Echokardiographie-Aufnahme bei wachen Miniaturschweinen
Summary
Es wird ein einfaches Wagenkonstrukt beschrieben, das für die Durchführung von Forschungsechokardiographien bei wachen Minischweinen gebaut wurde, zusammen mit Bauüberlegungen, Trainingstechniken und repräsentativen Ultraschallbildern.
Abstract
Die Echokardiographie verwendet Ultraschallwellen zur nicht-invasiven Beurteilung der Herzstruktur und -funktion und ist die Standardbehandlung für die Beurteilung und Überwachung des Herzens. Das Miniaturschwein oder Minischwein wird zunehmend als Modell für Herzerkrankungen in der medizinischen Forschung verwendet. Schweine sind notorisch schwer zu halten und sicher zu handhaben, und daher wird die Forschungsechokardiographie bei dieser Spezies fast immer unter Narkose oder starker Sedierung durchgeführt. Anästhetika und Beruhigungsmittel wirken sich universell auf die Herz-Kreislauf-Funktion aus und können eine Senkung des Herzzeitvolumens und des Blutdrucks, eine Erhöhung oder Abnahme der Herzfrequenz und des systemischen Gefäßwiderstands, Veränderungen des elektrischen Rhythmus und einen veränderten koronaren Blutfluss verursachen. Daher kann es vorkommen, dass die sedierte oder anästhesierte Echokardiographie das Fortschreiten der Herzerkrankung in Großtiermodellen nicht genau abbildet, was den translationalen Wert dieser wichtigen Studien einschränkt. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Gerät beschrieben, das die Echokardiographie im Wachstehen bei Minischweinen ermöglicht. Darüber hinaus werden Trainingstechniken beschrieben, mit denen Schweinen beigebracht wird, dieses schmerzlose und nicht-invasive Verfahren zu tolerieren, ohne dass hämodynamisch verändernde Anästhetika erforderlich sind. Die Echokardiographie im Wachstand stellt eine sichere und praktikable Methode dar, um den gebräuchlichsten Herzüberwachungstest bei Minischweinen für die kardiovaskuläre Forschung durchzuführen.
Introduction
Herzinsuffizienz ist eine zunehmende Belastung für medizinische Einrichtungen in den Vereinigten Staaten und im Ausland, mit einer weltweiten Prävalenz von 38 Millionen Patienten1. Im Jahr 2020 wurden weltweit etwa 19 Millionen Todesfälle auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen zurückgeführt, was einem Anstieg von 18,7 % gegenüber 2010 entspricht2. Die Entwicklung neuer Therapien kann diesen alarmierenden Trend nur langsam einholen. Herzinsuffizienz ist daher ein kritischer Forschungsbereich, und die Bedeutung von High-Fidelity-Tools zur Erfassung der Krankheitsentwicklung und des Fortschreitens kann nicht hoch genug eingeschätzt werden.
Die Echokardiographie ist derzeit das klinisch wichtigste Instrument zur nicht-invasiven Messung des Fortschreitens von Herzerkrankungen, aber in Großtierversuchsmodellen kann es schwierig sein, sie zu implementieren3. Die Echokardiographie verwendet Ultraschallwellen zur Beurteilung der Herzstruktur und -funktion und ist die Standardbehandlung im klinischen Umfeld für die Beurteilung und Überwachung des Herzens4. Präklinische Großtiermodelle von Herzerkrankungen, wie z. B. Schweine, spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung der Grundlagenforschung auf die Entwicklung kardiovaskulärer Therapeutika5. Daraus folgt, dass die Übertragung der Echokardiographie auf große Tiermodelle bei der Entwicklung dieser Therapeutika ein wichtiger Teil dieses kritischen Unterfangens ist.
Schweine sind eine von mehreren Arten, die häufig als Großtiermodelle für ischämische, Drucküberlastungs- und schnelle Simulationen von Herzinsuffizienz verwendet werden 5,6. Schweine sind in präklinischen Studien besonders wichtig, da neurohormonelle Kompensationsmechanismen und kardialer Umbau der menschlichen Pathophysiologie sehr nahe kommen 6,7. In jüngerer Zeit haben sich Miniaturschweine oder Minischweine als vielversprechendes Modell für multiple Komorbiditäten von Herzerkrankungen erwiesen, wobei Fettleibigkeit, Bluthochdruck, Hypercholesterinämie und Diabetes zuverlässig zu Herzfunktionsstörungen und -umbauten führen 8,9.
