Chirurgisches Schweinemodell der chronischen Myokardischämie, das mit einem mit Exosomen beladenen Kollagenpflaster und einem Bypass-Transplantat der Koronararterien behandelt wird

Zusammenfassung

Diese Studie stellt ein chirurgisches Schweinemodell der chronischen Myokardischämie aufgrund einer progressiven Koronararterienstenose vor, die zu einer Beeinträchtigung der Herzfunktion ohne Infarkt führt. Nach einer Ischämie werden die Tiere einer Bypass-Transplantation außerhalb der Pumpe unterzogen, bei der ein mit Stammzellen gewonnenes Exosomen-beladenes Kollagenpflaster epikardial platziert wird. Diese Zusatztherapie verbessert die Myokardfunktion und die Genesung.

Zusammenfassung

Chronische Myokardischämie infolge einer progressiven Koronararterienstenose führt zu einem überwinternden Myokard (HIB), definiert als Myokard, das sich an eine verringerte Sauerstoffverfügbarkeit anpasst, indem es die Stoffwechselaktivität reduziert und so irreversible Kardiomyozytenverletzungen und Infarkte verhindert. Dies unterscheidet sich vom Myokardinfarkt, da HIB das Potenzial für eine Genesung mit Revaskularisation hat. Patienten mit signifikanter koronarer Herzkrankheit (KHK) leiden unter chronischer Ischämie, wodurch sie einem Risiko für Herzinsuffizienz und plötzlichen Tod ausgesetzt sind. Der chirurgische Standardeingriff bei schwerer KHK ist die Bypass-Operation der Koronararterien (CABG), aber es hat sich gezeigt, dass es sich um eine unvollkommene Therapie handelt, aber es gibt keine Zusatztherapien, um Myozyten wiederherzustellen, die an chronische Ischämie angepasst sind. Um diese Lücke zu schließen, wurde ein chirurgisches Modell von HIB mit Schweinen verwendet, das für CABG geeignet ist und das klinische Szenario nachahmt. Das Modell umfasst zwei Operationen. Bei der ersten Operation wird ein 1,5 mm starrer Constrictor an der linken vorderen absteigenden Arterie (LAD) implantiert. Während das Tier wächst, verursacht der Constrictor allmählich eine signifikante Stenose, die zu einer verminderten regionalen systolischen Funktion führt. Sobald die Stenose 80% erreicht, werden der Myokardfluss und die Funktion beeinträchtigt, wodurch eine HIB entsteht. Anschließend wird eine Off-Pump-CABG mit der linken inneren Brustarterie (LIMA) durchgeführt, um die ischämische Region zu revaskularisieren. Das Tier erholt sich einen Monat lang, um eine optimale Verbesserung des Myokards vor der Tötung zu ermöglichen. Dies ermöglicht physiologische und Gewebestudien verschiedener Behandlungsgruppen. Dieses Tiermodell zeigt, dass die Herzfunktion trotz CABG beeinträchtigt bleibt, was auf die Notwendigkeit neuartiger ergänzender Interventionen hindeutet. In dieser Studie wurde ein Kollagenpflaster entwickelt, das mit mesenchymalen Stammzellen (MSC)-abgeleiteten Exosomen eingebettet ist und chirurgisch auf die epikardiale Oberfläche distal der LIMA-Anastomose aufgebracht werden kann. Das Material passt sich dem Epikard an, ist resorbierbar und bildet das Gerüst für die verzögerte Freisetzung von Signalfaktoren. Diese regenerative Therapie kann die Erholung des Myokards stimulieren, die nicht nur auf die Revaskularisierung reagiert. Dieses Modell lässt sich auf den klinischen Bereich übertragen, indem es physiologische und mechanistische Untersuchungen zur Genesung von HIB ermöglicht.

Einleitung

Weltweit sind über hundert Millionen Patienten von schwerer KHK betroffen, und obwohl die Sterblichkeitsrate gesunken ist, bleibt sie eine der häufigsten Todesursachen ^1,2. CAD hat ein breites klinisches Spektrum von Myokardinfarkt (MI) bis hin zu Ischämie mit erhaltener Lebensfähigkeit. Die meisten präklinischen Forschungen konzentrieren sich auf MI, das durch das Vorhandensein von infarktiertem Gewebe gekennzeichnet ist, wie es in kleinen und großen Tiermodellen untersucht werden kann. Dieses Modell richtet sich jedoch nicht an Patienten mit erhaltener Lebensfähigkeit, die für eine Revaskularisierung zugängl....

Protokoll

Die Institutional Animal Care and Use Committees (IACUC) des Minneapolis VA Medical Center und der University of Minnesota haben alle Tierversuche genehmigt. Die aktuellen Richtlinien der National Institutes of Health (NIH) für die Verwendung und Pflege von Labortieren wurden befolgt.

1. Isolierung mesenchymaler Stammzellen und Präparation und Charakterisierung von Exosomen

1. Isolierung von mesenchymalen Stammzellen (MSCs) aus dem Knochenmark
   1. Entnehmen Sie 30-50 ml steriles Knochenmark aus dem Brustbein oder Schienbein eines 20 Wochen alten weiblichen Yorkshire-Landrassenschweins. Führen Sie dazu eine interos....

