Запись эхокардиографии у бодрствующих миниатюрных свиней
Summary
Описана простая конструкция тележки, построенная для выполнения исследовательской эхокардиографии у мини-пигов, стоящих в сознании, а также рекомендации по строительству, методы обучения и репрезентативные ультразвуковые изображения.
Abstract
Эхокардиография использует ультразвуковые волны для неинвазивной оценки структуры и функции сердца и является стандартом лечения для оценки и мониторинга сердца. Миниатюрная свинья, или минипиг, все чаще используется в качестве модели сердечных заболеваний в медицинских исследованиях. Свиней, как известно, трудно сдерживать и безопасно обращаться, и, следовательно, исследовательская эхокардиография у этого вида почти всегда проводится под наркозом или тяжелой седацией. Анестетики и седативные средства повсеместно влияют на сердечно-сосудистую функцию и могут вызывать снижение сердечного выброса и артериального давления, увеличение или уменьшение частоты сердечных сокращений и системного сосудистого сопротивления, изменения электрического ритма и изменение коронарного кровотока. Таким образом, седативная или анестезированная эхокардиография может неточно отображать прогрессирование сердечных заболеваний на моделях крупных животных, тем самым ограничивая трансляционную ценность этих важных исследований. В этой статье описывается новое устройство, которое позволяет проводить эхокардиографию в бодрствующем состоянии у мини-пигов. Кроме того, описаны методы дрессировки, используемые для обучения свиней переносить эту безболезненную и неинвазивную процедуру без необходимости использования гемодинамических анестетиков. Эхокардиография в состоянии бодрствования представляет собой безопасный и осуществимый способ проведения наиболее распространенного теста мониторинга сердца у мини-пиг для сердечно-сосудистых исследований.
Introduction
Сердечная недостаточность является растущим бременем для медицинских учреждений в Соединенных Штатах и за рубежом, с распространенностью во всем мире 38 миллионов пациентов1. В 2020 году около 19 миллионов смертей во всем мире были связаны с сердечно-сосудистыми заболеваниями, что на 18,7% больше, чем в 2010году2. Развитие новой терапии медленно догоняет эту тревожную тенденцию. Таким образом, сердечная недостаточность является важнейшей областью исследований, и важность высокоточных инструментов для фиксации развития и прогрессирования заболевания невозможно переоценить.
Эхокардиография в настоящее время является наиболее клинически важным инструментом для неинвазивного измерения прогрессирования сердечных заболеваний, но в моделях исследований на крупных животных ее может быть сложно внедрить3. Эхокардиография использует ультразвуковые волны для оценки структуры и функции сердца и является стандартом лечения в клинических условиях для оценки и мониторинга сердца4. Доклинические модели сердечных заболеваний на крупных животных, таких как свиньи, играют решающую роль в переводе фундаментальной науки на разработку сердечно-сосудистой терапии5. Из этого следует, что перевод эхокардиографии на модели крупных животных при разработке этих терапевтических средств является важной частью этого важного начинания.
Свиньи являются одним из нескольких видов, обычно используемых в качестве крупных животных моделей ишемии, перегрузки давлением и быстрого моделирования сердечной недостаточности 5,6. Свиньи особенно важны в доклинических исследованиях, поскольку нейрогормональные компенсаторные механизмы и ремоделирование сердца близко отражают патофизиологию человека 6,7. Совсем недавно миниатюрные свиньи, или минипиги, продемонстрировали перспективность в качестве модели множественных сопутствующих заболеваний сердечных заболеваний, при этом ожирение, гипертония, гиперхолестеринемия и диабет надежно приводят к сердечной дисфункции и ремоделированию 8,9.
Безопасное выполнение эхокардиографии у большинства крупных животных требует тяжелой седации или общей анестезии. Однако все обезболивающие и седативные препараты угнетают сердечную функцию дозозависимым образом10,11. Анестетики и седативные средства могут вызывать снижение сердечного выброса и артериального давления, увеличение или уменьшение частоты сердечных сокращений и системного сосудистого сопротивления, изменения электрического ритма и изменение коронарного кровотока12. В большинстве случаев анестетики снижают симпатический тонус, уменьшая венозный возврат и снижая артериальное давление13. Важно отметить, что анестетики также влияют на эхокардиографические параметры, усложняя интерпретацию этого исследования при мониторинге сердечных заболеваний на животных моделях14. Эхокардиография в сознании является наиболее близким представлением нативной сердечной функции.