Die sichere Durchführung einer Echokardiographie bei den meisten großen Tieren erfordert eine starke Sedierung oder Vollnarkose. Alle Anästhetika und Beruhigungsmittel beeinträchtigen jedoch die Herzfunktion in dosisabhängiger Weise10,11. Anästhetika und Beruhigungsmittel können zu einer Senkung des Herzzeitvolumens und des Blutdrucks, zu einer Erhöhung oder Abnahme der Herzfrequenz und des systemischen Gefäßwiderstands, zu Veränderungen des elektrischen Rhythmus und zu einem veränderten koronaren Blutfluss führen12. In den meisten Fällen verringern Anästhetika den Sympathikustonus, verringern den venösen Rückfluss und senken den Blutdruck13. Wichtig ist, dass Anästhetika auch echokardiographische Parameter beeinflussen, was die Interpretation dieser Untersuchung bei der Überwachung von Herzerkrankungen in Tiermodellen erschwert14. Die wache Echokardiographie ist die beste Darstellung der nativen Herzfunktion.
Hier wird eine Schweinerückhaltevorrichtung beschrieben, die von wachen Minischweinen leicht akzeptiert wird und für die grundlegende echokardiographische Überwachung verwendet werden kann, ohne dass hämodynamisch verändernde Anästhetika verabreicht werden müssen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Echokardiographie-Wagen stellt eine leicht replizierbare Methode zur Überwachung der Herzstruktur und -funktion in einem wichtigen Herzforschungsmodell, dem Minipig, dar. Die Neuheit des Wagens liegt in der Möglichkeit, echokardiographische Bilder ohne den größten Vorbehalt aufzunehmen: die Notwendigkeit, Anästhetika oder Beruhigungsmittel zu verwenden, die die Herzfunktion der Tiere verändern und genau die Messungen verändern, die zur Beurteilung der Wirkung von Herztherapeutika verwendet werden. Darüber hinaus ist der Wagen sicher, kostengünstig und ein einfaches Trainingsziel für Schweine.
Die Autoren identifizierten zunächst die gewünschten Eigenschaften des Wagens und arbeiteten dann eng mit einem Schreiner zusammen, um das Produkt zu entwerfen. Standardtechniken des positiven Verstärkungstrainings waren einfach und schnell, um den Schweinen beizubringen, den Karren furchtlos anzunehmen und zu benutzen. Mit Hilfe der Ultraschallpraxis waren die Autoren in der Lage, schnell zweidimensionale Standard-Echokardiographie-Bildgebungsebenen zu finden und für die spätere Verarbeitung aufzuzeichnen. Während dieser stehenden Echokardiogramme wurden nie Beruhigungsmittel oder Anästhetika verabreicht, und daher waren die Videos und Bilder repräsentativ für die wache Herzfunktion.
Der Bau des Echokardiographiewagens ist für einen erfahrenen Schreiner oder Heimwerker relativ einfach, nachdem er die wichtigsten Merkmale identifiziert hat, die für die Forschungsgruppe wichtig sind (z. B. Größenverstellbarkeit, Höhe oder Zugangspunkte für die Ultraschallsonde). Während des Bauprozesses können die Eigenschaften des Wagens an die Bedürfnisse der einzelnen Labore angepasst werden. Die Materialien sind weitgehend kostengünstig, und durch den Bau des Wagens können die Kosten für die Durchführung von Echokardiogrammen mit den üblicherweise verwendeten Beruhigungs- und Anästhetika eingespart werden.
