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Method Article
Das vorliegende Protokoll beschreibt die Aortenkanülierung und die retrograde Perfusion des ex-vivo neonatalen murinen Herzens. Eine Zwei-Personen-Strategie mit einem Seziermikroskop und einer abgestumpften kleinen Messnadel ermöglicht eine zuverlässige Kanülierung. Die Quantifizierung der longitudinalen kontraktilen Spannung erfolgt mit einem Kraftaufnehmer, der mit der Spitze des linken Ventrikels verbunden ist.
Die Verwendung des ex-vivo retrograden perfundierten Herzens ist seit seiner Entwicklung durch Oskar Langendorff vor über einem Jahrhundert ein Eckpfeiler der Ischämie-Reperfusionsuntersuchung. Obwohl diese Technik in den letzten 25 Jahren auf Mäuse angewendet wurde, war ihre Verwendung bei dieser Art auf erwachsene Tiere beschränkt. Die Entwicklung einer erfolgreichen Methode zur konsequenten Kanülierung der neonatalen murinen Aorta würde die systematische Untersuchung des isolierten retrograden perfundierten Herzens während einer kritischen Phase der kardialen Entwicklung in einer genetisch veränderbaren und kostengünstigen Spezies ermöglichen. Die Modifikation des Langendorff-Präparats ermöglicht die Kanülierung und Etablierung der Reperfusion im neonatalen murinen Herzen bei gleichzeitiger Minimierung der ischämischen Zeit. Die Optimierung erfordert eine Zwei-Personen-Technik, um eine erfolgreiche Kanülierung der neugeborenen Mausaorta mit einem Seziermikroskop und einer modifizierten handelsüblichen Nadel zu ermöglichen. Die Verwendung dieses Ansatzes wird die retrograde Perfusion innerhalb von 3 Minuten zuverlässig etablieren. Da die Zerbrechlichkeit des neonatalen Mausherzens und der Ventrikelhöhle die direkte Messung des mit einem Ballon erzeugten intraventrikulären Drucks verhindert, ist die Verwendung eines Kraftwandlers erforderlich, der durch eine Naht mit der Spitze des linken Ventrikels verbunden ist, um die kontraktile Längsspannung zu quantifizieren. Diese Methode ermöglicht es den Forschern, erfolgreich eine isolierte retrograde-perfundierte Neugeborenen-Herzvorbereitung für Neugeborene zu etablieren, die das Studium der Entwicklungskardiologie in einer Ex-vivo-Weise ermöglicht. Wichtig ist, dass dieses Modell ein leistungsfähiges Werkzeug sein wird, um die physiologischen und pharmakologischen Reaktionen auf die Ischämie-Reperfusion im neonatalen Herzen zu untersuchen.
Ex-vivo-Herzpräparate sind seit über einem Jahrhundert ein fester Bestandteil physiologischer, pathophysiologischer und pharmakologischer Studien. Ausgehend von der Arbeit von Elias Cyon in den 1860er Jahren passte Oskar Langendorff das isolierte Froschmodell für die retrograde Perfusion an und setzte die Aortenwurzel unter Druck, um den Koronarfluss mit einem sauerstoffhaltigen Perfusat1 zu gewährleisten. Mit seiner Adaption konnte Langendorff einen Zusammenhang zwischen Koronarzirkulation und mechanischer Funktion2 nachweisen. Das ex-vivo retrograde perfundierte Herz, später namensgebend als Langendorff-Technik bezeichnet, ist ein Eckpfeiler der physiologischen Untersuchung geblieben und nutzt seine Einfachheit, um das isolierte Herz in Abwesenheit potenzieller Störfaktoren kraftvoll zu untersuchen. Das Langendorff-Präparat wurde weiter modifiziert, damit das Herz ausstoßen kann (das sogenannte "Arbeitsherz") und das Perfusat rezirkulierenkann 3. Die primären physiologischen Endpunkte von Interesse sind jedoch unverändert geblieben. Zu diesen Endpunkten gehören Messungen der kontraktilen Funktion, der elektrischen Leitung, des Herzstoffwechsels und des Koronarwiderstands4.