Здесь описано удерживающее устройство для свиней, которое легко принимается бодрствующими минипигами, которое может быть использовано для базового эхокардиографического мониторинга без необходимости введения гемодинамически изменяющих анестетиков.
Protocol
Representative Results
Discussion
Тележка для эхокардиографии представляет собой легко воспроизводимый метод мониторинга структуры и функции сердца в важной модели исследования сердца, минипиге. Новизна тележки заключается в возможности захвата эхокардиографических изображений без самой большой оговорки: необходимости использования анестетиков или седативных средств, которые изменяют сердечную функцию животных и изменяют сами измерения, используемые для оценки эффектов сердечной терапии. Кроме того, тележка безопасна, недорога и удобна для дрессировки свиней.
Авторы сначала определили желаемые характеристики тележки, а затем тесно сотрудничали с плотником для разработки продукта. Стандартные методы дрессировки с положительным подкреплением были простыми и быстрыми, чтобы научить свиней бесстрашно принимать тележку и использовать ее. С помощью практики УЗИ авторы смогли быстро найти и записать стандартные плоскости двумерной эхокардиографии для последующей обработки. Во время этих стоячих эхокардиограмм седативные средства или анестетики никогда не вводились, и, следовательно, видео и изображения были репрезентативными для бодрствующей сердечной функции.
Создание тележки для эхокардиографии относительно просто для опытного плотника или разнорабочего после определения ключевых особенностей, важных для исследовательской группы (например, регулируемость размера, высота или точки доступа ультразвукового датчика). В процессе строительства характеристики тележки могут быть изменены в соответствии с потребностями отдельных лабораторий. Материалы в основном недорогие, и создание тележки может сэкономить на стоимости выполнения эхокардиограмм с использованием обычно используемых седативных средств и анестетиков.
Ограничения техники включали движение и ограниченные временные рамки для получения изображений. В то время как тележка могла быть отрегулирована до различных размеров, чтобы удерживать свиней, и хотя животные не могли поворачиваться и могли двигаться только на несколько дюймов в каждом направлении, животные все еще были способны двигаться в пределах тележки. Налобные ворота, желоб или стойка, такие как те, которые используются с сельскохозяйственными животными, потенциально могут обеспечить лучшую сдержанность при дополнительной подготовке. Точно так же успешная визуализация основывалась на том, что животные отвлекались на корм или замороженные лакомства во время эхокардиограммы. Как правило, это позволяло получить примерно 15 минут изображения, чего не всегда было достаточно для получения всех желаемых изображений. Возможность легко заменить кормушку или добавить корм, в то время как животное оставалось сдержанным, может иметь длительную продолжительность визуализации. Наконец, из-за обоих вышеперечисленных ограничений более чувствительные методы визуализации, такие как тканевая допплерография, оказалось трудно выполнить в стоячей эхокардиографии.
В других экспериментальных моделях свиней часто используются неанестезирующие методы обработки, такие как коммерчески доступная стропаПанепинто 17. Тем не менее, авторы сочли технику стропы более громоздкой для дрессировки свиней, и стропа не обеспечивала ультразвуковому аппарату доступ к плоскостям визуализации, необходимым для эхокардиографии. Другие потенциальные применения эхокардиографии могут включать другие безболезненные процедуры, такие как УЗИ брюшной полости, наблюдение за поражениями кожи или получение образцов крови из сосудистого порта. Авторы часто используют тележку, чтобы легко удерживать свиней для выполнения электрокардиограмм и программирования кардиостимуляторов, например.
