Diese Studie wurde vom National Heart, Lung, and Blood Institute Grants R01-HL-77921 und -86400 (JM Guccione) unterstützt.

1. Algisyl-LVR Implant Verfahren (Siehe Video) <ol><li> Algisyl-LVR (LoneStar Herz, Inc. Laguna Hills, CA) ist ein Kalzium-Alginat-Hydrogel, bestehend aus zwei Komponenten. Der Na +-Alginat-Komponente eine sterile wässrige Lösung mit 4,6% Mannit und Ca 2 +-Alginat-Komponente besteht aus wasserunlöslichen Teilchen in einer sterilen 4,6% Mannitol-Lösung (0.27) suspendiert. </li><li> Das Verfahren für die Implantation durchgeführt entweder mit einem Standard-Sternotomie oder eine kleine begrenzte vordere Thorakotomie am schlagenden Herzen werden. Herz-Lungen-Bypass ist nicht für das Verfahren benötigt wird. </li><li> Kurz vor Gebrauch mischen die Na +-Alginat-Komponente und die Ca +-Alginat-Komponente durch die Kombination dieser beiden Komponenten in eine Spritze für intramyokardialen Injektionen (00.33). </li><li> Nach 2 Minuten werden die beiden unterschiedlichen Typen Alginat vernetzen und bilden ein Gel, das bereit für Implantat ist und die Platzierung in den Herzmuskel über eine injection. </li><li> Identifizieren Sie die freie Wand des LV in der Mitte ventrikuläre Ebene auf halbem Weg zwischen der LV-Apex und Basis (0.44) </li><li> Ausgehend von der antero-septalen Nut in der Mitte ventrikuläre Ebene, legen Sie die Nadel in einem ca. 45-Grad-Winkel und injizieren 0.3cc von Algisyl-LVR langsam (0,1 ml pro Sekunde) in einer ununterbrochenen Bewegung (1.15). </li><li> Einspritzung wiederholen (Schritt 6) auf 10 bis 19 Seiten in einer einzigen Zeile (Umfang) entlang der mittleren ventrikulären Ebene, ausgehend von der antero-septalen Nut und endend bei der posteroanterioren septal Nut. Die Zahl der Implantate ist durch die Größe des Ventrikels Abstand die Implantate etwa 1 cm voneinander bestimmt. </li></ol> 2. Quantifizierung der linksventrikulären Belastungsprobe Mit Mathematische Modellierung <ol><li> Vor der Verwendung mathematischer Modelle zur LV Wandspannung quantifizieren, muss man bereits erreicht haben die kurze Achse und langen Achse der Magnetresonanztomographie (MRI), das die LV des Patienten. AcquiPosition dieser Bilder können unter Verwendung von Standard MRI Protokoll (zB Zhang et al. 20) werden. </li><li> Digitalisieren der Endokardoberfläche und epikardialen Oberfläche des LV aus den MR-Bildern mit der kurzen Achse (SA) Angesichts der LV. Dies kann über die Konturzerlegung Object (CSO) Bibliothek in der frei verfügbaren Software MeVisLab gefunden werden. <ol class="lalpha"><li> In unserem Labor haben wir ein Programm auf den Modulen in der Bibliothek von CSO MeVisLab gefunden wurden, so dass man einfach &quot;Konturen&quot; die endokardiale und epikardialen Grenze in der SA Blick auf den MR-Bildern, die die LV gefunden. Erstellt Punkte des Epikard und Endokard in realen dreidimensionalen (3D) Raum werden dann automatisch aus diesen Konturen erzeugt. </li></ol></li><li> Importieren Sie die 3D-Punkte aus Schritt 2 in eine kommerzielle Software, Rapidform (INUS Technology, Inc, Sunnyvale, CA), um Flächen des LV Epikard und Endokard in der Initial Graphics Exchange erstellenSpecification (IGES) Format. Die Schritte bei der Schaffung dieser IGES