Um die Herzfunktion in seiner ursprünglichen Froschherzvorbereitung zu bewerten, maß Langendorff die Spannung, die durch die ventrikuläre Kontraktion in der Längsachse erzeugt wird, mit einer Naht, die zwischen der Herzspitze und einem Kraftaufnehmer verbunden ist. 5 Die isometrische Kontraktion wurde auf diese Weise quantifiziert, wobei die Basalspannung in Abwesenheit einer ventrikulären Füllung auf das Herz ausgeübt wurde. Die Verfeinerung des Ansatzes hat dazu geführt, dass flüssigkeitsgefüllte Ballons über den linken Vorhof in den linken Ventrikel platziert wurden, um die Myokardleistung während der isovonomen Kontraktionzu bewerten 6. Um den Herzrhythmus und die Herzfrequenz zu beurteilen, können Oberflächenleitungen an den Polen des Herzens platziert werden, damit die Forscher das Elektrokardiogramm aufzeichnen können. Angesichts der obligatorischen Denervierung ist jedoch mit einer relativen Bradykardie zu rechnen. Extrinsisches Pacing kann dazu dienen, dies zu überwinden und die Herzfrequenzvariabilität zwischen den Experimentenzu eliminieren 1. Ein weiteres Ergebnismaß, der Myokardstoffwechsel, kann beurteilt werden, indem der Sauerstoff- und Stoffwechselsubstratgehalt im Koronarperfusat und -abwasser gemessen und die Differenz zwischen ihnen berechnetwird 7. Die Laktatquantifizierung im Koronarabwasser kann bei der Charakterisierung von Perioden des anaeroben Stoffwechsels helfen, wie sie bei Hypoxie, Hypoperfusion, Ischämie-Reperfusion oder metabolischen Störungen beobachtetwerden 7.
Langendorffs ursprüngliche Arbeit ermöglichte die Untersuchung des Ex-vivo-Säugetierherzens unter Verwendung von Katzen als Hauptfach5. Die Bewertung des isolierten Rattenherzens gewann Mitte der 1900er Jahre an Popularität bei Howard Morgan, der 1967 das Rattenmodell des "arbeitenden Herzens" detailliertbeschrieb 5. Der Einsatz von Mäusen begann erst vor 25 Jahren aufgrund der technischen Komplexität, der Gewebezerbrechlichkeit und der relativ geringen murinen Herzgröße. Trotz der Herausforderungen, die mit der Untersuchung von Mäusen verbunden sind, haben die niedrigeren Kosten und die Leichtigkeit der genetischen Manipulation die Attraktivität und Nachfrage solcher murinen Ex-vivo-Präparate erhöht. Leider war die Anwendung der Technik auf erwachsene Tiere beschränkt, wobei juvenile 4 Wochen alte Mäuse die jüngsten Probanden waren, die bis vor kurzem für Ex-vivo-Studien verwendet wurden 8,9. Während juvenile Mäuse im Vergleich zu Erwachsenen "relativ unreif" sind, ist ihr Nutzen als Probanden für entwicklungsbiologische Studien begrenzt, da sie im Großen und Ganzen von ihrer Muttermutter entwöhnt wurden und bald in die Pubertätkommen werden 10. Die Adoleszenz tritt weit über den postnatalen Übergang in der myokardialen Substratverwertung von Glukose und Laktat zu Fettsäurenhinaus auf 11. So sind die meisten Informationen über die metabolischen Veränderungen im neonatalen Herzen historisch aus der Ex-vivo-Arbeit bei größeren Arten wie Kaninchen und Meerschweinchenentstanden 11.
Tatsächlich gibt es alternative Ansätze für die Langendorff-Vorbereitung. Dazu gehören In-vitro-Experimente, denen die gesamten funktionellen Daten und der Kontext des Organs fehlen, oder In-vivo-Studien. Dies kann technisch herausfordernd und kompliziert sein, indem Variablen wie die kardiovaskulären und respiratorischen Wirkungen eines erforderlichen Anästhetikums, der Einfluss des neurohumoralen Inputs, die Folgen der Kerntemperatur, der Ernährungszustand des Tieres und die Substratverfügbarkeit12,13 vermischt werden. Da der Langendorff-Ansatz die Untersuchung des isoliert-perfundierten Herzens in einer Ex-vivo-Weise in einer kontrollierteren Weise in Abwesenheit solcher Störfaktoren ermöglicht, wurde und wird er als ein leistungsfähiges Prüfinstrument angesehen. Daher gibt die hier vorgestellte Technik den Forschern einen experimentellen Ansatz für die Ex-vivo-Studie des neugeborenen murinen Herzens und begrenzt die Zeit bis zur Reperfusion.