В заключение, описанная техника эхокардиографии в сознании проста в выполнении и ценна для получения базовой ультразвуковой визуализации сердца без сердечно-сосудистой депрессии, типичной для использования анестетика или седативного средства. Этот метод может быть использован для сравнения анестезированных изображений с изображениями бодрствования у крупных животных или для повседневного мониторинга прогрессирования сердечных заболеваний в ценной доклинической трансляционной модели сердечных заболеваний и недостаточности свиней.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансирование этого исследования включает NIH-T32 (T.H.), R01HL133286 (TT.H.), R01HL094414 (R.M.S.), R01HL138577 (R.M.S.), R01HL159983 и R21AG074593 (R.M.S. и TT.H.). Мы выражаем благодарность всем членам исследовательской группы, вспомогательным исследователям и сотрудникам Института сердечно-сосудистых исследований и обучения Норы Эклс Харрисон и сравнительной медицины при Университете штата Юта. Мы также хотели бы выразить нашу признательность доктору Джозефу Палатинусу, доктору медицинских наук, за его ценное обучение и помощь в эхокардиографии.
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. |
References
- Braunwald, E. The war against heart failure: The Lancet lecture. Lancet. 385, 812-824 (2015).
- Tsao, C. W., Aday, A. W., Almarzooq, Z. I., et al. Heart disease and stroke statistics – 2022 Update: A report from the American Heart Association. Circulation. 145 (5), e153-e639 (2022).
- Billig, S., et al. Transesophageal echocardiography in swine: evaluation of left and right ventricular structure, function, and myocardial work. International Journal of Cardiovascular Imaging. 37 (3), 835-846 (2021).
- Boon, J. A. . Veterinary Echocardiography., 2nd edition. , (2011).
- Silva, K. A. S., Emter, C. A. Large animal models of heart failure: A translational bridge to clinical success. Journal of the American College of Cardiology: Basic to Translational Science. 5 (8), 840-856 (2020).
- Pilz, P. M., et al. Large and small animal models of heart failure with reduced ejection fraction. Circulation Research. 130 (12), 1888-1905 (2022).
- Paslawska, U., et al. Normal electrocardiographic and echocardiographic (M-mode and two-dimensional) values in Polish Landrace pigs. Acta Veterinaria Scandinavica. 56 (1), 54 (2014).
- Sharp, T. E., et al. Novel Gottingen miniswine model of heart failure with preserved ejection fraction integrating multiple comorbidities. Journal of the American College of Cardiology: Basic to Translational Science. 6 (2), 154-170 (2021).
- Olver, T. D., et al. Western diet-fed, aortic-banded Ossabaw swine: A preclinical model of cardio-metabolic heart failure. Journal of the American College of Cardiology: Basic to Translational Science. 4 (3), 404-421 (2019).
- Merin, R. G. Effect of anesthetic drugs on myocardial performance in man. Annual Review of Medicine. 28, 75-83 (1977).
- El Mourad, M. B., Shaaban, A. E., El Sharkawy, S. I., Afandy, M. E. Effects of propofol, dexmedetomidine, or ketofol on respiratory and hemodynamic profiles in cardiac patients undergoing transesophageal echocardiography: A prospective randomized study. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 35 (9), 2743-2750 (2021).
- Stoelting, R. K., Hillier, S. C. . Handbook of Pharmacology & Physiology in Anesthetic Practice., 2nd edition. , (2006).
- Kristensen, S. D., et al. ESC/ESA Guidelines on non-cardiac surgery: Cardiovascular assessment and management: The Joint Task Force on non-cardiac surgery: Cardiovascular assessment and management of the European Society of Cardiology (ESC) and the European Society of Anaesthesiology (ESA). European Heart Journal. 35 (35), 2383-2431 (2014).
- Roth, D. M., Swaney, J. S., Dalton, N. D., Gilpin, E. A., Ross Jr, J. Impact of anesthesia on cardiac function during echocardiography in mice. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 282 (6), H2134-H2140 (2002).
- Chengode, S. Left ventricular global systolic function assessment by echocardiography. Annals of Cardiac Anaesthesia. 19 (Suppl 1), S26-S34 (2016).
- Cacciapuoti, F. Echocardiographic evaluation of ejection fraction: 3DE versus 2DE and M-Mode. Heart Views. 9 (2), 71-79 (2008).
- Yang, H., Galang, K. G., Gallegos, A., Ma, B. W., Isseroff, R. R. Sling training with positive reinforcement to facilitate porcine wound studies. JID Innovations. 1 (2), 100016 (2021).
