Burada, kalp duvarında emici spektroskopisi gerçekleştirmek için perfkullanılmış kalplerinde intra ventrikül optik kateter kullanmanın bir yöntemini tanıtıyoruz. Elde edilen veriler, doku oksijen geriliminin yanı sıra substrat kullanımı ve membran potansiyeli ile aynı anda bu her yerde yapılan hazırlıkta kardiyak performans önlemleri ile ilgili güçlü bilgiler sağlar.
Kardiyak kas emilbance spektroskopisi, sırasıyla miyoglobin ve sitokrom emici yoluyla sitomik ve mitokondriyal oxygenasyon ile tahribatsız değerlendirme sağlar. Ek olarak, membran potansiyeli ve substrat girişi gibi mitokondriyal metabolik durumun sayısız yönleri de tahmin edilebilir. Kardiyak duvar iletim optik spektroskopisi gerçekleştirmek için, ticari olarak kullanılabilir bir yan ateş optik fiber kateter izole perfüvenli kalbin sol ventrikül bir ışık kaynağı olarak yerleştirilir. Kalp duvarından geçen ışık, kalp optik spektroskopisi ile yakın gerçek zamanlı olarak gerçekleştirmek için harici bir optik fiber ile toplanır. İletim yaklaşımı yaygın olarak kullanılan yansıma yaklaşımlar meydana gelen sayısız yüzey saçılma girişim önler. Transmural emici Spectra değişiklikleri aynı anda tüm bilinen kardiyak chromophores nicel önlemler sağlayan, bir kromofor referans Spectra kütüphanesi kullanılarak deconvolved edildi. Bu spektral deconvolution yaklaşım, ortak çift dalga boyu yöntemleri çakışan emici Spectra uygulanan kullanarak neden olabilir iç hataları ortadan, yanı sıra uygun iyilik nicel bir değerlendirme sağladı. Özel bir program, deney sırasında hazırlık metabolik durumunu izlemek için araştırmacı izin veri edinme ve analiz için tasarlanmıştır. Standart kalp perfüzyon sistemi bu nispeten basit eklemeler kasılma, perfüzyon ve substrat/oksijen ekstraksiyon geleneksel önlemleri ek olarak kalp duvarının metabolik durumu içine benzersiz bir fikir sağlar.
Bozulmamış organ biyokimyası izleme için optik emici spektroskopisi, içsel, yıkıcı olmayan doğası nedeniyle yaygın olarak kullanılan bir yaklaşımdır1,2,3,4,5, 6,7,8,9. Myoglobin emici ortalama sitosolik oksijen gerilimi10,11,12bir ölçmek sağlar. Mitokondriyal sitokromes, flavins seviyesinde substrat girişine, sitokrom bL: bH13‘ ten membran potansiyeline ve sitokrom oksidaz HÜCRESINDEKI mitokondri (Cox) ‘ e oksijen teslimine ilişkin bilgi sağlar. ) redoks durumu14. Glancy ve ark. her kompleksleri faaliyetlerinin mitokondriyal membran potansiyeli ve metabolizma oranı15ölçerek belirlenebilir göstermiştir. Bu nedenle, optik spektroskopisi kullanarak, eksojen problar veya mevcut çalışma sistemlerinin önemli modifikasyonları olmadan bilgi zenginliği elde edilebilir. Bu makalenin amacı, karanlık bir ortamda çalışmalar gerçekleştiren tek büyük modifikasyon ile konvansiyonel perfkullanılmış kalp preparatlarında iletim optik Spectra toplamak için sağlam bir yöntem sunmak için.
Yansıtıcı Absorpsiyon spektroskopisi, perfkullanılmış kalp3,6,16,17,18,19 optik spektroskopisi gerçekleştirmek için başarıyla kullanılmıştır. kalp olarak vivo1. Yansıtma spektroskopisi, kalp yüzeyinde ışık alan ve kalbin yanı sıra diffüler ve lekeli yansıyan ışık ile dağılmış ışığı toplayarak oluşur. Böylece, bu yaklaşımda toplanan ışık, birden fazla saçılma mekanizmasının yanı sıra, faiz emici doku kroromophore bir Bileştir. Kalbin hareket ve karmaşık yüzeyi nedeniyle, kalbin yüzeyinin ışık yansıması özellikle sorunlu, penetrasyon derinliği ve tamamen yansıyan ışık miktarını değiştirerek.
