clinical use. |
| Roller pumps | Maquet | HL-20 | |
| Hemostasis Valve | Merit Medical | MAP150 | |
| Blood gas analyzer | Instrumentation Laboratory | 570001000 |
References
- Skrzypiec-Spring, M., Grotthus, B., Szelag, A., Schulz, R. Isolated heart perfusion according to Langendorff—still viable in the new millennium. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 55, 113-126 (2007).
- Cheung, P. Y., et al. Matrix metalloproteinase-2 contributes to ischemia-reperfusion injury in the heart. Circulation. 101, 1833-1839 (2000).
- Ytrehus, K. The ischemic heart–experimental models. Pharmacological Research: the Official Journal of the Italian Pharmacological Society. 42, 193-203 (2000).
- Ferdinandy, P., Schulz, R. Nitric oxide, superoxide, and peroxynitrite in myocardial ischaemia-reperfusion injury and preconditioning. British Journal of Pharmacology. 138, 532-543 (2003).
- Ohno, N., et al. Transplantation of cryopreserved muscle cells in dilated cardiomyopathy: effects on left ventricular geometry and function. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 126, 1537-1548 (2003).
- Hamlin, R. L., et al. Sensitivity and specificity of isolated perfused guinea pig heart to test for drug-induced lengthening of QTc. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 49, 15-23 (2004).
- Lee, M. S., Lill, M., Makkar, R. R. Stem cell transplantation in myocardial infarction. Reviews in Cardiovascular Medicine. 5, 82-98 (2004).
- Ryugo, M., et al. Myocardial protective effect of human recombinant hepatocyte growth factor for prolonged heart graft preservation in rats. Transplantation. 78, 1153-1158 (2004).
- Valentin, J. P., Hoffmann, P., De Clerck, F., Hammond, T. G., Hondeghem, L. Review of the predictive value of the Langendorff heart model (Screenit system) in assessing the proarrhythmic potential of drugs. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 49, 171-181 (2004).
- Southworth, R., Blackburn, S. C., Davey, K. A., Sharland, G. K., Garlick, P. B. The low oxygen-carrying capacity of Krebs buffer causes a doubling in ventricular wall thickness in the isolated heart. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 83, 174-182 (2005).
- Bell, R. M., Mocanu, M. M., Yellon, D. M. Retrograde heart perfusion: the Langendorff technique of isolated heart perfusion. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 50, 940-950 (2011).
- Hearse, D. J., Sutherland, F. J. Experimental models for the study of cardiovascular function and disease. Pharmacological Research: the Official Journal of the Italian Pharmacological Society. 41, 597-603 (2000).
- Sutherland, F. J., Hearse, D. J. The isolated blood and perfusion fluid perfused heart. Pharmacological Research: the Official Journal of the Italian Pharmacological Society. 41, 613-627 (2000).
- Hill, A. J., et al. In vitro studies of human hearts. Ann Thorac Surg. 79, 168-177 (2005).
- Colah, S., et al. Ex vivo perfusion of the swine heart as a method for pre-transplant assessment. Perfusion. 27, 408-413 (2012).
- Ozeki, T., et al. Heart preservation using continuous ex vivo perfusion improves viability and functional recovery. Circ J. 71, 153-159 (2007).
- Garbade, J., et al. Functional, metabolic, and morphological aspects of continuous, normothermic heart preservation: effects of different preparation and perfusion techniques. Tissue engineering. Part C, Methods. 15, 275-283 (2009).
- Poston, R. S., et al. Optimizing donor heart outcome after prolonged storage with endothelial function analysis and continuous perfusion. Ann Thorac Surg. 78, 1362-1370 (2004).
