Summary

Test d’effort pour l’évaluation de l’efficacité fonctionnelle du système cardiovasculaire du porc

Published: May 12, 2023
doi:

Summary

Le présent protocole décrit un modèle de test d’effort pour grands animaux afin d’évaluer la capacité fonctionnelle du système cardiovasculaire à évaluer l’efficacité de nouvelles thérapies dans le cadre préclinique. Il est comparable à un test d’effort clinique.

Abstract

Malgré les progrès des traitements, les maladies cardiovasculaires restent l’une des principales causes de mortalité et de morbidité dans le monde. L’angiogenèse thérapeutique basée sur la thérapie génique est une approche prometteuse pour traiter les patients présentant des symptômes importants, malgré une thérapie pharmacologique optimale et des procédures invasives. Cependant, de nombreuses techniques prometteuses de thérapie génique cardiovasculaire n’ont pas répondu aux attentes des essais cliniques. L’une des explications est un décalage entre les paramètres précliniques et cliniques utilisés pour mesurer l’efficacité. Dans les modèles animaux, l’accent a généralement été mis sur des critères d’évaluation facilement quantifiables, tels que le nombre et la surface des vaisseaux capillaires calculés à partir de coupes histologiques. Outre la mortalité et la morbidité, les critères d’évaluation des essais cliniques sont subjectifs, tels que la tolérance à l’exercice et la qualité de vie. Cependant, les paramètres précliniques et cliniques mesurent probablement différents aspects de la thérapie appliquée. Néanmoins, les deux types de paramètres sont nécessaires pour développer des approches thérapeutiques réussies. Dans les cliniques, l’objectif principal est toujours de soulager les symptômes des patients et d’améliorer leur pronostic et leur qualité de vie. Pour obtenir de meilleures données prédictives à partir d’études précliniques, les mesures des critères d’évaluation doivent être mieux adaptées à celles des études cliniques. Ici, nous présentons un protocole pour un test d’effort sur tapis roulant cliniquement pertinent chez les porcs. Cette étude vise à : (1) fournir un test d’effort fiable chez les porcs qui peut être utilisé pour évaluer l’innocuité et l’efficacité fonctionnelle de la thérapie génique et d’autres thérapies innovantes, et (2) mieux faire correspondre les critères d’évaluation entre les études précliniques et cliniques.

Introduction

Les maladies cardiovasculaires chroniques sont des causes importantes de mortalité et de morbidité dans le monde 1,2. Bien que les traitements actuels soient efficaces pour la majorité des patients, beaucoup ne peuvent toujours pas bénéficier des thérapies actuelles en raison, par exemple, de maladies chroniques diffuses ou de comorbidités. De plus, chez certains patients, les symptômes cardiaques ne sont pas soulagés par les traitements disponibles, et leur maladie cardiovasculaire progresse malgré un traitement médical optimal3. Il existe donc un besoin évident de développer de nouvelles options de traitement pour les maladies cardiovasculaires graves.

Au cours des dernières années, de nouvelles voies moléculaires et de nouvelles façons de manipuler ces cibles ont été découvertes, faisant de la thérapie génique, de la thérapie cellulaire et d’autres nouvelles thérapies une option réaliste pour traiter les maladies cardiovasculaires graves4. Cependant, après des résultats précliniques prometteurs, de nombreuses applications cardiovasculaires n’ont pas répondu aux attentes des essais cliniques. Malgré la faible efficacité des essais cliniques, plusieurs essais ont établi de bons profils d’innocuité des nouvelles thérapies 5,6,7,8,9. Ainsi, apporter de nouvelles thérapies cardiovasculaires aux patients nécessitera des approches améliorées et de meilleurs modèles précliniques, contextes d’étude et critères d’évaluation dans les études précliniques qui peuvent prédire l’efficacité clinique.

Dans les modèles animaux, l’accent a généralement été mis sur des paramètres facilement quantifiables, tels que le nombre et la surface des vaisseaux capillaires calculés à partir de coupes histologiques ou les paramètres de l’imagerie du ventricule gauche au repos et sous stress pharmacologique. Dans les essais cliniques, de nombreux critères d’évaluation ont été plus subjectifs, tels que la tolérance à l’exercice ou le soulagement des symptômes4. Ainsi, il est probable que les critères d’évaluation des études précliniques et des essais cliniques mesurent différents aspects de la thérapie appliquée. Par exemple, une augmentation de la quantité de vaisseaux sanguins n’est pas toujours corrélée à une meilleure perfusion, une meilleure fonction cardiaque ou une meilleure tolérance à l’exercice. Néanmoins, les deux types de paramètres sont nécessaires pour développer des approches thérapeutiques réussies10. Pourtant, l’objectif principal est toujours de soulager les symptômes et d’améliorer le pronostic et la qualité de vie du patient. Pour ce faire, les mesures des critères d’évaluation doivent être mieux adaptées entre les études précliniques et cliniques4.

