Translationales Kaninchenmodell der chronischen Herzschrittfrequenz

Trotz ihrer spezifischen Einschränkungen bieten kleine Säugetiermodelle Vorteile für die klinische Forschung¹³. Mit einer etablierten Methodik können Herzschrittmachermodelle eine optimale Plattform für die Simulation eines breiten Spektrums von kardiovaskulären Erkrankungen und zirkulatorischen pathologischen Zuständen^{bieten 7,14} mit deutlich geringerem Ressourcenbedarf im Vergleich zu Großtiermodellen oder klinischen Studien. In dieser Arbeit wird ein innovatives, minimal-invasives Modell für eine lang anhaltende Herzstimulation bei Kaninchen vorgestellt. Durch die Befolgung dieses Protokolls ist es möglich, ein vollständig implantiertes menschliches Schrittmachersystem in voller Größe, einschließlich einer Schrittmacherelektrode in voller Länge, in einem Kleinsäugetiermodell zu verwenden.

Zum Zeitpunkt der Implantation des Herzschrittmachers konnten wir bei allen Tieren die Elektrode an einer stabilen, optimalen Stelle in der Spitze des rechten Ventrikels positionieren. Die invasiv gemessenen Stimulationsparameter lagen im Normbereich, ähnlich den im Großtierversuch oder in der Humanmedizin üblichen Werten ^2,3. Das gemessene mittlere Myokardpotential von 6,5 mV ± 1,9 mV im rechten Kaninchenventrikel wird von einem standardmäßigen implantierbaren Herzschrittmacher deutlich erkannt. Die maximal gemessene Stimulationsschwelle betrug 2,5 V bei einer Stimulusdauer von 0,4 ms, und die Impedanz blieb während des Follow-ups im Normbereich. Insgesamt stellen dies optimale Pacing-Parameter dar.

Während der Nachbeobachtung wurden die Stimulationsparameter nicht-invasiv durch Abfrage des implantierten Herzschrittmachers verifiziert, und diese Parameter sind in Abbildung 7, Abbildung 9 und Tabelle 1 zusammengefasst. Die ventrikuläre Sensorik und die Ableitungsimpedanz zeigten über 6 Monate keine signifikanten Veränderungen. Trotz eines zunehmenden Trends bei der über alle Probanden gemittelten Stimulationsschwelle wurden keine signifikanten Veränderungen beobachtet, so dass die Stimulation während der gesamten Studie sicher durchgeführt werden konnte. Die geringe Schwankung der Stimulationsparameter kann auf lokale Entzündungsreaktionen oder Fibrose zurückgeführt werden und könnte durch den Einsatz von steroidfreisetzenden Materialien gemildert werden. Für den Einsatz in Langzeit-Stimulationsstudien sollten die Stimulationsparameter überwacht und häufig angepasst werden.

Die Blutanalyse ergab keine Hinweise auf eine systemische Entzündung oder Anämie in der ersten Woche nach der Implantation. Der Trend zu erhöhten Thrombozytenzahlen vor dem Eingriff kann auf den akuten Stress durch den Umgang mit den Tieren und die Sedierung zurückgeführt werden, da die Werte während der Nachuntersuchung stabil blieben. Eine gefürchtete Komplikation bei der Implantation eines Herzschrittmachers ist die Penetration von Elektroden. Insbesondere bei der Zerbrechlichkeit von Geweben von Kleinsäugetieren sollte eine Penetration vermutet werden, wenn sich die Stimulationsparameter abrupt ändern, und es muss betont werden, dass die Leine immer vorsichtig in die richtige Position gebracht werden sollte. Ein Röntgenbild kann das Eindringen von Elektroden bestätigen. Eine akute kardiale implantierbare elektronische Geräteinfektion (CIED) ist eine weitere potenziell schwere Komplikation, die erheblich zur Mortalitäts- und Morbiditätsrate beiträgt¹⁵. Daher ist es äußerst wichtig, neuartige Materialien, Stimulationstechniken und Bleiverfeinerungen zu untersuchen, um die Infektionsraten zu senken und die Haltbarkeit der Stimulationssysteme zu verlängern. Die vorgestellte Methodik bietet ein geeignetes Tiermodell für solch wichtige experimentelle Forschung.

