Neuartiger perkutaner Ansatz für den Einsatz von 3D gedruckten koronaren Stenose-Implantaten in Schweinemodellen ischämischer Herzkrankheit

Zusammenfassung

Wir beschreiben eine neuartige, kostengünstige und effiziente Technik zur perkutanen Abgabe von dreidimensional bedruckten Koronarimplantaten, um geschlossene Schweinemodelle ischämischer Herzkrankheiten zu erstellen. Die Implantate wurden mit einem Mutter-Kind-Erweiterungskatheter mit hoher Erfolgsrate fixiert.

Zusammenfassung

Minimalinvasive Methoden zur Erstellung von Modellen der fokalen koronaren Verengung bei großen Tieren sind eine Herausforderung. Schnelles Prototyping mit dreidimensional (3D) gedruckten Koronarimplantaten kann verwendet werden, um perkutan eine fokale koronare Stenose zu erzeugen. Eine zuverlässige Lieferung der Implantate kann jedoch ohne den Einsatz von Zusatzgeräten schwierig sein. Wir beschreiben die Verwendung eines Mutter-Kind-Koronar-Führungskatheters zur Stabilisierung des Implantats und zur effektiven Abgabe des 3D-gedruckten Implantats an jeden gewünschten Ort entlang der Länge des Herzkranzgefäßes. Die fokale koronare Verengung wurde unter koronarer Cineangiographie bestätigt und die funktionelle Bedeutung der koronaren Stenose wurde mit gadolinium-verstärktem Herzperfusions-MRT untersucht. Wir zeigten, dass eine zuverlässige Abgabe von 3D-gedruckten Koronarimplantaten in Schweinemodellen (n = 11) ischämischer Herzerkrankungen durch die Umnutzung von Mutter-Kind-Koronar-Führungskathetern erreicht werden kann. Unsere Technik vereinfacht die perkutane Abgabe von koronaren Implantaten, um geschlossene Schweinemodelle der fokalen koronaren Arterienstenose zu erstellen und kann mit einer geringen Verfahrensfehlerrate zügig durchgeführt werden.

Einleitung

Ischämische Herzerkrankungen sind nach wie vor die Todesursache Nummer eins in den Vereinigten Staaten¹. Große Tiermodelle wurden experimentell verwendet, um Mechanismen zu verstehen und zu charakterisieren, die koronare Herzkrankheit (CAD) und damit verbundene Komplikationen (einschließlich Myokardinfarkt, arrhythmische Ereignisse und Herzinsuffizienz) antreiben, sowie zum Testen neuer Therapeutika oder diagnostischer Modalitäten. Die Ergebnisse dieser Studien haben dazu beigetragen, das Verständnis, die Diagnose und die Überwachung ischämischer Herzerkrankungen zu erweitern und die klinische Praxis voranzubringen². Mehrere Tiermodelle, darunter Kaninchen, Hunde und Schweine, wurden verwendet. Koronare Stenosen, insbesondere diskrete Läsionen, treten jedoch sehr selten bei diesen Tieren auf und sind schwer reproduzierbar zu induzieren³. Vorherige Arbeiten beschrieben die Schaffung von künstlichen koronaren Stenosen mit Ligation, Okkludern oder äußeren Klemmen. Kürzlich haben wir beschrieben, wie man die 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von koronaren Implantaten verwendet, mit denen man perkutan diskrete künstliche koronare Verengung erzeugen kann⁴. Mit hilfe computergestützter Designsoftware haben wir koronare Arterienimplantate als Hohlrohre mit unterschiedlichen Innen- und Außendurchmessern sowie Implantatlänge entwickelt und dann aus handelsüblichen Additivmaterialien gefertigt. Die Implantate sind glatte, hohle, 3D bedruckte Rohre mit abgerundeten Kanten. Wir haben eine Bibliothek von Implantatgrößen mit einem Bereich von Innendurchmesser, Außendurchmesser und Länge entworfen. Der Außendurchmesser des Implantats basiert auf der Größe des koronaren Führungskatheters. Der Innendurchmesser basiert auf der Größe eines deflationierten koronaren Angioplastieballons. Wir variierten die Länge des Implantats, um die gewünschte Schwere der Perfusion anzupassen. Eine sichere perkutane Lieferung solcher Geräte kann jedoch aufgrund des Mangels an Drähten und Kathetern, die speziell für den Einsatz bei großen Tieren hergestellt werden, eine Herausforderung darstellen. Im Gegensatz dazu steht eine umfangreiche Sammlung von Kathetern, Drähten und unterstützenden Geräten für den klinischen Einsatz in menschlichen Herzkranzgefäßen zur Verfügung. In dieser Arbeit zeigen wir, wie man einen klinischen Mutter-Kind-Herzkranz-Führungskatheter für die Lieferung der 3D-gedruckten Koronarimplantate umfunktioniert.

