القوارض العمل نموذج القلب لدراسة أداء عضلة القلب واستهلاك الأوكسجين
Summary
Isolated working heart models can be used to measure the effect of loading conditions, heart rate, and medications on myocardial performance and oxygen consumption. We describe methods for preparation of a rodent left heart working model that permits study of systolic and diastolic performance and oxygen consumption under various conditions.
Abstract
Isolated working heart models have been used to understand the effects of loading conditions, heart rate and medications on myocardial performance in ways that cannot be accomplished in vivo. For example, inotropic medications commonly also affect preload and afterload, precluding load-independent assessments of their myocardial effects in vivo. Additionally, this model allows for sampling of coronary sinus effluent without contamination from systemic venous return, permitting assessment of myocardial oxygen consumption. Further, the advent of miniaturized pressure-volume catheters has allowed for the precise quantification of markers of both systolic and diastolic performance. We describe a model in which the left ventricle can be studied while performing both volume and pressure work under controlled conditions.
In this technique, the heart and lungs of a Sprague-Dawley rat (weight 300-500 g) are removed en bloc under general anesthesia. The aorta is dissected free and cannulated for retrograde perfusion with oxygenated Krebs buffer. The pulmonary arteries and veins are ligated and the lungs removed from the preparation. The left atrium is then incised and cannulated using a separate venous cannula, attached to a preload block. Once this is determined to be leak-free, the left heart is loaded and retrograde perfusion stopped, creating the working heart model. The pulmonary artery is incised and cannulated for collection of coronary effluent and determination of myocardial oxygen consumption. A pressure-volume catheter is placed into the left ventricle either retrograde or through apical puncture. If desired, atrial pacing wires can be placed for more precise control of heart rate. This model allows for precise control of preload (using a left atrial pressure block), afterload (using an afterload block), heart rate (using pacing wires) and oxygen tension (using oxygen mixtures within the perfusate).
Introduction
دراسة أجهزة معزولة تسمح السيطرة على الظروف الفسيولوجية وراء ما هو ممكن في الجسم الحي. فيفو السابقين الاستعدادات القلب وصفت لأول مرة من قبل أوتو Langendorff (1)، الذي وصف نموذج معزولة مع نضح الوراء. وفي وقت لاحق، وصف آخرون نموذج "العمل القلب"، والذي عضلة القلب يؤدي كل من ضغط وحجم العمل. كانت 2 هذه الاستعدادات دور فعال في توضيح آليات عمل عضلة القلب، 3 الأيض عضلة القلب و4-6 وآثار الأدوية مقوي القلب. 7- 9
استخدام الأدوية التي تعزز انقباض عضلة القلب هو شائع في المرضى ذوي الحالات الحرجة. ومع ذلك، وقليل من البيانات المتاحة مقارنة تأثير النسبية لهذه الأدوية على انقباض واستهلاك الأوكسجين عضلة القلب، والبيانات التي قد تكون مفيدة في رعاية المرضى الذين يعانون من الأعراض السريرية لفشل القلب في وضع ما بعد الجراحة10 ومع ذلك، لأن معظم الأدوية مقوي القلب لا تؤثر فقط على عضلة القلب، ولكن أيضا مقاومة تصلب، والسعة الوريدية 11، ومعدل الأيض المريض، لم يبق سوى 12 المجراة سابقا نماذج القلب معزولة الوسائل المثلى التي يمكن من خلالها دراسة آثار هذه الأدوية على عضلة القلب السليم.