Flächen in Rapidform verwendet werden, sind: <ol class="lalpha"><li> Einfügen / Import. </li><li> Erstellen Polygonnetz. </li><li> Output IGES Flächen. </li></ol></li><li> Importieren Sie die IGES Flächen in der kommerziellen Software TrueGrid ein FE-Netz des LV erstellen. <ol class="lalpha"><li> Füllen Sie den Raum zwischen dem Endokard und Epikard Oberfläche mit der acht Knoten trilinear Ziegel Element. Im Allgemeinen ist ein Geflecht mit etwa 3.000 Elemente mit 3 Elementen durch die Wanddicke ausreicht, um die LV 21 zu modellieren. </li><li> Sobald dies abgeschlossen ist, exportieren Sie das Mesh als Input-Deck für die FE-Solver LS-DYNA (LSTC, Livermore, CA). Weitere Einzelheiten dieses Verfahrens kann in Guccione et al. 23. </li></ol></li><li> Ordnen Sie die myofiber Richtungen mit unserer hauseigenen Software &quot;Closer&quot;, die die Eingabe von Deck TrueGrid exportiert modifiziert. Closer ordnet die myofiber Richtung in jedem Element als vector, die parallel zu der lokalen epikardialen Tangentialebene. Dieser Vektor wird in einem Winkel in Bezug auf die lokale Umfangsrichtung gemessene ausgerichtet. In menschlichen LV, ist dieser Winkel auf sich linear über die Wanddicke von -60 ° am Epikard zu 60 ° am Endokard 23. </li><li> Schreiben Sie die Randbedingungen und weisen Sie das Myokard Material Modell auf die Elemente in der Eingabe Deck aus Schritt 5. <ol class="lalpha"><li> Impose Knotenverschiebungen an der LV Basis mit dem Stichwort &quot;SPC&quot; in LS-DYNA. Die Knoten in der epikardialen-basalen Ring befestigt sind und der Rest der Knoten auf der Basis LV beschränkt sind, nur auf der basalen Ebene bewegen. </li><li> Vergeben Sie einen konstitutiven Gesetz oder Spannungs-Dehnungs-Beziehung früher beschrieben (siehe &quot;Einführung&quot;) auf alle Elemente unter dem Stichwort &quot;MAT&quot; mit Material Identität 128 in LS-DYNA. </li><li> Definieren Sie die elementaren Oberflächen, aus denen das Endokard und verhängen Druck Randbedingungen mit dem Stichwort &quot;LOAD_Segmente &quot;. </li><li> Definieren Sie eine Druck-Zeit-Kurve Last unter dem Stichwort &quot;DEFINE_CURVE&quot;. <ol class="lroman"><li> Zu Ende der Diastole simulieren, verschreiben einen Druck, schnell mit der Zeit zunimmt, um eine vorgeschriebene enddiastolischen Druck (EDP) von 20 mmHg. Der Druck wird konstant gehalten und EDP ausreichend Zeit wird dann für die LV erlaubt stationären Zustand zu erreichen. </li><li> Zum Ende der Systole zu simulieren, verschreiben einen Druck, rasch mit der Zeit zunimmt aus dem enddiastolischen Zustand, bis eine vorgegebene End-systolischen Druck (ESP) von 125 mmHg erreicht. Der Druck wird konstant gehalten und ESP ausreichend Zeit wird dann für die LV erlaubt stationären Zustand zu erreichen. </li></ol></li></ol></li><li> Importieren Sie die Eingabe abgeschlossen Deck in den kommerziellen FE-Solver LS-DYNA, um die ventrikuläre Wand Spannungen und die LV Hohlraum Volumen am Ende der Diastole und am Ende der Systole berechnen. </li><li> Passen Sie die Parameter Material was die passive Steifigkeit und die Kontraktilität des Herzmuskels until der berechnete LV Hohlraum Volumen entspricht dem MRI-gemessene Volumen am Ende der Diastole und Ende der Systole. </li></ol>