Der GuideLiner-Katheter (Abbildung 1A) wurde für die perkutane koronare Intervention (PCI) entwickelt, um tiefe Kathetersitze und eine erhöhte Unterstützung für komplexe Fälle zu ermöglichen⁵. In unserer Untersuchung wurde der GuideLiner-Katheter aufgrund der Vertrautheit von Gebrauch und Verfügbarkeit ausgewählt, aber ähnliche Katheter, sofern verfügbar, können ebenfalls in Betracht gezogen werden. Als "Mutter-Kind"-Führungskatheter (Abbildung 1B) passt das Gerät in einen typischen koronaren Führungskatheter ("Mutter") und ist ein koaxiales flexibles Rohr ("Kind"). Dieser Katheter kann über einen Führungsdraht eingesetzt werden und verlängert effektiv die Reichweite eines typischen koronaren Führungskatheters, indem er über das Ende des Koronarführers hinausreicht. Der GuideLiner oder ein ähnlicher Mutter-Kind-Katheter kann als zusätzliche Unterstützung für den Einsatz der 3D-gedruckten Koronarimplantate verwendet werden. Da die Implantate über Angioplastieballons montiert werden, die als Einheit über einen Koronardraht in das Gefäß eingesetzt werden sollen (Abbildung 1B,1C), bietet der Katheter zusätzliche Unterstützung, um das Implantat an die gewünschte Stelle zu bringen. Durch die Positionierung des Mutter-Kind-Katheters nur proximal zum Ballon bleibt das Implantat während der Ballondeflation und des Rückzugs an der gewünschten Stelle. Trotz einer gewissen Festigkeit seiner Struktur waren die einzigartige Fähigkeit des Mutter-Kind-Katheters, über einen Führungsdraht tief in die Herzkranzgefäße vorgerückt zu werden, und der radiopaque Marker an der Katheterspitze wesentliche Merkmale für die Implantation.

Unser montiertes Liefergerät bestand aus einem typischen koronaren Führungskatheter, dem Mutter-Kind-Katheter, und einem 3D-gedruckten Implantat, das auf einem deflationierten koronaren Angioplastieballon befestigt war(Abbildung 1B). Als funktionelle Abgabeeinheit sorgte der Mutter-Kind-Katheter nicht nur für eine stabile zusätzliche Unterstützung bei der Lieferung der Geräte, sondern wurde auch als Schervorrichtung zum Aufbewahren der Implantate während der Deflation und Entfernung des Ballons eingesetzt. Der Radiopaque-Marker an der Katheterspitze diente als Positionierführung für das montierte Gerät und sitzt proximal zum Angioplastieballon. Diese Eigenschaften ermöglichten den präzisen Einsatz der strömungsbegrenzenden Implantate. Das Verfahren wurde so konzipiert, dass es reproduzierbar, effizient und human für die tierischen Probanden ist.

In unserer Anwendung wurde die perkutane Mutter-Kind-Abgabetechnik zur Erstellung von Schweinemodellen mit fokaler koronarer Stenose zur Beurteilung der kontrastverstärkten Stress-Herzperfusions-Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt. Die Technik kann jedoch auch in anderen Untersuchungen eingesetzt werden, einschließlich Gefäßsystemen außerhalb der Herzkranzgefäße.

Protokoll

Wir führten die Experimente nach den Richtlinien des Animal Welfare Act, der National Institutes of Health und der American Heart Association on Research Animal Use durch. Unser Institutional Animal Care and Use Committee hat das Tierstudienprotokoll genehmigt.

1. Vorverfahrensvorbereitung von 3D-gedruckten koronaren Stenoseimplantaten

1. Mit einer Pinzette die bedruckten Implantate in einer 25%igen Heparinlösung tauchen, um die Thrombusbildung zu verhindern und die Luft für 24 h trocknen zu lassen.