Ryu et al. induzierten eine Kardiomyopathie mit progressiver Herzinsuffizienz unter Verwendung von chirurgisch implantierten Vorhof-Schrittmacherelektroden und einem externen Impulsgenerator¹². In ähnlicher Weise kamen Freeman et al. zu dem Schluss, dass eine anhaltende ventrikuläre Stimulation bei Kaninchen über 3-4 Wochen zu einer myokardialen Depression führt¹¹. Aufgrund der hohen nativen Herzfrequenz von Kleintieren muss der Herzschrittmacher in der Lage sein, Frequenzen um 300-400 Schläge pro Minute zu steuern, um einen vollen Rhythmus aufrechtzuerhalten. Da diese höheren Stimulationsfrequenzen über die Woche^11,12 zu einer progredienten Herzinsuffizienz führen^, ist das vorgestellte Leporinmodell optimal für die Entwicklung und Untersuchung der daraus resultierenden Kardiomyopathie. In Anbetracht ihrer Größe eignen sich diese kleinen Modelle ideal für spezifische Anwendungen, wie z. B. die Beurteilung von humoralen oder myokardialen Gewebeveränderungen^11,16. Die Echokardiographie kann auch verwendet werden, um die Abmessungen und die Kontraktilität des Lepurinherzens zu beurteilen^12,17. Im Vergleich dazu haben größere Tiermodelle der Herzinsuffizienz weitere Vorteile, wie z. B. die Möglichkeit einer detaillierten invasiven hämodynamischen Beurteilung, einschließlich Koronarkreislauf- oder Druck-Volumen-Bewertungen².

Die spezifische Auswahl des Leporinmodells für Stimulationsstudien basierte auf seinen vielfältigen Vorteilen. Kaninchen vertragen den Eingriff gut, gehören zu den kleinsten Säugetieren, die die Fähigkeit aufweisen, ein herzschrittmacherähnliches System in Menschengröße zu erhalten, und benötigen weniger Ressourcen als andere größere Tiere. Einige Autoren¹⁸ glauben, dass die Physiologie kleiner Säugetiere möglicherweise nicht die des Menschen widerspiegelt, aber wir haben festgestellt, dass die bei diesen kleinen Säugetieren beobachteten Stimulationsparameter denen von Menschen oder großen Tieren sehr ähnlich sind 1,2,3,19, was bedeutet^, dass sie leicht für die translationale Forschung genutzt werden können.

Bei der Platzierung von Elektroden und der Implantation von Herzschrittmachern in diesem Kleinsäugetiermodell stießen wir auf Ähnlichkeiten zu früheren Experimenten in Großtiermodellen, wobei auf die signifikanten Unterschiede hingewiesen werden sollte. Leporingewebe ist zerbrechlich, und die Gefäß- und Ventrikelwände sind dünn. Während des gesamten Verfahrens ist eine sanfte Manipulation erforderlich. Die Bleispitze sollte immer nicht vom Mandrin gestützt und daher flexibel sein. Insbesondere beim Passieren des Trikuspidalrings und beim Positionieren der Elektrodenspitze an der Spitze des rechten Ventrikels muss die Manipulation mit äußerster Vorsicht und unter fluoroskopischer Kontrolle durchgeführt werden, um Verletzungen zu vermeiden. Auch das Positionieren der Spitze an anderen Stellen sollte möglich sein. Wir haben die Positionen des rechten Vorhofohrs und des ventrikulären Ausflusstrakts mit optimalen periprozeduralen Parametern getestet, aber die Stabilität der Ableitung kann eingeschränkt sein, und die aktuellen Daten können keine alternativen Stimulationsstellen unterstützen. Die äußere Halsvene des Kaninchens ist für das Einführen einer einzelnen Schrittmacherelektrode angemessen dimensioniert. Wenn die Implantation mehrerer Elektroden beabsichtigt ist, kann die Verwendung eines größeren Tieres empfohlen werden.

Die Elektrodenfixierung in der myokardialen Trabekulation erfolgte passiv mit Silikonzinken an der Elektrodenspitze. Unserer Erfahrung nach muss die aktive Fixierung durch eine in die dünne Myokardschicht eingeschraubte Helix vermieden werden, um Gewebeverletzungen durch Tamponade oder Brustblutungen zu vermeiden. Trotz der geringen Größe des rechten Ventrikels des Kaninchens ermöglichte das Paar von Schrittmacherelektroden im Abstand von 25 mm sowohl unipolare als auch bipolare Sensor- und Schrittmacherkonfigurationen (Abbildung 10). Dies kann Vielseitigkeit für Herzschrittstudien bieten.