Yukarıda sunulan yansıma emilimi spektroskopisinin sınırlamaları, sol ventrikül boşluğuna bir optik kateter getirerek, sol ventrikül serbest duvar20‘ de iletilen ışık koleksiyonuna izin vererek çözülmüştür. Bu tür bir çalışma için iletim spektroskopisinin faydaları Tamura ve al.9 tarafından erken invaziv çalışmalarda takdir edildi mevcut uygulama ile bozulmamış kalbin çok sağlam bir iletim Absorpsiyon spektroskopisi analizi sağlar çeşitli koşullar altında sitosolik oksijenasyon ve mitokondri redoks devlet açısından21. Bu ilk çalışmalar, miyokard yoluyla beyaz ışık bir yan ateş deseni oluşturmak için odaklı bir LED ile özel olarak fabrikasyon kateter kullandı. Ancak, nispeten büyük LED uçlu kateter sadece orta boy kalpleri (tavşan, kobay, vb) ve gerekli özel imalat kullanımı için uygundur. Mevcut çalışmada, bir ışık kılavuzu olarak ticari olarak kullanılabilir 200 mikron çekirdekli yan ateş optik fiber kullanma yöntemi sunulmaktadır. Ucu kablolu LED yerine, 500-Micro ucu olan kateter, sistemin çok yönlülüğünü artıran bir dış kaynaktan ışığı yönlendirir. Bu yaklaşım Raman saçılma spektroskopisi gibi uygulamalar için lazerler de dahil olmak üzere çok çeşitli dış ışık kaynaklarının kullanılmasına olanak sağlar. Bu verileri ölçmek için, kardiyak chromophorların spektroskopik belirlenmesi doğruluğunu artırmak için bilinen referans spektrumları kullanarak bir online tam çok bileşenli spektral analiz daha önce açıklanan olarak sunulmuştur,20,22. Bu analiz için kaynak kodu talep üzerine yazarlar tarafından sağlanacaktır. Bu yaklaşımı kullanarak, kardiyak Biyokimya ve mitokondriyal fonksiyon hakkında bilgi, kalp preparat üzerinde az veya hiç etkisi olmayan konvansiyonel kardiyak fonksiyonel parametreler ile aynı anda elde edilebilir. Kalp mitokondriyal fonksiyon ve oksijen teslim kritik olarak bağımlı olduğu gibi, klasik perfkullanılmış kalp sistemi bu teknik ek büyük ölçüde kardiyak performans bu önemli modelin yorumu ve yarar geliştirir.
İzole retrograd veya çalışma perfel kalp preparasyon kardiyak Fizyoloji çalışmada bir ana yanı sıra tekniklerin ve kalp üzerindeki ilaçların preklinik soruşturma olduğunu. Kullanım anahtarı hazırlık kolaylığı, sağlam fonksiyonel özellikleri ve deneysel parametrelerin kontrolü yanı sıra dayak kalbin birçok fonksiyonel parametreleri ölçmek için yeteneği olmuştur. Optik emici spektroskopisi, doku oksijenasyonu ve mitokondri metabolik aktivitelerinin yanı sıra fikir sağlar. Optik spektroskopisi, hareket ve ışık saçılma komplikasyonlarından dolayı yorumlanması zor olan yansıtma modunda izole edilmiş perfellik kalp çalışmalarında öncelikle yürütülmüştür.
Biz ventrikül duvar iletim optik spektroskopisi tanıttı (VWTOS) kardiyak doku metabolik chromophores izleme sağlam bir yöntem sağlamak için. Bir önceki yayında, biz bir LED koaksiyel kablo ucunu kablolu gösterdi20 benzersiz bir intrakardiyak yan ateş ışık kaynağı vwtos perfüze kalpler için kullanılabilir hale getirir. Yan atış, ventrikül serbest duvarı aydınlatmak için ideal olan kateterin uzun eksenine dik ışık yansıtılması anlamına gelir. LED kateter kalp fonksiyonunu etkilebilecek kadar küçüktü ama laboratuvarda gerekli özel imalat. Mevcut çalışma, fiber optik ile uyumlu herhangi bir ışık kaynağına birleştirilebilir bir 500 mikron ticari yan ateş kateter kullanımını sunar. Bu yan ateş optik kateterler fiber uzun eksenine dik lazer ablasyon için ticari olarak geliştirilmiştir. Doğal olarak, fotoablasyon için gerekli olandan çok daha düşük ışık gücü kullanıyoruz. Daha küçük lifler perfüze fare kalp27gibi küçük preparatlar üzerinde kullanılabilir. Bu fiber optik sistem, kardiyak kroofozların absorbe edildiği dalga boyu aralığında kalp duvarından yeterli aydınlatma sağladı (450 – 630 nm). Kalp dışında bir Pickup fiber optik kullanarak, miyoglobin ve mitokondri sitokromların emici mükemmel temporal ve spektral çözünürlük ile izlenebilir (bkz. Şekil 5). Yan ateşleme fiber optik yaklaşım VWTOS için LED kateter üzerinde çeşitli avantajları vardır, kateterin kalp üzerinde etkisini en aza indirir çok daha küçük bir kesit profili de dahil olmak üzere, kardiyak Vana ve daha esnek azaltma etkisi ventrikül performansı, tuz perfusate dışarı kısa olabilir elektrik bağlantıları, ve son olarak VWTOS için ışık kaynağı seçimi esnekliğini artıran bir dış ışık kaynağı kullanan bir kateter.