Zu den Einschränkungen der Technik gehörten die Bewegung und der begrenzte Zeitrahmen, um die Bilder zu erhalten. Während der Wagen auf unterschiedliche Größen eingestellt werden konnte, um die Schweine zurückzuhalten, und obwohl sich die Tiere nicht umdrehen und sich nur wenige Zentimeter in jede Richtung bewegen konnten, waren die Tiere immer noch in der Lage, sich innerhalb der Grenzen des Wagens zu bewegen. Eine Kopfklappe, ein Quetschschacht oder eine Stütze, wie sie bei Nutztieren verwendet werden, könnten mit zusätzlichem Training möglicherweise eine bessere Rückhaltung bieten. In ähnlicher Weise beruhte eine erfolgreiche Bildgebung darauf, dass die Tiere während der Echokardiogramme von ihrem Futter oder gefrorenen Leckereien abgelenkt wurden. In der Regel ermöglichte dies eine Bildgebung von ca. 15 Minuten, was nicht immer ausreichte, um alle gewünschten Bilder zu erhalten. Die Fähigkeit, den Futtertrog leicht zu ersetzen oder Futter hinzuzufügen, während das Tier zurückgehalten blieb, kann zu einer längeren Bildgebungsdauer führen. Schließlich erwiesen sich aufgrund der beiden oben genannten Einschränkungen empfindlichere bildgebende Verfahren, wie z. B. der Gewebedoppler, als schwierig im stehenden Echokardiographiewagen.
Andere Schweineversuchsmodelle verwenden häufig nicht-anästhesiefreie Handhabungstechniken, wie z. B. die kommerziell erhältliche Panepinto-Schlinge17. Die Autoren fanden jedoch, dass die Schlingentechnik für das Training von Schweinen umständlicher war, und die Schlinge bot dem Ultraschalltechniker keinen Zugang zu den für die Echokardiographie erforderlichen Bildebenen. Weitere mögliche Anwendungen für den Echokardiographie-Wagen könnten andere nicht schmerzhafte Verfahren wie die Ultraschalluntersuchung des Abdomens, die Beobachtung von Hautläsionen oder die Entnahme von Blutproben aus einem Gefäßzugang sein. Die Autoren verwenden den Wagen oft, um Schweine einfach zu fesseln, um beispielsweise Elektrokardiogramme durchzuführen und Herzschrittmacher zu programmieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die beschriebene Wach-Echokardiographie-Technik einfach durchzuführen und wertvoll ist, um eine grundlegende Ultraschallbildgebung des Herzens ohne die für die Verwendung von Anästhetika oder Beruhigungsmitteln typische kardiovaskuläre Depression zu erhalten. Diese Technik kann verwendet werden, um anästhesierte Bilder mit Wachbildern bei großen Tieren zu vergleichen oder für die tägliche Überwachung des Fortschreitens von Herzerkrankungen im wertvollen präklinischen translationalen Modell von Herzerkrankungen und -insuffizienz beim Schwein.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finanziert werden NIH-T32 (T.H.), R01HL133286 (TT.H.), R01HL094414 (R.M.S.), R01HL138577 (R.M.S.), R01HL159983 und R21AG074593 (R.M.S. und TT.H.). Wir bedanken uns bei allen Mitgliedern der Forschungsgruppe, den Lehrbeauftragten und den Mitarbeitern des Nora Eccles Harrison Cardiovascular Research and Training Institute and Comparative Medicine an der University of Utah. Wir möchten uns auch bei Dr. Joseph Palatinus, MD, PhD, für seine wertvolle Echokardiographie-Ausbildung und Unterstützung bedanken.
Materials
| Access Ramp | N/A – shop built | 58" L x 18" W. Rise of 19" not to exceed 22.5 degree angle. | Any removable aluminum ramp with capacity to hold weight of pigs |
| Fence Feeder with Clips | DuraFlex | E011772 | Feed trough with clips for hanging on chain link, used for frozen treats or feed to distract pigs during echocardiography |
| Heavy Duty Utility Cart | Baxter Medical Equipment & Supplies | Cart # unk / 45x25x33"; Pipes, sch 40 PVC | Made of heavy plastic, with three shelves |
| Image Analysis Software | Image J FIJI | https://imagej.net/software/fiji/ | Free scientific image analysis software |
| Lumify Ultrasound with S4-1 Phased Array Transducer | Philips | FUS6884 | Handheld bedside ultrasound with cardiac probe, used with a tablet device and proprietary software |
| Video Editing Software | Adobe Premiere Pro 2022 | https://www.adobe.com/products/premiere.html | Commen software part of Adobe Creative Cloud. |
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