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Mr. Hinson ist Mitarbeiter von LoneStar Herz, Inc.

Algisyl-LVR Injektionstherapie Die Injektion von Material in den LV freie Wand zu Wand ventrikuläre Stress zu reduzieren ist eine neue Behandlung für Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie entwickelt. Diese Behandlung hat große Versprechen in beiden präklinischen und klinischen Studien 15 gezeigt. Eine randomisierte, kontrollierte Studie, diese Behandlung als eine Methode der Brustvergrößerung LV für Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz (AUGMENT-HF) auswerten läuft seit Februar 2012 gewesen. Mehrere Iterationen des Produkts entwickelt werden, die auf verschiedene Segmente Arzt und klinischen Anforderungen. In der chirurgischen Produktvariante für Herz-Thorax-Chirurgen, wird das Alginat in einem Standard-Spritze und Nadel individuelle System für Chirurgen entwickelt, um die Injektionen durch einen kleinen chirurgischen Einschnitt in der Brust (minimal Thorakotomie) durchführen geliefert. Die Implantation wird am schlagenden Herzen durchgeführt. Die physikalischen Eigenschaften des Alginats hydrogel bei Injektion in den Herzmuskel ähnlich sind, dass der diastolische Myokard, und ein permanentes Implantat. Die Dauer des gesamten operativen Eingriff wird erwartet, dass weniger als 60 Minuten in den meisten Fällen begrenzt Belastung des Patienten zu einer minimalen Zeit Anästhesie. Ein zweites Produkt-Version können den Patienten mit Herzinsuffizienz eine Prozedur, die von interventionellen Kardiologen durchgeführt werden können und in einigen Einzelfällen andere Spezialisten in eine nicht-invasive Kardiologie oder Hybrid-Labor. Es würde auch erlauben akuten Wirkungen untersucht werden. Quantifizierung der linksventrikulären Stress mit Hilfe mathematischer Modellierung Das Verfahren der Verwendung mathematischer Modellierung mit der FE-Methode ist derzeit der einzige Weg, um genau zu quantifizieren in-vivo regionalen Wandspannung in den Herzkammern. Das Kombinieren der mathematischen Modellierung mit der medizinischen Bildgebung wie MRT ermöglicht es, in-vivo regionalen Wandspannung in Patienten-spezifischen ven berechnentricles so zum besseren Verständnis der funktionellen Zustand dieser Herzkammern und zu quantifizieren, die mechanischen Auswirkungen der Injektion bei Patienten. Obwohl wir die LV als homogenes Material hier behandelten, kann diese Methode (und wurde) erweitert, um in-vivo ventrikulären Wandspannung in inhomogenen Ventrikel, insbesondere, wenn quantifizieren Myokardinfarkt vorliegt. In solchen Fällen müssen die Grenzen des Infarkts und den angrenzenden borderzone von MRT mit Gadolinium als Kontrastmittel erkennbar. Diese Grenzen werden in TrueGrid importiert, um Elemente, die rein wohnen in jede einzelne Region zu schaffen, nämlich den Infarkt, die borderzone und die abgelegene Region. Wichtige Parameter reflektieren pathologischen Veränderungen in den einzelnen Regionen können durch die jeweiligen Elemente in LS-DYNA zugeordnet werden. Diese Parameter wurden in einem Patienten mit einem Myokardinfarkt mit in-vivo Myokardinfarkt Stamm aus tagged MRI gemessen gefunden21. Patienten, die chirurgische Revaskularisation erfordern oft erleben Vorhofflimmern während der postoperativen Phase, die mit sehr schlechter Qualität verschlagwortet MRT-Daten zugeordnet ist. Solche Patienten benötigen auch ein paar Tage, um sich von der Operation zu erholen. Somit 3D Echokardiographie und Speckle-Tracking kann ein sinnvoller Bildgebungsmodalität und Myokard Dehnungsmessung Technik als verschlagwortet MRI zu akuten Wirkungen von chirurgischen Eingriffen zu studieren. Schließlich haben wir die kommerzielle Software Rapidform, Truegrid und LS-DYNA in den Prozess der Erzeugung von Patienten-spezifischen mathematischen Modellen der Ventrikel, weil wir fanden, dass sie in der Regel effizienter bei der Erfüllung ihrer jeweiligen Aufgaben haben. Allerdings ist andere Software zur Verfügung, wie Cubit (zur Erzeugung von FE-Netz) und Abaqus (a FE-Solver), das auch geeignet sein können für die Erstellung von mathematischen Modellen der Ventrikel.