2. Vorverfahrensvorbereitung von Tiergegenständen

1. Lassen Sie männliche Yorkshire-Schweine (SNS-Farmen, 30–45 kg) 1 Woche vor dem Versuchsdatum in der Einrichtung ankommen und lassen Sie sie sich akklimatisieren.
2. Halten Sie die Schweine in einem Fastenzustand nach Mitternacht am Tag vor dem Eingriff.

3. Verfahrensanästhesie

1. Sedate nieren Sie die Schweine mit intramuskulärem Ketamin (10 mg/kg) und intravenösem Midazolam (1 mg/kg).
2. Belüften Sie die Tiere mit einem Sauerstoff-Isofluran (1–2%) Mischung.
3. Führen Sie endotracheale Intubation durch, sobald das Tiersubjekt sediert ist.
4. Infuse intravenöses (IV) Rocuronium (2,5 mg/kg/h) und geben Sie zusätzliche Bolusen (1–3 mg/kg IV alle 20–30 min) wenn nötig, um eine diaphragmatische Immobilisierung zu erreichen.
5. Halten Sie eine chirurgische Ebene der Anästhesie während des gesamten Verfahrens durch die Überprüfung auf Erwachen, Bewegungen, breite Fluktuation in Vitalzeichen, und andere Anzeichen von Not oder Unbehagen während der Dauer des Experiments. Wir überwachten die Schweine für etwa 6 h unter Anästhesie.

4. Gefäßzugang

1. Mit der Seldinger-Technik fügen Sie die arteriellen und venösen Hüllen in die bilateralen Femoralarterien und Venen der Probanden ein.
2. Spülen Sie alle Katheteranschlüsse kontinuierlich mit heparinisierter Normalsaline.

5. Vorverfahrens-Medikamentenverabreichung

1. Amiodaron intramuskulär (1,5 mg/kg), Lidocain intravenös (2 mg/kg) und Esmolol intravenös (1 mg/kg) nach Bedarf zur Prophylaxe gegen Arrhythmie verabreichen. Geben Sie wiederholungslänsige Dosierungen von Amiodaron, Lidocain, und Esmolol nach Bedarf im Laufe des Experiments, um ventrikuläre Rhythmen zu unterdrücken und herzfrequenzreaktion zu steuern.
2. Nach dem Gefäßzugang verabreicht Heparin (5.000–10.000 Einheiten), um eine aktivierte Gerinnungszeit (ACT) >300 s zu halten. Überprüfen Sie die ACT im Laufe des Experiments stündlich und geben Sie zusätzliches intravenöses Heparin, je nach Bedarf, um das ACT-Ziel zu erhalten.

6. Hämodynamische Überwachung

1. Verwenden Sie eine einzige laterale Elektrokardiographie (EKG) Brustleitung, um Veränderungen im ST-Segment, T-Wellen und Herzfrequenz während des gesamten Versuchszeitraums aufzuzeichnen.
2. Verwenden Sie einen Druckaufnehmer, um kontinuierlichen oberschenkeliellen Arteriendruck während des gesamten Verfahrens aufzuzeichnen.
3. Befestigen Sie ein Pulsoximeter am Ohr oder der Lippe des Tieres, um kontinuierliche Pulsoximetrieaufnahmen zu machen.

7. Vorbereitung von Implantatförderanlagen

1. Vor der Durchführung der koronaren Angiographie, legen Sie einen deflationierten NC Trek Over-the-Wire Koronarballon durch einen Mutter-Kind-Katheter der gewünschten Größe, so dass die Ballonspitze über die Spitze des Katheters hinaus reicht.
2. Montieren Sie das 3D-gedruckte Implantat auf den deflationierten Angioplastieballon, so dass das Implantat zwischen den Markern des Ballons und in der Nähe des proximalen Markers positioniert ist (Abbildung 1B).
3. Aufblasen Sie den Ballon mit einem Insufflator auf 2-3 atm, um das Implantat auf den Ballon zu fixieren. Stellen Sie sicher, dass das Implantat näher an der proximalen Hälfte des Ballons positioniert ist, sodass es dem Mutter-Kind-Katheter am nächsten ist, wenn es zur Entfernung bereit ist (Abbildung 1B).