نحن تصف استخدام نموذج فيفو السابقين لدراسة الحمل مستقلة عن الأدوية تقلصية القلب على وظيفة عضلة القلب واستهلاك الأوكسجين. ومقنى قلوب من الفئران سبراغ داولي باستخدام البطين الأيسر العمل نموذج القلب وperfused باستخدام تعديل كريبس هنسلايت الإرواء. كانت تسيطر عليها الضغوط الأذيني الأورطي واليسار. وضعت الضغط حجم القسطرة مقاومة إلى البطين الأيسر عبر ثقب قمية لمراقبة مستمرة من وظيفة الانقباضي والانبساطي. وقد تم قياس استهلاك الأكسجين بشكل مستمر بالفرق مفهرسة في محتوى الأكسجين بين perfus الأذين الأيسرأكلوا والنفايات السائلة الشريان الرئوي. الأدوية لفحصها تم حقنها في كتلة الأذين الأيسر، وتم قياس التغيرات في أداء والأكسجين القلب الأيض ومقارنة مع خط الأساس السابقة مباشرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يتيح هذا النموذج قلب العمل تقييم أداء البطين مع السيطرة الكاملة على التحميل المسبق البطين وبعد التحميل، توتر الأوكسجين في الإرواء، وكذلك معدل ضربات القلب. من بين عوامل أخرى، فإنه يسمح تقييم الآثار عضلة القلب الجوهرية للأدوية تقلصية القلب مستقلة بعد التحميل والتحميل المسبق، الذي بطرق غير ممكن باستخدام نموذج في الجسم الحي. لأن هذا النموذج يستخدم في الإرواء شبه البلوري، فإنه يسمح تقييم عضلة القلب دون تدخل من الهيموغلوبين، وتبسيط التحليل الطيفي للدول الطاقة عضلة القلب، على سبيل المثال. (14) وفي هذا النموذج، لا يتم مقنى الأذين الأيمن كجزء من الأجهزة لدينا، على الرغم من أنه من الممكن للقيام بذلك. اخترنا عمدا عدم القيام بذلك من أجل تسهيل أخذ عينات من تدفق الجيب التاجي لتقييم استهلاك الأوكسجين عضلة القلب. الأهم من ذلك، على الرغم من قلب الحق لا يزال يؤدي الضغط وحجم العمل في هذا النموذج لأنه يضخ التعاونتدفق الجيوب الأنفية ronary في قنية الشريان الرئوي. توفير بعض الصحيح التحميل المسبق البطين يحسن تحديد المواقع من الحاجز البطيني ويعزز أداء البطين الأيسر، ويعتبر عنصرا هاما من هذا النموذج 15
وهناك العديد من المزالق التجريبية لذكرها. الأول هو إقناء؛ إدخال القنية الوراء الأولي، والتي ينبغي أن يؤديها بشكل مناسب (أي في أقل من 2 دقيقة) لتقليل فترة من نقص التروية. أهم المهارات لسيده هي العزلة كفاءة وإعداد والتعامل مع الأبهر الصاعد. من المهم أن الجذع الأبهري لا يمكن قطع قصيرة بشكل مفرط، مما يترك مجالا غير كافية لإقناء؛ إدخال القنية فوق الصمام الأبهري. ومع ذلك، فمن المهم أيضا أن الجذع الأبهري لا تكون طويلة جدا، والذي يمكن أن يسبب torqueing من الشريان الأورطي في جميع أنحاء قنية. ومن المهم أيضا أن قنية الشريان الأورطي وجذر الأبهر تكون بشكل مناسب المتطابقة حجم ل. والشريان الأورطي كبير جدا على قنية صغيرة يمكن أيضاتؤدي إلى torqueing من جذر الأبهر على قنية. الشريان تحت الترقوة اليمنى وعادة ما يستغرق الخروج من الأبهر الصاعد حوالي 7 مم فوق الصمام الأبهري. تحديد الأوعية عضدي رأسي (حوالي 1 ملم في القطر) أثناء تشريح وتقليم من الشريان الأورطي خدمة معالم هامة لشق الأبهر عرضية. تقليم الشريان الأبهر أسفل اقلاعها من أول الشريان العضدي الرأسي من المستحسن. إدراج هذه السفينة في جذر الأبهر قلص عادة ما يؤدي إلى تسرب جسر الملك حسين، وفقدان ضغط جذر الأبهر على الانتقال إلى وضع القلب عن العمل.
وثمة جانب آخر تحديا تقنيا من إقناء؛ إدخال القنية هو إقناء؛ إدخال القنية الأذين الأيسر. على الرغم من أنه من الممكن أن يقني؛ يدخل القنية لاحقة الأذين الأيسر، وجدنا أن قنية في كثير من الأحيان يحصل عالقا داخل أطرافهم، ولا يمر بسهولة في الجسم من الأذين الأيسر. وبالتالي، فإننا نفضل لجعل شق في الجسم من الأذين الأيسر، ما يقرب من2 مم متفوقة على الأخدود الأذيني البطيني. ومن المهم أن موقف قنية الأذين الأيسر في الطائرة المناسبة قبل الإدراج من أجل تجنب تمزق الأذين رقيقة الجدران عندما تأمين قنية.