490 nm altında kalbin güçlü emici nedeniyle, 410 – 445 nm veya NADH bölge 340 Nm ‘de sitneli Soret bandı hakkında çok bilgi üretmek zordur. Böylece, 450 nm de FAD geniş emici, bu chromophores tüm emme zirve örneklenmemiştir rağmen gözlenen en düşük frekans emici olduğunu. VWTOS kullanarak gürültü oranı sinyal çok yüksek tüm duvar yüzey yansıma spektroskopisi aksine örneklendiği gibi, yaygın olarak kullanılan20, sadece sayısız saçılma sorunları ile kalp yüzeyi örnekleri. VWTOS örnekleme tüm kalp duvarı daha benzer nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (NMRS) gibi birçok kardiyak metabolitleri önlemler 31P algılanan adenozin trifosfat ve kreatin fosfat28, 13C algılandı etiketli metabolitler29,30 hiperpolarize Etiketler dahil31,32, ve 1H algılanan metabolitler33. VWTOS manyetik olmayan cihazlar kullanılarak gerçekleştirilebilir gibi, NMR ve VWTOS aynı anda yapılabilir tamamen uygulanabilir. VWTOS endojen chromophores ile sınırlı değildir ve pH için Optik Problar emilimini izlemek için kullanılabilir, CA2 +, ve plazma membran potansiyeli.
Gürültü için mükemmel tek spektrum sinyali sağlayan 2 Hz (yani 2 numune/sn) kullanıyoruz. Kalp döngüsü analizine izin veren daha yüksek örnekleme hızları elde edilebilir olsa da, önceki çalışmalar kroromophore emici varyasyon yenmek için hiçbir Beat olduğunu göstermiştir, bu yüzden hiçbir çaba seçici kalp döngüsü bir işlev olarak ışık toplamak için 34yaptı. VWTOS geometrisi nedeniyle, ışık tespiti, karmaşık yüzey saçılma olayları ortadan kaldırılmadan sonra yansıma yöntemlerinden daha az doku hareketine bağlıdır. Biz bu ciddi hareket bu önlemleri bozabilir bulmak, ama gerçek zamanlı spektral analiz hızla spektral geçişler doku kroromophore geçişler ile tutarsız ortaya çıkarır. Yine, bu sadece kalp ciddi bir şekilde toplanan iletilen ışık miktarını azaltan toplama fiber uzak hareket ettiğinde oluşur.
Vwtos verileri, daha önce20,22,27olarak açıklandığı gibi, kardiyak chromophores Spectra ve ışık kaynağının spektrumunun bir referans kitaplığına dayalı tam spektral sığdırma rutin kullanılarak analiz edilir 35 basit bir doğrusal en az kareler yaklaşımı ile. Bu spektral montaj prosedürü, emici spektrumunun örtüşmesi için telafi edilir ve “isobestic” dalga boylarında güvenmez. Bu tam spektrum analizi, ortak Çift kiriş (Yani iki dalga boyu) analizi1,3,6 sorunlu olduğu gösterilmiştir ilişkili eserler ortadan kaldırır20. Tam spektral analizinin ek avantajı, Çift kiriş protokollerinde mevcut olmayan, resiflerden uygun bir iyilik üretmesi.
Bu çalışmada, siyanürün kalp optik özelliklerine etkisi üzerinde duruldu. Siyanür blokları sitokrom oksidaz olarak, bu oksijen tüketimini inhibe ve aslında sitokrom zincirinde geri elektronlar olarak tüm sitokorlerin net azaltma sonuçları. Ancak, membran potansiyeli Görünüşe göre yüksek kalır, bL ve bH ‘deki redoks değişiklikleri, sitokrom c13ile karşılaştırıldığında çok küçüktür. Oksijen tüketiminin durdurulması ile dokuda oksijen gerilimi Perfüzyona yaklaşmalıdır ve oksijenli miyoglobin içinde siyanür ile birlikte, retrograd perfüzyonunda bile, tuz perfüzyon kalp, kavramla tutarlı bir erken artış kaydetti modları, tam olarak sitominde miyoglobin oxygenating değildir19,20,21,36. Siyanürün oksijenli miyoglobin üzerindeki maksimum etkisini karşılaştırarak, iskemi ile elde edilen tamamen deoksigenated spektrumlu, sadece% 88 ‘ lik, önceki çalışmalarda tutarlı bir miyoglobin oksijenasyonu ortaya çıkarır.