La capacité cardiorespiratoire reflète la capacité des systèmes circulatoire et respiratoire à fournir de l’oxygène pendant une activité physique soutenue, et quantifie ainsi la capacité fonctionnelle d’un individu. La capacité fonctionnelle est un marqueur pronostique clé car il s’agit d’un prédicteur indépendant fort du risque de mortalité cardiovasculaire et toutes causes confondues11. L’amélioration de la capacité cardiorespiratoire est associée à un risque réduit de mortalité12. Les tests d’effort conviennent à l’évaluation des performances aérobiques et des réponses au traitement des maladies cardiovasculaires. Selon la disponibilité, les tests sont effectués sur un vélo ergomètre ou un tapis roulant. Une augmentation progressive de la charge de travail par minute est généralement utilisée, et les augmentations brusques sont évitées; Cela conduit à une réponse physiologique linéaire. Les variables les plus importantes dans les tests d’effort comprennent le temps total d’exercice, les équivalents métaboliques (MET) atteints, la fréquence cardiaque et les changements sur une ligne d’électrocardiogramme (ECG) entre le complexe QRS (ondes Q, R et S) et l’onde T (segment ST). Les tests d’effort cliniques ont peu de coûts et sont facilement accessibles13. Pour ces raisons, les tests d’effort, tels que le test de marche de 6 minutes, ont été largement utilisés dans les cliniques et devraient également être utilisés dans l’évaluation préclinique de nouvelles thérapies.

À notre connaissance, il n’existe pas de modèles de grands animaux bien décrits pour évaluer l’efficacité fonctionnelle de la thérapie génique ou d’autres thérapies novatrices. Par conséquent, le test d’effort cliniquement pertinent offre une excellente perspective pour évaluer l’efficacité de ces nouvelles thérapies dans le cadre préclinique.

Protocol

Toutes les expériences sont approuvées par le Conseil de l’expérimentation animale de l’Université de Finlande orientale. Ce protocole décrit un test d’effort sur tapis roulant cliniquement pertinent pour les porcs afin d’évaluer l’innocuité et l’efficacité de nouvelles thérapies pour les maladies cardiaques. Des porcs domestiques femelles pesant de 25 à 80 kg ont été utilisés pour la présente étude. Les animaux ont été obtenus d’une source commerciale (voir le tableau des matériau…

Representative Results

Il faut avoir de l’expérience de travail avec de gros animaux pour réussir ce protocole. Les chercheurs doivent être en mesure d’évaluer si un animal cesse de courir en raison de la fatigue ou du manque de motivation. L’enregistrement de la vitesse et de la distance peut aider à évaluer cela, car habituellement, les animaux manquant de motivation arrêtent totalement de courir, tandis que les animaux fatigués continuent à courir après avoir ralenti la vitesse (Figure 3). Si n?…

Discussion

Ce test d’effort pour gros animaux imite le test utilisé dans les cliniques, réduisant ainsi l’écart entre les critères d’évaluation entre les études précliniques et les essais cliniques. Il peut être appliqué pour évaluer l’efficacité de nouveaux traitements pour les maladies cardiovasculaires graves, telles que l’artériosclérose oblitérante, l’insuffisance cardiaque et les cardiopathies ischémiques. Les points de temps appliqués dans ce protocole peuvent varier en fonction du traitement test…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

L’auteur tient à remercier Minna Törrönen, Riikka Venäläinen, Heikki Karhunen et Inkeri Niemi du National Laboratory Animal Center pour leur aide dans le travail sur les animaux. Cette étude est soutenue par l’Académie finlandaise, l’ERC et la subvention CardioReGenix EU Horizon.

Materials

Defibrillator Zoll M series TO9K116790 All portable defribrillators will work
Defibrillator pads Philips M3713A All pads work, as long as the pads are compatible with the defibrillator
ECG electrodes Several providers Prefer ECG electrodes designed for exercise tests
Loop recorder Abbott Oy DM3500 Optional for rhythm monitoring
Patient monitor Schiller Argus LCM Plus 7,80,05,935 All portable ecg monitors will work
Pigs Emolandia Oy
Treadmill NordicTrack All treadmills with adjustable incline and speed are suitable for the exercise test.  The treadmill should be as long and wide as possible.
Ultrasound system Philips EPIQ 7 ultrasound
Various building materials Several providers For building fences, ramps and gates according to the Figure 1 and Figure 2
Various treats for the animals