8. Koronare Angiographie und Einsatz von Koronarimplantaten

1. Positionieren Sie den fluoroskopischen C-Arm in der Anteroposterior(AP)-Projektion.
2. Befestigen Sie ein Steuerventil (siehe Materialtabelle) an einem linken oder rechten koronaren Führungskatheter (siehe Materialtabelle).
3. Stellen Sie den Führungskatheter über einen J-Spitzendraht durch die rechte Oberschenkelarterienscheide vor und bringen Sie den Katheter unter fluoroskopischer Anleitung zur Aortenwurzel vor.
4. Greifen Sie selektiv (oder nichtselektiv) den Katheter in die linke Hauptherzkranzgefäße (LMCA) ein und injizieren Sie 5 ml iodierten Kontrast unter Fluoroskopie, um das linke Koronarsystem zu visualisieren.
5. Positionieren Sie den Führungskatheter in Richtung LMCA für das zweite Angiogramm (Abbildung 2). Wenn sich das koronare Eingreifen der Herzarterie nasorisch als schwierig erweist, was zum Teil auf den kurzen Aortenbogen der Schweine zurückzuführen ist, sollten Sie nicht-selektive Angiogramme durchführen, solange sie eine angemessene Visualisierung der Gefäße ermöglichen.
6. Sobald Sie innerhalb des LMCA unter Fluoroskopie eingebunden oder in der Nähe des LMCA positioniert sind, bringen Sie einen 0,014" 300 cm koronaren Draht (siehe Materialtabelle)in die LMCA vor und bringen Den Draht weiter zur distalen linken vorderen vorderen Arterie (LAD) oder linksumrundflexenherzigen Herzkranzgefäß (LCX) auf Wunsch vor (Abbildung 3).
7. Unter fluoroskopischer Führung den zuvor montierten Mutter-Kind-Katheter mit dem aufgeblasenen koronaren Angioplastieballon einstecken und über den Koronardraht implantieren und an die gewünschte Stelle entlang des Herzkranzgefäßes vorrücken. Injizieren Sie 5 ml iodinierten Kontrast, um eine diskrete Verengung an der gewünschten Stelle zu visualisieren, an der das koronare Implantat eingesetzt werden soll (Abbildung 4).
8. Sobald das Implantat in Position ist, bringen Sie den Mutter-Kind-Katheter zum proximalen Marker des aufgeblasenen Ballons.
9. Entleeren Sie den Ballon und ziehen Sie ihn durch den Mutter-Kind-Katheter. Dieser Prozess ermöglicht es dem Mutter-Kind-Katheter, das Implantat beim Einziehen aus dem Ballon zu scheren und fixiert die Position des Implantats im angegebenen Segment des Gefäßes.
10. Entfernen Sie den Ballon, den Mutter-Kind-Katheter und den Koronardraht.
11. Führen Sie abschließende Angiogramme durch, um den Standort der neuen künstlichen Stenose im Gefäß zu dokumentieren. Wenn möglich, sollten Angiogramme in zwei orthogonalen Ansichten durchgeführt werden, um eine visuelle Schätzung der Schwere der Stenose zu erhalten. Eine abschließende Angiographie (Abbildung 5) kann auch mit subselektiver Positionierung des Mutter-Kind-Katheters im proximalen Gefäß durchgeführt werden, was eine hervorragende Trübung mit minimalem Kontrast bietet.
12. Übertragen Sie das Tier sofort in die MR-Suite, um sich einer Herzstress-Perfusion-MRT mit Gadobutrol (0,1 mM/kg) zu unterziehen, die mit einer Rate von 2 ml/sec injiziert werden.
    HINWEIS: Das verwendete Spannungsmittel war eine 4 min Infusion von Adenosin bei 300 g/kg/min. Das Bildgebungsprotokoll umfasste 1) Cine Imaging (Sichtfeld [FOV] = 292 x 360 mm, Matrixgröße = 102 x 126, Wiederholungszeit [TR] = 5,22 ms, Echozeit [TE] = 2,48 ms, Scheibendicke = 6 mm, Pixelbandbreite = 450 Hz, Drehwinkel = 12°); 2) Erstdurchgangsperfusion im Ruhezustand und in spitzenadenadenosiner Vasodilatatorspannung mit einer verdorbenen Gradientenechosequenz (FOV = 320 x 320 mm, Matrixgröße = 130 x 130, TR = 2,5 ms, TE = 1,1 ms, Scheibendicke = 10 mm, Pixelbandbreite = 650 Hz, Drehwinkel = 12°; und 3) späte Gadolinium-Verbesserungs-Bildgebung mit einer EKG-Gated, segmentiert, verdorbene Gradient-Echo-Phase-sensitive-Inversion-Recovery-Sequenz (FOV = 225 x 340 mm, Matrixgröße = 131 x 175 mm, TR = 5,2 ms, TE = 1,96 ms, Scheibendicke = 8 mm, Inversionszeit (TI) = optimiert, um das Myocardium zunichte zu machen, p ixel Bandbreite = 465 Hz, Drehwinkel = 20°). Ein illustratives Durchgussbild mit erstem Pass ist in Abbildung 6dargestellt.
13. Nach Abschluss des MRT-Protokolls die Schweine durch eine Infusion von Natriumpentobarbital (100 mg/kg) einschläfern.
14. Führen Sie eine laterale Thorakotomie durch, verbrauchen Sie das Herz und sezieren Sie das Ex-vivo-Herz, um die Herzkranzgefäße freizulegen. Beachten Sie die Position des Implantats in Beziehung zu den diagonalen Zweigen (LAD-Territorium) oder stumpfen Randzweige (LCX-Territorium), und rufen Sie die Implantate ab.
15. Mit einer abgestumpften und gekrümmten Metzenbaum-Schere öffnen Sie das Herzkranzgefäß und inspizieren Sie das Gefäß auf grobe Verletzungen (siehe Abbildung 7). Fotografieren Sie das Herzgewebe für grobe Pathologie und Flecken mit Triphenyltetrazoliumchlorid, um Myokardinfarkt auszuschließen (siehe Abbildung 8).