Bu çalışmada, miyoglobin oksijenasyon ve sitokrom azaltma üzerindeki siyanür etkilerinin geçici olarak çözüldüğünü dikkate almak önemlidir. Siyanür etkilerinin ilk olarak koroner akışa ve miyoglobin üzerinde görülmeden önce, kalbin sitrosit redoks durumundaki büyük değişikliklere dikkat edilmesi şaşırtıcı bir durumdur. Akıştaki erken işaretli artış, kalp hücrelerinde brüt metabolik etkilerin görülmeden önce arteriyel pürüzsüz Kas24,37 üzerinde bir etkiye neden olabileceğini göstermektedir. Akımının artması, muhtemelen solunum sırasında mütevazı bir siyanür ile indüklenen azalma, oksijen tesliminde artışa neden olan oksijenli miyoglobin hemen artışla sonuçlanır. Miyoksitlere siyanür inhibisyonu yayılması ile, koroner akışta daha fazla artış görülür ( Şekil 5a‘da 3 olarak işaretlenmiş bölgeye bakın), muhtemelen38çok sayıda metabolik faktör tarafından tahrik. Siyanür akışında büyük erken etkisi vasküler pürüzsüz kas metabolizması miyoksit metabolizması daha vasküler tonu değiştirerek daha güçlü olabileceğini göstermektedir. Bu veriler, miyoglobin ‘in Cox ‘dan daha fazla oksijen için çok daha düşük bir yakınlık olduğunu, bozulmamış kalbinden bile, miyoglobin oksijenasyon mitokondri redoks durumundaki değişikliklerden önce de ortaya çıktığını destekler (Şekil 5). Bu yüksek düzeyde deoxygenated miyoglobin kontrol koşulları altında önceden yapılan çalışmalar ile tutarlı olduğunu düşündürmektedir izole tuzlu tuz bile kontrol koşulları altında kısmen hipoktik olabilir9,19, 20,21,27,36, kardiyak fizyolojide bu önemli modeli kullanırken kardiyak doku oksijenasyon izleme önemini vurgulayan.
Burada izole perfkullanılmış kalp iletim emilim spektroskopisi yürütmek için deneysel ayrıntıları sunuyoruz. Biz başarılı bir ince yan ateş intrakardiyak optik fiber kullanarak fare tavşan kalpleri kullanmak için bu tekniği adapte ettik. Sanat tam spektral sığdırma rutinleri kullanarak, kardiyak chromophores karmaşık optik etkileşim kolayca elde edilebilir, geleneksel ile aynı anda miyokard metabolizması kritik unsurların yakın gerçek zamanlı ölçmek fonksiyonel önlemler.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma tamamen NHLBı intramural programı (proje # ZıA HL00460131) tarafından destekleniyordu.
BIOPAC data acquisition system | BIOPAC | MP150 | Analog to digitial conversion |
BIOPAC general purpose transducer amplifiers | BIOPAC | DA100C | Pressure monitoring |
BIOPAC System skin temperature amplifier | BIOPAC | SKT100B | temperature monitoring |
Compact Universal 1- and 2- Channel LED Controllers | Mightex | SLC-MA02-U | External light source power supply |
Disposable pressure sensors | BIOPAC | RX104A | Pressure monitoring |
Dual Syringe, Infusion Pump | KdScientific | KDS 200 / 200P LEGACY SYRINGE PUMP | drug injection |
Flow-through probes | Transonic | 4PXN | perusate flow monitoring |
Glass Syringe | FORTUNA Optima | 30 CC | Air tight fluid injection |
High power fiber-coupled LED white light source | Mightex | Type-A FCS-0000 | External light source |
Perfused heart system | Radnoti | 120101BEZ | This system was heavily modified to provide adequate flow (see manuscript) |
Phase fluorimeter | Ocean Optics | NeoFox-GT | oxygen concentration |
Pickup fiber optic | Thor labs | BF20HSMA01 | Fiber for collecting transmitted light (pick up fiber) |
PowerLab unit | AD Instruments | PowerLab 8/35 | Analog to digitial conversion |
Pressure transducers | BIOPAC | TSD104A | pressure monitoring |
Programming environment | LABViEW | N/A | Software for driving spectrometer, digitiziing data and analysis. Code available on request |
Rapid scanning spectrophotometer | Ocean Optics | QE65PRO | Rapid scanning spectrometer for spectral analysis |
Side firing fiber optic | Polymicro Technologies Molex, LLC 18019 North 25th Av, Phoenic AZ 85023-1200 | JTFLH200230500/1.5M | side firing fiber optic 200 microns core |
Sodium cyanide | Sigma-Aldrich | 380970 | Metabolic inhibitor |
Temperature probe | BIOPAC | TSD102A | temperature monitoring |
Tubing flow modules | Transonic | TS410 | perusate flow monitoring |