Diskussion

Diese Studie stellt das erste Schweinemodell des chronisch ischämischen Myokards vor, in dem gezeigt wurde, dass die Behandlung mit einem MSC-abgeleiteten Exosom-beladenen Kollagenpflaster während der chirurgischen Revaskularisierung die diastolische und systolische Funktion nach inotroper Stimulation wiederherstellt, möglicherweise durch gezielte mitochondriale Erholung. Zuvor wurde gezeigt, dass in einem Großtiermodell der HIB die diastolische und systolische Funktion, gemessen durch Herz-MRT, beeinträchtigt bleib.......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
5 Ethibond	Ethicon	MG46G	Suture
# 40 clipper blade	Oster	078919-016-701	Remove hair from surgery sites
0 Vicryl	Ethicon	J208H	Suture
1 mL Syringe	Medtronic/Covidien	1188100777	Administer injectable agents
1" medical tape	Medline	MMM15271Z	Secure wound dressing and IV catheters
1000mL 0.9% Sodium chloride	Baxter	2B1324X	IV replacement fluid
12 mL Syringe	Medtronic/Covidien	8881512878	Administer injectable agents
18 ga needles	BD	305185	Administration of injectable agents
20 ga needles	BD	305175	Administration of injectable agents
20 mL Syringe	Medtronic/Covidien	8881520657	Administer injectable agents
2-0 Vicryl	Ethicon	J317H	Suture
250 mL 0.9% saline	Baxter	UE1322D	Replacement IV Fluid
3 mL Syinge	Medtronic/Covidien	1180300555	Administer injectable agents
3-0 Vicryl	Ethicon	VCP824G	Suture
36” Pressure monitoring tubing	Smith’s Medical	MX563	Connect art. Line  to transducer
4.0 mm ID endotracheal tube	Medline	DYND43040	Establish airway for Hibernation
4-0 Tevdek II Strands	Deknatel	7-922	Suture to secure constrictor around LAD
48” Pressure monitoring tubing	Smith’s Medical	MX564	Connect art. Line  to transducer
500mL 0.9% Sodium chloride	Baxter	2B1323Q	Drug delivery, Provide mist for Blower Mister
6  mL Syringe	Medtronic/Covidien	1180600777	Administer injectable agents
6.0 mm ID endotracheal tube	Mallinckrodt	86049	Establish airway for Revasc,MRI and Termination
6.5 mm ID endotracheal tube	Medline	DYND43065	Establish airway for Revasc,MRI and Termination
6” pressure tubing line	Smith’s Medical	MX560	Collect bone marrow
60 mL Syringe	Medtronic/Covidien	8881560125	Administer injectable agents
7.0 mm ID endotracheal tube	Medline	DYND43070	Establish airway for Revasc,MRI and Termination
7-0 Prolene	Ethicon	M8702	Suture
Advanced DMEM (1X)	ThermoFisher Scientific	12491023
Alcohol Prep pads	MedSource	MS-17402	Skin disinfectant
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Unit	Millipore Sigma	UFC910024
Anesthesia Machine	Drager	Fabious Trio	maintains general anesthesia
Anesthesia Machine + ventilator	DRE Drager- Fabius Tiro	DRE0603FT	Deliver Oxygen and inhalant to patient
Anesthesia Monitor	Phillips  Intellivue	MP70	Multiparameter for patient safety
Arterial Line Kit	Arrow	ASK-04510-HF	Femoral catheter for blood pressure monitoring
Artificial Tears	Rugby	0536-1086-91	Lubricate eyes to prevent corneal drying
Bair Hugger	3M	Model 505	Patient Warming system
Basic pack	Medline	DYNJP1000	Sterile drapes and table cover
Blood Collection Tubes- green top	Fisher Scientific	02-689-7	Collect microsphere blood samples
Blower Mister Kit	Medtronic/Covidien	22120	Clears surgical field for vessel anastomosis
BODIPY TR Ceramide	ThermoFisher Scientific	D7540
Bone marrow needle- 25mm 15 ga IO needle	Vidacare	9001-VC-005	Collect bone marrow
Bone Wax	Medline	ETHW31G	Hemostasis of cut bone
Bovie Cautery hand piece	Covidien	E2516	Hemostasis
Bupivicaine	Pfizer	00409-1161-01	Local Anesthetic
Buprenorphine 0.3 mg/mL	Sigma Aldrich	B9275	Pre operative Analgesic for survivial procedures
Cell Scrapers	Corning	353085
Cephazolin 1 gr	Pfizer	00409-0805-01	Antibiotic
Chest Tube	Covidien	8888561043	Evacuates air from chest cavity
Cloroprep	Becton Dickenson	260815	Surgical skin prep
Corning bottle-top vacuum Filter System (500mL)	Millipore Sigma	430758
CPT tube	BD	362753	MSC isolation from bone marrow
Delrin Constrictor	U of MN	Custom made	Creates stenosis of LAD