Reduktion der ventrikulären Wandspannung gilt als ein Eckpfeiler in der Behandlung von Herzinsuffizienz 1. In seiner einfachsten Form durch Laplace-Gesetz gegeben ist ventrikulären Wandspannung direkt proportional zu dem Durchmesser der Kammer und des ventrikulären Drucks und ist umgekehrt proportional zu der Wandstärke des Ventrikels. Es wird allgemein angenommen, dass eine erhöhte ventrikuläre Wandspannung verantwortlich für die negative Remodeling-Prozess, in dem die Ventrikel progressiv geworden erweitert ist, was schließlich zum Herzversagen 2. Klinische und tierexperimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass eine erhöhte Wandspannung Veränderungen in Proteinen, kontraktile Element Synthese und der Genexpression, die den Umbauprozess 3,4,5 unterstützt induziert. Erhöhte Wand Stress hat auch gezeigt, dass ein unabhängiger Prädiktor für spätere LV Umbau 6,7 sein. Viele neue chirurgische Behandlungen und Geräte sind mit ac entwickeltentral Ziel der Verringerung der ventrikulären Wandspannung im Rahmen eines Angebots zu verhindern, und umgekehrt das Fortschreiten der Herzinsuffizienz bei Patienten 8.9.10. Obwohl diese Behandlungen das gleiche Ziel teilen, erreichen sie es anders. So sieht beispielsweise die chirurgische ventrikulären Reduktionsverfahren 10 bis ventrikulären Wandspannung durch chirurgisch Verringerung der Größe eines dilatierten linken Ventrikel zu reduzieren, aber das Ergebnis ist nicht unumstritten 11,12. Vor kurzem hat die Injektion einer biokompatiblen Material, Algisyl-LVR, in den linken Ventrikel zur Behandlung von dilatativer Kardiomyopathie erhielt beträchtliche Aufmerksamkeit in der medizinischen Gemeinschaft. Diese Behandlung hat sich gezeigt, um wirksam zu sein bei der Verhinderung oder gar Umkehr der Progression der Herzinsuffizienz im Tierversuch 13,14 und zuletzt, in einer menschlichen klinischen Studie 15. Im Gegensatz zu anderen Geräten, soll diese Behandlung der ventrikulären Wandspannung durch Einspritzen von Material in reduzierendie Wand des linken Ventrikels zu verdicken es. Detaillierte Kenntnisse der ventrikulären Wandspannung, insbesondere bei Menschen, bleibt jedoch unklar. Dieser Mangel an Wissen ist in erster Linie, weil Kräfte oder Spannungen können nicht direkt in der intakten Ventrikel 16 gemessen werden. Obwohl in geschlossener Form analytischer Gleichungen wie Laplace-Gesetz linksventrikuläre Wandspannung schätzen können, wurden sie auf der Grundlage restriktiven Annahmen, die Achse-Symmetrie des LV, Material Isotropie und Homogenität im LV gehören entwickelt. Aufgrund dieser Faktoren, ist die Vorhersage der ventrikulären Wandspannung in tatsächlichen LV mit Laplace-Gesetz 17 ungenau. Um diese Einschränkungen zu beseitigen und eine genauere Vorhersage des ventrikulären Wandspannung, mathematische Modellierung mit Hilfe der Finite-Elemente (FE)-Methode mit Patienten-spezifischen ventrikuläre Geometrie erhalten sollte an Stelle des vereinfachten Laplace-Gesetz 17 verwendet werden. Die FE-Methode ist eine numerische Technik, die häufig verwendet wird, um einen Satz von partiellen Differentialgleichungen (PDE) beschreibt einen Grenzwert Problem zu lösen. Diese Methode ist besonders nützlich, wenn eine Lösung in geschlossener Form schwer oder nicht analytisch erhalten werden. Im Zusammenhang mit einem mathematischen Modell, das zur LV ventrikulären Wandspannung quantifizieren, sind die Menge der PDEs die Grundgleichungen der mechanischen Gleichgewicht (Gleichgewicht der linearen Dynamik), die die Bewegung beschreiben LV, wenn der Druck oder die Last an der endokardialen Oberfläche LV angewendet wird. Wenn der Fe-Verfahren verwendet wird, ist die LV-Wand in miteinander verbundenen Sub-Domains oder Elemente (in der Regel Hexaeder mit 8 Eckknoten), die nach einem vorgegebenen Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Myokards verformen aufgeteilt. Spannungs-Dehnungs-Beziehungen beschreiben große Verformung des LV während passive Füllung in der Diastole und während der aktiven Kontraktion in der Systole wurden zuvor in großen Tierstudien validiert. Die LV wird modelliertzu ungefähr drei mal steifer im myofiber als in Richtungen senkrecht zu der Richtung während der Diastole myofiber 18. Aktive Kontraktion während der Systole durch eine Erhöhung der Steifigkeit des LV entlang der Richtung myofiber modelliert. Diese Erhöhung der Steifigkeit ist eine Funktion der Zeit und hängt von experimentell bestimmten Variablen wie der intrazellulären Calcium-Konzentration und der Sarkomerlänge 19. Mit diesem vorgegebenen Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Myokards, berechnet das Verfahren die FE neuen Knotenpunkt Positionen auf die Last (en), die auf die LV basiert. Sobald die neuen Knotenpunkt Positionen berechnet werden, kann der resultierende Stamm (ein Maß der Verformung) und Spannung in jedem Element, um die Dehnung und Spannung innerhalb des LV produzieren bestimmt werden. Hier stellen wir die erforderlichen Schritte, um Algisyl-LVR bei Patienten zu implantieren und die entsprechenden Patienten-spezifischen LV erstellenmathematische Modelle, die vor und nach der Behandlung zu quantifizieren, die LV Wandspannung.