Die Untersuchung des Herzens in Entwicklungsphasen ist angesichts der weitreichenden biochemischen, physiologischen und anatomischen Übergänge, die während der Myokardreifung auftreten, eine wichtige Überlegung. Verschiebungen vom anaeroben Stoffwechsel zur oxidativen Phosphorylierung, Veränderungen in der Substratverwertung und Progression von der Zellproliferation zur Hypertrophie sind dynamische Prozesse, die einzigartig im unreifen Herzen auftreten11,14. Ein weiterer kritischer Aspekt des sich entwickelnden Herzens ist, dass Stressoren, die während der notwendigen Perioden auftreten, erhöhte Reaktionen im neugeborenen Herzen hervorrufen und die zukünftige Anfälligkeit für Beleidigungen im Erwachsenenalter verändernkönnen 15. Obwohl frühere Arbeiten neugeborene Ratten, Lämmer und Kaninchen zur Untersuchung des Langendorff-perfundierten neonatalen Herzens verwendet haben, sind angesichts der Bedeutung dieser Spezies für die entwicklungsbiologische Forschung16 Fortschritte erforderlich, die die Verwendung von Mäusen ermöglichen. Um diesem Bedürfnis gerecht zu werden, wurde kürzlich das erste murine Langendorff-perfundierte neugeborene Herzmodell mit 10 Tage alten Tieren etabliert6. Hier wird eine Methode vorgestellt, um eine erfolgreiche Aortenkanülierung zu ermöglichen und eine retrograde Perfusion des isolierten neugeborenen murinen Herzens zu etablieren. Dieser Ansatz kann für Pharmakologie, Ischämie-Reperfusion oder Stoffwechselstudien verwendet werden, die sich auf die Funktion des gesamten Organs konzentrieren, oder kann für die Isolierung von Kardiomyozyten angepasst werden.
Für alle beschriebenen Methoden wurden die Zulassungen des Institutional Animal Care and Use Committee des Columbia University Medical Center eingeholt. Wildtyp C57Bl/6 männliche postnatale Tag 10 Mäuse wurden für die Studie verwendet.
1. Vorbereitung der Langendorff-Apparatur
2. Herstellung von Aortenkanülen
3. Organraub
4. Kanülierung
5. Funktionsmessung
P10-Mäuse wurden verwendet, um einen Zeitpunkt im menschlichen Säuglingsalter zu modellieren26,27. Fünfzehn isolierte C57Bl/6 neugeborene Mausherzen wurden erfolgreich geerntet und kanüliert. Die Herzen wurden mit einem kontinuierlichen Fluss von 2,5 ml min-1 erwärmtem sauerstoffhaltigem KHB durchblutet. Metabolische Parameter, einschließlich Glukoseextraktion, Sauerstoffverbrauch, Laktatproduktion und physiologische Parameter wie Herzfrequenz, P...
Die vorliegende Arbeit beschreibt eine erfolgreiche Aortenkanülierung und retrograde Perfusion im isolierten neugeborenen Mausherzen. Wichtig ist, dass es den Forschern ermöglicht, die Barrieren zu überwinden, die das Alter junger Mäuse und die geringe Herzgröße zuvor8 dargestellt haben. Obwohl der Ansatz im Design nicht komplex ist, erfordert er ein erhebliches Maß an technischem Können. Schlüsselschritte, die selbst die technisch versiertesten Ermittler unweigerlich herausfordern werden...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
NIH/NINDS R01NS112706 (R.L.)
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Rodent Langendorff Apparatus | Radnoti | 130102EZ | |
24 G catheter | BD | 381511 | |
26 G needle on 1 mL syringe combo | BD | 309597 | |
26 G steel needle | BD | 305111 | |
5-0 Silk Suture | Ethicon | S1173 | |
Bio Amp | ADInstruments | FE135 | |
Bio Cable | ADInstruments | MLA1515 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901-100G | |
Circulating heating water Bath | Haake | DC10 | |
curved iris scissor | Medline | MDS10033Z | |
dissecting microscope | Nikon | SMZ-2B | |
find spring scissors | Kent | INS600127 | |
Force Transducer | ADInstruments | MLT1030/D | |
glucose | Sigma-Aldrich | G8270-100G | |
Heparin | Sagent | 400-01 | |
High pressure tubing | Edwards Lifesciences | 50P184 | |
iris dressing forceps | Kent | INS650915-4 | |
Jeweler-style curved fine forceps | Miltex | 17-307-MLTX | |
KCl | Sigma-Aldrich | P3911-25G | |
KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P0662-25G | |
MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506-500G | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S9888-25G | |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6014-25G | |
Roller Pump | Gilson | Minipuls 3 | |
straight dissecting scissors | Kent | INS600393-G | |
Temporary cardiac pacing wire | Ethicon | TPW30 | |
Wide Range Force Transducer | ADInstruments | MLT1030/A |
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