Büyük Hayvan Modelleri için bir İzole Çalışma Kalp Sistemi
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
19. yüzyıl sonundan yılında tanıtılmasından bu yana, Langendorff izole kalp perfüzyon cihazı ve çalışma kalp modelinin sonraki gelişme, kardiyovasküler fonksiyonu ve hastalık 1-15 eğitim için çok değerli araçlar olmuştur. Kalp Langendorff hazırlanması herhangi bir memeli kalp için kullanılabilir, ancak bu cihaz ile ilgili bir çok çalışma nedeniyle büyük memelilerde 1,3,11 için sistemlerin artan karmaşıklığı küçük hayvan modellerinde (örneğin, fare, sıçan, tavşan) kullanır. Bu cihaz 1,11 kullanan herhangi bir denemenin önemli bir bileşeni – bir büyük güçlük farklı kalp boyutta bir dizi üzerinde sabit koroner perfüzyon basıncı sağlamaktır. Bir santrifüj pompa ile klasik hidrostatik afterload sütun yerine, aşağıda açıklanan Langendorff çalışan kalp cihazı aynı set-up çeşitli madenî için kullanılabileceği anlamına gelir, kolay ayarlama ve perfüzyon basınçları sıkı düzenlenmesi için izin verirs veya kalp boyutları. Ayrıca, bu yapılandırma da sorunsuz kullanıcının tercihlerine bağlı olarak, reperfüzyon sırasında sabit basınç veya sabit akış arasında geçiş yapabilirsiniz. Bu kurulum açık doğası, diğer tasarımlara göre sıcaklık ayarı daha zor hale rağmen, atık ve ventriküler basınç-hacim kolay veri toplama için izin verir.
Introduction
Temel kalp biyoloji ve fizyoloji anlayışımızın çok izole, retrograd perfüze Langendorff kalp ve izole çalışma kalp sistemleri kullanılmaktadır deneylerden geldi. Bu deneysel sistemler hala yaygın hasarlı miyokard 5,7 4, hücre tabanlı tedavi önşartlama, iskemi-reperfüzyon hasarı 2 dahil olmak üzere önemli konularda, bizim kardiyovasküler bilgisini genişletmek için bugün kullanılan, uyuşturucu 6,9, ve kardiyak allogreft koruma kardiyak etkileri teknikleri 8,15-18.
Izole edilmiş kalp sistemlerinin her ikisi de herhangi bir memeli türleri için de kullanılabilir olsa da, esas olarak kobay, sıçan, veya tavşan gibi küçük 3,12,13 memelilerde kullanılır. Böyle domuzlar ve insanlar gibi büyük hayvan modelleri, daha fazla klinik ile ilgili veri sağlamak, ama daha az sıklıkla nedeniyle yüksek maliyet, daha yüksek biyolojik değişkenlik, kan perfüzyon çözümleri daha büyük hacimli ve bigg için kullanılırekipman 1,12-15 adet er. Ayrıca, veri toplama özellikle çalışmakta olan kalplerin 1,3,12-15 için, daha zordur. Bu karmaşık bir sonucu olarak, klinik olarak uygun izole edilmiş kalp modelleri nadiren ciddi kardiyovasküler translasyonel araştırma ilerlemesini engellemektedir, kullanılır.