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>REGENTS</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Na+-Alginate </td>
 <td>LoneStar Heart, Inc</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Ca2+-Alginate </td>
 <td>LoneStar Heart, Inc</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>EQUIPMENT</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>MevisLab</td>
 <td>Mevis Medical Solution</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>TrueGrid</td>
 <td>XYZ Scientific Application, Inc</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Rapidform</td>
 <td>Inus Technology, Inc</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>LS-Dyna</td>
 <td>Livermore Software Technology Corporation</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

reduction in left ventricular wall stress and improvement in function in failing hearts using algisyl-lvr

Die Injektion von Algisyl-LVR, eine Behandlung in der klinischen Entwicklung, soll Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie zu behandeln. Diese Behandlung wurde vor kurzem zum ersten Mal in Patienten mit symptomatischer Herzinsuffizienz verwendet hatte. Bei allen Patienten, verbessert die Herzfunktion des linken Ventrikels (LV) deutlich, wie durch die konsequente Senkung des LV Volumen und Wandspannung manifestiert. Hier beschreiben wir diese neuartige Behandlungsverfahren und die verwendeten Methoden, um ihre Auswirkungen auf LV Wandspannung und Funktion zu quantifizieren. Algisyl-LVR ein Biopolymer Gel, bestehend aus Na +-Alginat und Ca 2 +-Alginat. Die Behandlung Verfahren wurde durchgeführt, indem diese beiden Komponenten und deren Kombination in einer Spritze für Injektionen intramyokardialen durchgeführt. Diese Mischung wurde bei 10 bis 19 Stellen in der Mitte zwischen der Basis und der Spitze des LV freien Wand in Patienten injiziert. Magnetic Resonance Imaging (MRI), zusammenmit mathematischen Modellen, wurde verwendet, um die Wirkung dieser Behandlung bei Patienten vor der Behandlung und zu verschiedenen Zeitpunkten während der Wiederherstellung zu quantifizieren. Die epikardialen und endokardialen Oberflächen wurden zunächst aus den MR-Bilder digitalisiert, um die Geometrie an LV Endsystole und Enddiastole rekonstruieren. Die linksventrikuläre Hohlraumvolumina wurden dann aus diesen rekonstruierten Oberflächen gemessen. Mathematische Modelle der LV wurden von diesen MRI-rekonstruierten Oberflächen geschaffen, um regionale myofiber Stress berechnen. Jedes LV Modell wurde so dass 1) verformt sich entsprechend einer vorher validierten Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Myokards, und 2) die vorhergesagte LV Hohlraumvolumen von dieser Modelle mit dem entsprechenden MRI-Messvolumen Ende-Diastole und End-Systole konstruiert . Diastolischer Füllung simuliert durch Laden der LV endokardialen Oberfläche mit einer vorgeschriebenen enddiastolischen Druck. Systolische Kontraktion wurde simuliert durch gleichzeitiges Laden des Endeocardial Oberfläche mit einer vorgeschriebenen endsystolische Druck und Zugabe von aktiven Kontraktion in der myofiber Richtung. Regional myofiber Druck am Ende der Diastole und End-Systole wurde aus dem verformten LV auf der Grundlage der Spannungs-Dehnungs-Beziehung berechnet.