Dermabond	Ethicon	DNX12	Skin adhesive
DMEM (1X) Dulbecco's Modified Eagle Medium, HEPES	ThermoFisher Scientific	12430062
Dobutamine 12.5 mg/mL	Pfizer	00409-2344-01	Increases blood pressure and heart rate during the second microsphere blood collection
ECG Pads	DRE	1496	Monitor heart rhythm
Exosome-Depleted FBS	ThermoFisher Scientific	A2720801
Falcon Disposable Polystyrene Serological Pipets, Sterile, 10mL	Fisher Scientific	13-675-20
Femoral and carotid introducer	Cordis- J&J	504606P	femoral and carotis cannulas
Fetal Bovine Serum, Heat Inactivated, Gibco FBS	ThermoFisher Scientific	16140089
Flo-thru 1.0	Baxter	FT-12100	used to anastomos LIMA to L
Flo-thru 1.25	Baxter	FT-12125	FT-12125
Flo-thru 1.5	Baxter	FT-12150	FT-12150
Flo-thru 2.0	Baxter	FT-12200	FT-12200
GlutaMAX Supplement	ThermoFisher Scientific	35050061
Hair Clipper	Oster	078566-011-002	Remove hair from surgery sites
Helistat collagen sponge	McKesson	570973 1690ZZ	Sponge for embedding exosomes
Heparin	Pfizer	0409-2720-03	anticoaggulant
Histology Jars	Fisher Scientific	316-154	Formalin for tissue samples
HyClone Characterized Fetal Bovine Serum (FBS)	Cytiva	SH30071.03
Hypafix	BSN Medical	4210	Secure wound dressing and IV catheters
Isoflurane	Sigma Aldrich	CDS019936	General Anesthestic- Inhalant
IV Tubing for Blower Mister	Carefusion	42493E	Adapts to IV Fluids for Blower/Mister
Jelco 18 ga IV catheter	Smiths medical	4054	IV access in Revasc, MRI and Term
Lidocaine 2%	Pfizer	00409-4277-01	Local Anesthetic/ antiarrthymic
Ligaclips	Ethicon	MSC20	Surgical Staples for LIMA takedown
Long blade for laryngoscope	DRE	12521	Allows for visualization of trachea for intubation
Meloxicam 5 mg/mL	Boehringer Ingelheim	141-219	Post operative Analgesic
Microsphere pump			Collect blood samples from femoral introducer
Monopolar Cautery	Covidien	Valleylab™ FT10	Hemostasis
Nanosight NS 300	Malvern Panalytical	MAN0541-03-EN
NTA 3.1.54 software	Malvern Panalytical	MAN0520-01-EN-00
OPVAC Synergy II	Terumo Cardiovascular System	401-230	Heart positioner and Stabilizer
Oxygen Tank E cylinder	various	various	Used for Blower Mister if anesthesia machine doesn't have auxiliary flow meter
PBS, pH 7.2	ThermoFisher Scientific	20012050
Penicillin-Streptomycin-Neomycin (PSN) Antibiotic Mixture	ThermoFisher Scientific	15640055
Pigtail 145 catheter 6 French	Boston Scientific	08641-41	Measure LV pressures
Pressure Transducer	various	Must adapt to anesthesia monitor	Monitor direct arterial pressures
Propofol	Diprivan	269-29	Induction agent
Roncuronium	Mylan	67457-228-05	Neuromuscular blocking agent
SR Buprenorphine 10 mg/mL	Abbott Labs	NADA 141-434	Post operative Analgesic
Sterile Saline 20 mL	Fisher Scientific	20T700220	Flush for IV catheters
Sternal Saw/ Necropsy Saw	Thermo Fisher	812822	Used to open chest cavity
Stop Cocks	Smith Medical	MX5311L	2 to connect to pig tail
Succinylcholine 20 mg/mL	Pfizer	00409-6629-02	Neuromuscular blocking agent
Suction  tubing	Medline	DYND50223
Suction Container	Medline	DYNDCL03000
Surgery pack with chest retractor	various	See pack list	Femoral cut down and median sternotomy
Surgical Instruments	various	See pack list	Femoral and carotid cutdowns and sternotomy
Surgical Spring Clip	Applied Medical	A1801	Clamp end of LIMA after takedown
Syringe pump	Harvard		Delivers IV Dobutamine infusion
SYTO RNASelect Green Fluorescent cell Stain - 5 mM Solution in DMSO	Millipore Sigma	S32703
Telazol 100 mg/mL	Fort Dodge	01L60030	Pre operative Sedative
Telpha pad	Covidien	2132	Sterile wound dressing
Timer			Time collection of blood samples
Total Exosome Isolation Reagent (from cell culture media)	ThermoFisher Scientific	4478359
TPP Tissue Culture Flask, T75, Filter Cap w/ 0.22uM PTFE	ThermoFisher Scientific	TP90076
Triple Antibiotic Ointment	Johnson & Johnson	23734	Topical over wound
Vicryl mesh	Ethicon	VKML	Patch for epicardial cell application
Vortex			Mix microspheres
Xylazine 100 mg/mL	Vedco	468RX	Pre operative Sedative/ analgesic