Bu karmaşıklığı gidermek amacıyla, izole çalışan kalp hazırlık kolaylıkla sabit basınç veya sabit akış Langendorff koşullar altında ya, insan da dahil olmak üzere farklı türlerin kalpleri, adapte edilebilir bir sistem oluşturmak için güncellenmiştir. Afterload uyum odası çalışma modunda Langendorff modu ve afterload perfüzyon basıncını ayarlama işlemini kolaylaştırmak için bir santrifüj pompa ile değiştirildi. Bunun yerine kalp içeren bir kapalı, gömlekli bir rezervuar, bu sistem iletkenlik kateterizasyon için transapikal yaklaşımının kullanılmasına olanak sağlayarak, veri toplama kolaylaştırmak için açık bir bölmeyi kullanır. Moreover, bu açık tasarım ayrıca bu deneyler sırasında ölçülebilir fizyolojik parametrelerini genişletilmesi, kalbin ekokardiyografik değerlendirilmesi için erişim sağlar. Bu gelişmeler, umarım büyük hayvan yorumsal araştırmalar için bu sistemi kullanmak için başkalarını teşvik edecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Langendorff izole kalp perfüzyon cihaz ve çalışma modeli kalp kardiyak fizyoloji, patoloji, farmakoloji ve en temel keşiflerin bazı yol açmıştır. Bu model, çok yönlülük, normal ve patolojik koşullar 1-18 arasında çeşitli altında türlerin çeşitli kullanımı için izin verir. Bununla birlikte, izole edilmiş kalp modeli yaygın nedeniyle Cihaz tasarımı ve veri toplama hem de artan karmaşıklığı, kısmen, özellikle insan kalpler, büyük memeliler için kullanılmaz. Bu nedenle, burada sunulan protokol izole domuz kalpleri okuyan nispeten tekrarlanabilir yollarla sonuçlanan bu karmaşıklığı artırmak için bir girişim gösterir.
Bizim kurulum çok önemli bir bileşeni, bir santrifüj pompa ile arteriyel uyum / afterload odasının yerine geçer. Bu değişim Langendorff'a yılında koroner perfüzyon basıncı ve afterload gelişmiş denetim ve çalışma kalp modları, saygımdan sağlarvely, bu set-up kolayca farklı boyutlarda ve türlerin kalplerine adapte olmasını sağlar. İnsan kalpleri 60-65 mmHg reperfiize ise Örneğin, bu tasarım, domuz kalpler, 40-45 mmHg reperjüz edilir. Bu basınç değişim santrifüj pompa ayarlarını basitçe elde edilir; Sistemin herhangi bir bileşen, fiziksel olarak ayarlanması gerekmektedir. Ayrıca, kök basınçlarını izlemek için aort kökü içinde bir basınç dönüştürücü yerleştirerek Langendorff modunda sabit debi ve sabit basınç arasında kolay geçiş sağlar. Bu değişiklik, iki yönlü akış basınç gradyanı üzerine dayalı olarak ortaya sağlayarak klasik uyum odası, santrifüj pompa, ortadan kaldırmasına rağmen, bir uyum odası olarak hizmet edebilir. Sistol ve dışarı atım hacmi ile, pompa genelinde retrograd akım aort elastikiyeti kopyalayan, afterload baskıyı azaltmak için hizmet vermektedir.
Bu düzeneğin açık tasarımı da önemlidir. Kalp açık bir a asılı olmasırea, bunun yerine bir yarı kapalı bir bölme veya huni, basınç-hacim ölçümleri için daha kolay enstrümantasyon sağlar. Açık tasarım transvalvular yaklaşımının kaçınarak, LV kateter yerleştirme için bir transapikal kesi kullanımı sağlar. Transvalvuler yaklaşım daha teknik olarak zordur ve genellikle uygun yerleştirme için floroskopi gerektirir. Ayrıca, bu yaklaşım aynı zamanda kapak yetersizliği neden olabilir. Ekstra maliyet ve floroskopi rahatsızlık ortadan kaldırırken transapikal yaklaşım kullanılarak, güvenli bir şekilde ve kolayca sol ventrikül içindeki kateter yerleştirebilir. Açık tasarımı daha da bu sistem üzerinde iken değerlendirilebilir işlevsel ve biyokimyasal parametreler genişleyen, ekokardiyografi ve atık toplama için kolay erişim tanıyor.