Ergebnisse

Nach anfänglicher Optimierung des Verfahrens wurde die Interventionskomponente innerhalb von 30 min abgeschlossen. Die Implantate wurden erfolgreich in allen 11 Probanden (100%) abgegeben. Das Implantat wurde bei der Autopsie bei allen 11 Probanden (100%) geborgen. Unter Verwendung der diagonalen Zweige (entlang des LAD) oder stumpfen Randzweige (entlang des LCX) als Positionsmarker fanden wir die Position des Implantats bei fluoroskopgesteuertem Einsatz und bei der Autopsie in 10 der 11 (91%) konsistent. Probanden, bei...

Diskussion

In dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf eine neuartige perkutane Einsatzstrategie für koronare Stenose-induzierende Implantate und zeigten, dass ein Mutter-Kind-Katheter für eine effektive perkutane Abgabe von 3D-gedruckten koronaren Implantaten umfunktioniert werden kann. Diskrete künstliche Koronarsteosen mit variablem Schweregrad können schnell in Schweinemodellen mit hoher Erfolgsrate und auf minimalinvasive Weise mit standardmenschlichen perkutanen koronaren Interventionstechniken und Geräten entstehen. Die...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-Printed coronary implants	Study Site Manufactured
Amiodarone IV solution	Study Site Pharmacy
Amplatz Left-2 (AL-2) guide catheter (8F)	Boston Scientific, Marlborough, Massachusetts, USA
Balance Middleweight coronary wire (0.014” 300cm)	Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA
COPILOT Bleedback Control valve	Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA
Esmolol IV solution (1 mg/kg)	Study Site Pharmacy
Formlabs Form 2 3D-printer with a minimum XY feature size of 150 µm	Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA
Formlabs Grey Resin (implant material)	Formlabs Inc., Somerville, Massachusetts, USA
Gadobutrol 0.1 mmol/kg	Gadvist, Bayer Pharmaceuticals, Wayne, NJ
GuideLiner catheter (6F)	Vascular Solutions Inc., Minneapolis, Minnesota, USA
Heparin IV solution	Surface Solutions Laboratories Inc., Carlisle, Massachusetts, USA
Ketamine IM solution (10 mg/kg)	Study Site Pharmacy
Lidocaine IV solution	Study Site Pharmacy
Male Yorkshire swine (30-45 kg)	SNS Farms
Midazolam IV solution	Study Site Pharmacy
NC Trek over-the-wire coronary balloon	Abbott Laboratories, Abbott Park, Illinois, USA
Oxygen-isoflurane 1-2% inhaled mixture	Study Site Pharmacy
Rocuronium IV solution	Study Site Pharmacy
Sodium Pentobarbital IV solution (100mg/kg)	Study Site Pharmacy
Triphenyltetrazolium chloride stain	Institution Pathology Lab