Die Injektion von Algisyl-LVR in den LV freien Wand verdickt es und kontinuierlich reduziert die Größe des LV über die Zeit. Die Verdickung der LV Wand und der Verringerung der Größe der LV in der MRT der LV in einem Patienten am Ende der Systole evident, vor und 6 Monate nach Erhalt Algisyl-LVR (Abbildung 1). Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der einzelnen Schritte bei der Quantifizierung der linksventrikulären Wand Stress beteiligt. In 2a wurden die epikardialen und endokardialen die Kanten von einer kurzen Achse Ansicht der LV im MRI und konturierte Verwendung MeVisLab identifiziert. Die resultierende IGES Endokardoberfläche (blau) und die epikardialen Oberfläche (rot) von Rapidform mit der konturierten Punkte in Abbildung 2b gezeigt. Danach wurde der Raum zwischen den endokardiale und epikardialen Oberflächen mit 8-knotige trilinear Ziegel Element gefüllt mit TrueGrid (Abbildung 2c </strong&gt;). Vektoren Definition der myofiber Richtung in jedem Element wurden dann mit Closer berechnet. Diese Vektoren als schwarze Pfeile in Fig. 2d und einer Schicht des LV Wand dargestellt (blau) zeigt die Variation der myofiber Richtung über die LV Wand, wie oben beschrieben. In Figur 2e führte die Randbedingungen, nämlich der Druck und die Knoten-Verschiebung auf der LV gezeigt. Der ausgeübte Druck als Pfeile in Richtung endokardialen Wand gezeigt. Knoten an der epikardialen-basalen Ring (gezeigt als Kugeln) aus in alle Richtungen bewegen während der Rest der basalen Knoten (dargestellt als Würfel) wurden gezwungen wird, nur zu bewegen in der Basisfläche (2e) begrenzt. Schließlich zeigt Abbildung 2f den berechneten ventrikulären Wandspannung im myofiber Richtung am Ende der Diastole von einem Patienten vor der Behandlung. Es ist aus der Figur ersichtlich, daß erhöhte Belastungen bei dem Endokard und Regionen gefunden werden, wo dieLV Wand ist dünn. <img src="/files/ftp_upload/50096/50096fig1.jpg" alt="Abbildung 1" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50096/50096fig1highres.jpg"/> Abbildung 1. Auswirkungen auf Algisyl eines Patienten LV (angezeigt durch den Pfeil) nach 6 Monaten, wie der Magnetresonanztomographie Bilder gesehen. Die Bilder zeigen, dass die LV ist geschrumpft und die Wanddicke hat nach 6 Monaten erhöht. <img src="/files/ftp_upload/50096/50096fig2.jpg" alt="Abbildung 2" fo:content-width="4.71in" fo:src="/files/ftp_upload/50096/50096fig2highres.jpg" /> Abbildung 2. Schritte bei der Quantifizierung der linksventrikulären Wand Stress beteiligt. (A) die Digitalisierung des MR-Bildern. (B) Erstellen von IGES Flächen. (C) Erstellen des FE-Netzes. (D) Vergabe der myofiber Orientierung. (E)Imposant die Randbedingungen. (F) Berechnung der ventrikulären Wandspannung (hier am Ende der Diastole dargestellt). Siehe Text zur Erläuterung.

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Reduction in Left Ventricular Wall Stress and Improvement in Function in Failing Hearts using Algisyl-LVR

Dieser Artikel beschreibt Verfahren zur Implantation eines neuartigen Hydrogel in Ermangelung Herzen und Quantifizierung ihrer Wirkung auf die linksventrikuläre Wandspannung und Funktion. Diese Verfahren wurden erfolgreich bei Hunden und Menschen angewendet.

Reduktion der linksventrikulären Wandspannung und Verbesserung der Funktion in Failing Herzen mit Algisyl-LVR

Injection of  Algisyl-LVR, a treatment under clinical development, is intended to treat  patients with dilated cardiomyopathy. This treatment was recently ...

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Research

JoVE Journal

Medicine

24.1K Aufrufe.  UCSF/VA Medical Center. Dieser Artikel beschreibt Verfahren zur Implantation eines neuartigen Hydrogel in Ermangelung Herzen und Quantifizierung ihrer Wirkung auf die linksventrikuläre Wandspannung und Funktion. Diese Verfahren wurden erfolgreich bei Hunden und Menschen angewendet.