Aufgrund der hohen nativen Herzfrequenz kleiner Säugetiere¹⁸ kann durch eine individuelle Programmierung des implantierbaren Herzschrittmachers eine kontinuierliche Stimulation erreicht werden. Alternativ kann das Verfahren der einfachen Inhouse-Modifikation eines gemeinsamen, vom Menschen zertifizierten Stimulationssystems verwendet werden, um Hochraten-Stimulationsfrequenzen zu erhalten,^{wie zuvor ausführlich} beschrieben ^2,20. Der Erfassungsverlust wurde mit der nicht-invasiven Stimulationsstudienfunktion bewertet, einem einzigartigen Ansatz, der Tests auch unter dem Zustand einer hohen nativen Herzfrequenz ermöglicht. Die berichteten Stimulationsparameter wurden regelmäßig gemessen. Der implantierte Herzschrittmacher war in der Lage, die Erfassung von Myokardpotentialen und der Leitimpedanz automatisch und kontinuierlich aufzuzeichnen, aber die Schrittmacherschwelle musste aufgrund der hohen nativen Herzfrequenz manuell gemessen werden. Wenn eine kontinuierliche Stimulation erforderlich ist, werden daher häufige Beurteilungen empfohlen, um einen Verlust der Erfassung zu vermeiden.

Gutruf et al. berichteten bereits über den Einsatz von hochminiaturisierten, kabellosen, batterielosen Herzschrittmachern in Kleintiermodellen⁷. Im Vergleich zu ihren Studien stellt die hier beschriebene Implantation eines Herzschrittmachers in menschlicher Größe einen anderen Ansatz dar, der die Möglichkeit für innovative Elektrodentests, eine enge Translation in die klinische Forschung und breitere Anwendungen mit allgemein verfügbaren Materialien bietet. Zhou et al. stellten die Entwicklung eines Miniatur-Herzschrittmachers vor, der perkutan in das fetale Herz implantiert werden soll, um eine atrioventrikuläre Blockade zu behandeln. Sie berichteten über die Verwendung von Experimenten mit erwachsenen Kaninchen, um die Machbarkeit eines solchen Geräts zu bestätigen⁹. Andere haben bereits über die Vorteile der Intubation von Kaninchen bei invasiven Eingriffen berichtet. Unserer Erfahrung nach hat der Ansatz, die Spontanatmung mit einer oro-nasalen Maske aufrechtzuerhalten, bei so kurzen Eingriffen mehr Vorteile, da er das Risiko von Komplikationen durch Manipulation der Atemwege minimiert. Darüber hinaus können auch Drucklungenverletzungen vorgebeugt werden.

Obwohl das Prüfprotokoll sorgfältig erstellt wurde und die Gesamtzahl der eingeschlossenen Tiere angemessen war, müssen einige Einschränkungen aufgezeigt werden. Die geringe Größe des rechten Ventrikels des Kaninchens erlaubte keine Mehrfachplatzierung von Elektroden. Obwohl wir versucht haben, die Positionierung der Elektrodenspitze im rechtsventrikulären Ausflusstrakt zu testen, haben wir nur begrenztes Wissen über ihre Stabilität und gehen davon aus, dass sie eher begrenzt sein wird. Der Trend der Pacing-Impedanz zeigte innerhalb der ersten Woche nach der Lead-Platzierung einen Rückgang. Dies könnte auf eine lokale Entzündung und eine leichte Fibrose zurückzuführen sein, aber kurz darauf wurde die Bleiimpedanz wiederhergestellt, und ein Trend der Stabilität wurde kontinuierlich aufrechterhalten. In dieser Studie wurde ein Einkammer-Stimulationssystem verwendet. In zukünftigen Studien sollte auch das Vorschieben eines Paares von Stimulationselektroden durch die einseitige Halsvene untersucht werden. Obwohl dies in dieser Studie nicht getestet wurde, glauben wir, dass eine zweite Elektrode im rechten Vorhof eingeführt und stabilisiert werden könnte.

Generell haben Tiermodelle des Herzschritts zahlreiche Anwendungen in der kardiovaskulären Forschung. Erstens führt die Stimulation mit nicht-physiologischen hohen Frequenzen über mehrere Wochen zu einer Tachykardie-induzierten Kardiomyopathie, wie bereits berichtet, und ermöglicht die Untersuchung der Pathophysiologie und Behandlung der chronischen Herzinsuffizienz 2,3,11,12. Darüber hinaus kann die Forschung an verfeinerten Materialien und Technologien das vorgestellte Leporinmodell nutzen, das für mittelfristige Stimulationsstudien vorgeschlagen werden könnte. Unseres Wissens nach ist diese Studie die erste, die die Vorteile eines so kleinen Säugetiermodells für komplexe Herzschrittmacherexperimente demonstriert²¹. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der beschriebenen Methodik ein Schrittmachersystem in Menschengröße trotz der Gewebezerbrechlichkeit und der empfindlichen Anatomie erfolgreich in kleine Säugetiere implantiert werden kann. Nach dem Training ist diese Technik leicht reproduzierbar und bietet eine Grundlage für Modelle der Tachykardie mit breiter Anwendung in der kardiovaskulären Forschung.