Açık tasarım, veri toplama kolaylaştırmak iken, miyokard sıcaklık ayarı daha zor hale geliyor. Fizyolojik ısısını korumak bir Langendorff'a ile bilinen konulardan biridirveya kalp sistemini 1,3,11,13 çalışıyor. Langendorff sistemi tipik olarak uygun bir sıcaklıkta muhafaza yardımcı olan bir ısı hücresi içermektedir, ancak bu bölme, aynı zamanda, bir ventriküler basınç-hacim kateter sokma daha zor hale getirir. Açık tasarım alt sıcaklık regülasyonu gidermek için, bir oksijenatöre / ısı değiştirici rezervuar sonra yerleştirildi. Isı eşanjörü ve aortik kanül arasındaki minimum boşluk ısı kaybını azaltır ve miyokardiyal sıcaklık probu normotermi sağlar. Ceketli bir boru ya da harici ısı kaynaklarının kullanımı da sıcaklık kontrolüne yardımcı olmak için kullanılabilir.
Bu protokolün bir diğer eşsiz eleman çalışma kapsamında domuz otolog kan yıkama ve normal fizyolojik serum ile reconstituting edilir. Kristaloid tamponlar ile güçlendirilmiş tam kan Perfüzatlar veya kırmızı kan hücrelerinin ya kullanımı nadir değildir, olmasına rağmen, sorunları ile mevcut yapar. Eski genellikle mad ekleyen bir donör hayvan gerektirirDeneyden antial maliyetleri, genellikle sığır kan 1,11-13 türetilmiştir yana ikincisi, immünojenisite sorunları olabilir iken. Orijinal domuzun kendi kanını yıkayarak, protokolü sadece tek bir hayvan gerektirir ve bağışıklık sorunları ablasyona. Ayrıca, yıkama işlemi kolayca deney parametreleri göre manipüle edilebilir, yani elektrolit çoğunu çıkarır. Son olarak, kan koruma birimi kullanılarak, bu sürecin bir avantajı, ve her ikisi de dezavantaj olan, kan içinde proteinlerin çoğunu çıkarır. Avantajı, herhangi bir pıhtılaşma ve immünolojik / bulaşıcı proteinleri pıhtı ya da bulaşma olasılığını azaltarak, kaldırılır olmasıdır. Dezavantajı ise bu karışım miyokardiyal ödem ve zaman içinde muhtemelen kalp fonksiyonunun kaybına yol için bir düşük onkotik basınca sahip olmasıdır. Bu sorun, albümin ya da başka bir koloit eklenmesiyle Bununla birlikte, ele alınabilir.
Uygun büyüklükte sağlanması birsimal ve kateter uygun çalışma kalp cihazı kullanmak kadar önemli olduğunu seçilmiştir. İdeal olarak, kateter ventriküler alanı dışında, iki uyarma elektrot (yani en yakın elektrotlar) ile, ventriküler boşluk içindeki tüm algılama elektrotlar yerleştirilir. Hayvanın ventriküler boşluk çok küçük ya da elektrotlar arasındaki mesafe çok büyük olursa, o zaman bütün segmentler LV alanı içinde uygun değildir. Uyarma elektrot konumu ayarlanabilir birlikte, küçük bir boşluk LV da kateter viraj ya da eğri, veri toplama zor hale neden olabilir. Bu nedenle, büyük hayvan yürekleri fonksiyonel analizi için, en az 60 kg'lık bir hayvan boyutu tavsiye edilir. Bu büyüklükteki bir hayvana ile 7 mm elektrot aralığı genellikle kateterin tam takılmasını sağlar.
Sonuç olarak, bu el yazması perfüzyon basıncı regülasyonu kolaylaştıran izole bir çalışma kalp sistemi, veri col açıklarbiriktirme ve genel tasarımı, sadece biraz daha zor sıcaklık kontrolü yaparken. İzole çalışma kalbine bu değişiklikler umarım kardiyak patoloji anlayışımızı sürdürmek ve keşfedilmeyi daha fazla klinik ile ilgili tedavi seçenekleri sağlayan, insan dahil büyük memeli kalpleri ile artan kullanımı için izin verir.
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).