وجدنا أن الحجم الأمثل من شق الأذين الأيسر بحوالي 3 مم. خلق صغير جدا من شق ويمكن أيضا جعل وضع قنية الأذين الأيسر أكثر صعوبة، وربما يؤدي إلى تمزق في الأذين الأيسر. ونحن نستخدم، 8 ملم، قطعة مستقيمة مشطوف من أنابيب الأكسجين بردة (القطر الداخلي 2.9 ملم) على كتلة الأذين الأيسر. لقد وجدنا أن استخدام هذا، بدلا من قنية مع مشطوف الحافة، يؤدي إلى إقناء؛ إدخال القنية الأذيني أكثر اتساقا ويسهل عملية تأمين كتلة الأذين الأيسر. بغض النظر عن الأنابيب المستخدمة، من المهم للتأكد من أن نهاية الأنبوب لا المغطي من الحاجز الأذيني أو الصمام التاجي (كما هو مبين أعلاه، وجدنا أن تتبع الضغط الأذيني الأيسر كان مفيدا في هذا REGAالثالثة)، وحتى حركة خفية للقنية الأذيني يمكن أن يغير بشكل كبير الأيسر التحميل المسبق البطين والناتجة قياسات الدورة الدموية. لنفس السبب، من المهم للتأكد من أن الأذين الأيسر لا تسرب التالية بعد فتح كتلة الأذين الأيسر. ومن المهم بغض النظر عن نوع من الأنابيب المستخدمة للتأكد من أن أنابيب داخل هذا النظام هو الأكسجين كتيمة لضمان تسليم الأوكسجين الكافي للقلب.
وثمة جانب آخر تحديا تقنيا لإجراء وضع القسطرة حجم الضغط (PV). نحن يفضل في البداية وضع الوراء القسطرة من خلال كتلة الأبهر. على الرغم من ذلك ممكنا من الناحية الفنية، وجدنا أن تكون أبسط من ذلك بكثير وملائمة لوضع القسطرة PV عبر ثقب transapical. يجب الحرص على مراقبة وضع القسطرة طوال مدة التجربة، وفي بعض الأحيان قد تتحرك القسطرة داخل أو خارج البطين الأيسر. ويمكن أن يتم ذلك من خلال رصد ولضإعادة واقتفاء أثر حجم مرور الوقت.
وأخيرا، ينبغي توخي الحذر لضمان أن يتم إنشاء حل جسر الملك حسين جديدة لكل تجربة. ومن الممكن أن تزن من مكونات جسر الملك حسين وتخزينها في أنابيب مخروطية في شكل مسحوق في وقت مبكر. في يوم من التجريب، وهذه قد تكون مختلطة مع عقيمة، تصفية المياه، وثاني أكسيد الكربون / الأكسجين، ومن ثم الكالسيوم تضاف إلى الخليط. ومن المهم أيضا أن يغسل النظام مع انزيم المنظفات مسحوق نشط مثل Tergazyme (أو ما شابه) واستبدال فلتر سائل الإرواء بانتظام.
وتجدر الإشارة إلى العديد من القيود من هذا الإعداد التجريبية. أولا، على غرار كافة الاستعدادات Langendorff-perfused بلوراني، جسر الملك حسين وغيرهم من perfusates asanguinous لها تضاءلت بشكل ملحوظ الأوكسجين القدرة الاستيعابية بالنسبة إلى الدم. على الرغم من أن هذا يعوض جزئيا عن طريق توسع الأوعية التاجية وتدفق التاجي supraphysiologic، وإعداد ليست كلها physiologiج لهذا السبب. ثانيا، لأن من الامتثال لانهائية تقريبا من الغرفة Windkessel المستخدمة في هذا الصك، ليست سوى فصل الضغوط الانقباضي والانبساطي الحد الأدنى (انظر الشكل 2A)، وبالتالي ضغط التروية التاجية هو غير فيزيولوجي. ويمكن التغلب على ذلك في المستقبل نماذج من خلال دمج عنصر مرانية إلى كتلة بعد التحميل. ثالثا، كما هو الحال مع كافة الاستعدادات القلب معزولة، والقلب يخضع لفترة محددة (2-3 دقيقة) من نقص التروية الدافئ الذي من المرجح أن خلق إصابة عضلة القلب أو اختلال وظيفي. تقليل هذا الضرر من خلال ممارسة هذه التقنية هو من أهمية قصوى لنتائج ممثل. وعلاوة على ذلك، وإن كانت ضرورية لرعاية الحيوان، ومواد التخدير استنشاق قد يكون بمثابة مثبط للعضلة القلب في عملية ضخه في وقت مبكر، على الرغم من أنه من المتوقع أن هذا التأثير إلغاء بسرعة كما هو إشباعها القلب مع جسر الملك حسين.