References

  1. Virani, S., et al. Heart disease and stroke statistics-2020 update: A report from the American Heart Association. Circulation. 141 (9), e139 (2020).
  2. Townsend, N., et al. Epidemiology of cardiovascular disease in Europe. Nature Reviews Cardiology. 19 (2), 133-143 (2022).
  3. Knuuti, J., et al. 2019 ESC Guidelines for the diagnosis and management of chronic coronary syndromes: The Task Force for the diagnosis and management of chronic coronary syndromes of the European Society of Cardiology (ESC). European Heart Journal. 41 (3), 407-477 (2020).
  4. Ylä-Herttuala, S., Baker, A. H. Cardiovascular gene therapy: past, present, and future. Molecular Therapy. 25 (5), 1096-1106 (2017).
  5. Hedman, M., et al. Eight-year safety follow-up of coronary artery disease patients after local intracoronary VEGF gene transfer. Gene Therapy. 16 (5), 629-634 (2009).
  6. Rosengart, T. K., et al. Long-term follow-up of a phase 1 trial of angiogenic gene therapy using direct intramyocardial administration of an adenoviral vector expression the VEGF121 cDNA for the treatment of diffuse coronary artery disease. Human Gene Therapy. 24 (2), 203-208 (2013).
  7. Muona, K., Mäkinen, K., Hedman, M., Manninen, H., Ylä-Herttuala, S. 10-year safety follow-up in patients with local VEGF gene transfer to ischemic lower limb. Gene Therapy. 19 (4), 392-395 (2012).
  8. Leikas, A. J., et al. Long-term safety and efficacy of intramyocardial adenovirus-mediated VEGF-DΔNΔC gene therapy eight-year follow-up of phase I KAT301 study. Gene Therapy. 29 (5), 289-293 (2022).
  9. Telukuntla, K. S., Suncion, V. Y., Schulman, U. H., Hare, J. M. The advancing field of cell-based therapy: insights and lessons from clinical trials. Journal of the American Heart Association. 2 (5), e000338 (2013).
  10. Ylä-Herttuala, S., Bridges, C., Katz, M. G., Korpisalo, P. Angiogenic gene therapy in cardiovascular diseases: dream or vision. European Heart Journal. 38 (18), 1365-1371 (2017).
  11. Lähteenvuo, J., Ylä-Herttuala, S. Advances and challenges in cardiovascular gene therapy. Human Gene Therapy. 28 (11), 1024-1032 (2017).
  12. Ross, R., et al. Importance of assessing cardiorespiratory fitness in clinical practice: a case for fitness as a clinical vital sign: a scientific statement from the American Heart Association. Circulation. 134 (24), e653-e699 (2016).
  13. Sietsema, K. E., Stringer, W. W., Sue, D. Y., Ward, S. . Wasserman & Whipp’s Principles of Exercise Testing and Interpretation. 6th. , (2021).
  14. Darmadi, M. A., et al. Exercise-induced sustained ventricular tachycardia without structural heart disease: a case report. The American Journal of Case Reports. 21, e928242 (2020).
  15. Casella, G., Pavesi, P. C., Sangiorgio, P., Rubboli, A., Bracchetti, D. Exercise-induced ventricular arrhythmias in patients with healed myocardial infarction. International Journal of Cardiology. 40 (3), 229-235 (1993).
  16. Gimeno, J. R., et al. Exercise-induced ventricular arrhythmias and risk of sudden cardiac death in patients with hypertrophic cardiomyopathy. European Heart Journal. 30 (21), 2599-2605 (2009).
  17. Lelovas, P. P., Kostomitsopoulos, N. G., Xanthos, T. T. A comparative anatomic and physiologic overview of the porcine heart. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 53 (5), 432-438 (2014).
  18. Korpela, H., et al. AAV2-VEGF-B gene therapy failed to induce angiogenesis in ischemic porcine myocardium due to inflammatory responses. Gene Therapy. 29 (10-11), 643-652 (2022).
  19. Swindle, M. M. . Swine in the Laboratory: Surgery, Anesthesia, Imaging, and Experimental Techniques. 2nd edition. , (2007).
  20. Poole, D. C., et al. Guidelines for animal exercise and training protocols for cardiovascular studies. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 318 (5), H1100-H1138 (2020).

Play Video

Cite This Article
Määttä, A., Järveläinen, N., Lampela, J., Ylä-Herttuala, S. Exercise Test for Evaluation of the Functional Efficacy of the Pig Cardiovascular System. J. Vis. Exp. (195), e65233, doi:10.3791/65233 (2023).

View Video