نظام القلب العمل صفها يسمح لمجموعة واسعة من الفيزيولوجياالتحقيقات ogic ذات الصلة لرعاية المرضى والبحث والتدريس. مع بضعة تعديلات إضافية، ويمكن أيضا أن النظام يمكن استخدامها لمحاكاة علم وظائف الأعضاء مهما في هذا المجال لأمراض القلب الخلقية، بما في ذلك ارتفاع ضغط الدم الرئوي وعلم وظائف الأعضاء البطين واحد. وتشمل القيود التي كان هو إعداد المجراة سابقا، أن القلب يجري perfused من منطقة عازلة بدلا من الدم محتوى الأكسجين العالي.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل المعدات والتجارب وصفها هنا من قبل وزارة لأمراض القلب، ومستشفى بوسطن للأطفال والتبرعات الخيرية من عائلة Haseotes. ونحن ممتنون لالدكاترة. فرانك مكجوان وهواماي ولتزويدنا الخبرات المبكرة مع هذا النموذج، وليندسي لطومسون للحصول على المساعدة مع العمل الفني.
Materials
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | 8.401 g/4 L |
| Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich | E6758 | 0.744 g/4 L |
| Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P9333 | 1.580 g/4 L |
| Magnesium sulfate | Sigma-Aldrich | M7506 | 0.578 g/4 L |
| Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | P2256 | 0.220 g/ 4 L |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | 27.584 g/4 L |
| Dextrose | Sigma-Aldrich | D9434 | 7.208 g/4 L |
| Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | C7902 | 1.470 g/4 L |
| Biventricular working heart model | Harvard Apparatus | IH-51 | |
| Pressure volume catheter | Millar, Inc | SPR-944-1 | 6 mm spacing catheter used |
| LabChart Pro 8 | AD Instruments | Version 8.1 |
References
- Langendorff, O. Untersuchungen am uberlebenden saugethierherzen [investigations on the surviving mammalian heart. Arch Ges Physiol. 61, 291-332 (1895).
- Neely, J. R., Liebermeister, H., Battersby, E. J., Morgan, H. E. Effect of pressure development on oxygen consumption by isolated rat heart. Am J Physiol. 212 (4), 804-814 (1967).
- Friehs, I., Cao-Danh, H., et al. Adenosine prevents protein kinase C activation during hypothermic ischemia. Circ. 96 (9 Suppl), 221-226 (1997).
- Aoyagi, T., Higa, J. K., Aoyagi, H., Yorichika, N., Shimada, B. K., Matsui, T. Cardiac mTOR rescues the detrimental effects of diet-induced obesity in the heart after ischemia-reperfusion. Am J Physio. Heart Circ Physiol. 308 (12), H1530-H1539 (2015).
- Kitahori, K., He, H., et al. Development of left ventricular diastolic dysfunction with preservation of ejection fraction during progression of infant right ventricular hypertrophy. Circ Heart Fail. 2 (6), 599-607 (2009).
- Cowan, D. B., Noria, S., et al. Lipopolysaccharide internalization activates endotoxin-dependent signal transduction in cardiomyocytes. Circ Res. 88 (5), 491-498 (2001).
- Broadley, K. J. An analysis of the coronary vascular responses to catecholamines, using a modified Langendorff heart preparation. Br J Pharmacol. 40 (4), 617-629 (1970).
- Schmidt, H. D., Hoppe, H., Heidenreich, L. Direct effects of dopamine, orciprenaline and norepinephrine on the right and left ventricle of isolated canine hearts. Cardiol. 64 (3), 133-148 (1979).
- Fawaz, G., Tutunjini, B. The effect of adrenaline and noradrenaline on the metabolism and performance of the isolated dog heart. Br J Pharm Chemother. 15, 389-395 (1960).
- Allen, L. A., Fonarow, G. C., et al. Hospital variation in intravenous inotrope use for patients hospitalized with heart failure: insights from Get With The Guidelines. Circ Heart Fail. 7 (2), 251-260 (2014).
- Furnival, C. M., Linden, R. J., Snow, H. M. The inotropic and chronotropic effects of catecholamines on the dog heart. J Physiol. 214 (1), 15-28 (1971).
- Li, J., Li, J., et al. Adverse effects of dopamine on systemic hemodynamic status and oxygen transport in neonates after the Norwood procedure. J Am Coll Cardiol. 48 (9), 1859-1864 (2006).
- Gillis, A. M., Kulisz, E., Mathison, H. J. Cardiac electrophysiological variables in blood-perfused and buffer-perfused, isolated, working rabbit heart. Am J Physiol. 271 (2 Pt 2), H784-H789 (1996).
- Asfour, H., Wengrowski, A. M., Jaimes, R., Swift, L. M., Kay, M. W. NADH fluorescence imaging of isolated biventricular working rabbit hearts. J Vis Exp. (65), (2012).
- Demmy, T. L., Magovern, G. J., Kao, R. L. Isolated biventricular working rat heart preparation. Ann Thor Surg. 54 (5), 915-920 (1992).