Serie: Reduction in Left Ventricular Wall Stress and Improvement in Function in Failing Hearts using Algisyl-LVR

Assessment of Cardiac Function and Energetics in Isolated Mouse Hearts Using 31P NMR Spectroscopy

Bioengineered mouse models have become powerful research tools in determining causal relationships between molecular alterations and models of cardiovascular disease. Although molecular biology is necessary in identifying key changes in the signaling pathway, it is not a surrogate for functional significance. While physiology can provide answers to the question of function, combining physiology with biochemical assessment of metabolites in the intact, beating heart allows for a complete picture of cardiac function and energetics. For years, our laboratory has utilized isolated heart perfusions combined with nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to accomplish this task. Left ventricular function is assessed by Langendorff-mode isolated heart perfusions while cardiac energetics is measured by performing 31P magnetic resonance spectroscopy of the perfused hearts. With these techniques, indices of cardiac function in combination with levels of phosphocreatine and ATP can be measured simultaneously in beating hearts. Furthermore, these parameters can be monitored while physiologic or pathologic stressors are instituted. For example, ischemia/reperfusion or high workload challenge protocols can be adopted. The use of aortic banding or other models of cardiac pathology are apt as well. Regardless of the variants within the protocol, the functional and energetic significance of molecular modifications of transgenic mouse models can be adequately described, leading to new insights into the associated enzymatic and metabolic pathways. Therefore, 31P NMR spectroscopy in the isolated perfused heart is a valuable research technique in animal models of cardiovascular disease.

Assessment of Cardiac Function and Energetics in Isolated Mouse Hearts Using 31P NMR Spectroscopy

Langendorff-mode isolated heart perfusion, in conjunction with 31P NMR spectroscopy, combines the fields of biochemistry and physiology into one experiment. The protocol allows for the dynamic measurement of high energy phosphate content and turnover in the heart while concurrently monitoring physiologic function. When performed correctly, this is a valuable technique in the assessment of cardiac energetics.

Beurteilung der Herzfunktion und Energetik in isolierten Maus-Herzen mit 31 P-NMR-Spektroskopie

Bioengineered mouse models have become powerful research tools in determining causal relationships between molecular alterations and models of ...

Forschung

Medizin

Carotid Artery Infusions for Pharmacokinetic and Pharmacodynamic Analysis of Taxanes in Mice

When proposing the use of a drug, drug combination, or drug delivery into a novel system, one must assess the pharmacokinetics of the drug in the study model. As the use of mouse models are often a vital step in preclinical drug discovery and drug development1-8, it is necessary to design a system to introduce drugs into mice in a uniform, reproducible manner. Ideally, the system should permit the collection of blood samples at regular intervals over a set time course. The ability to measure drug concentrations by mass-spectrometry, has allowed investigators to follow the changes in plasma drug levels over time in individual mice1, 9, 10. In this study, paclitaxel was introduced into transgenic mice as a continuous arterial infusion over three hours, while blood samples were simultaneously taken by retro-orbital bleeds at set time points. Carotid artery infusions are a potential alternative to jugular vein infusions, when factors such as mammary tumors or other obstructions make jugular infusions impractical. Using this technique, paclitaxel concentrations in plasma and tissue achieved similar levels as compared to jugular infusion. In this tutorial, we will demonstrate how to successfully catheterize the carotid artery by preparing an optimized catheter for the individual mouse model, then show how to insert and secure the catheter into the mouse carotid artery, thread the end of the catheter out through the back of the mouse&#8217;s neck, and hook the mouse to a pump to deliver a controlled rate of drug influx. Multiple low volume retro-orbital bleeds allow for analysis of plasma drug concentrations over time.

This method was developed with the goal of delivering a steady drug solution via the carotid artery, to assess the pharmacokinetics of novel drugs in mouse models.

Halsschlagader Infusionen für pharmakokinetischen und pharmakodynamischen Analyse von Taxanen in Mäusen

When proposing the use of a drug, drug combination, or drug delivery into a novel system, one must assess the pharmacokinetics of the drug in the study ...

Chronic Thromboembolic Pulmonary Hypertension and Assessment of Right Ventricular Function in the Piglet

An original piglet model of Chronic Thromboembolic Pulmonary Hypertension (CTEPH) associated with chronic Right Ventricular (RV) dysfunction is described. Pulmonary Hypertension (PH) was induced in 3-week-old piglets by a progressive obstruction of the pulmonary vascular bed. A ligation of the left Pulmonary Artery (PA) was performed first through a mini-thoracotomy. Second, weekly embolizations of the right lower pulmonary lobe were done under fluoroscopic guidance with n-butyl-2-cyanoacrylate during 5 weeks. Mean Pulmonary Arterial Pressure (mPAP) measured by ritght heart catheterism, increased progressively, as well as Right Atrial pressure and Pulmonary Vascular Resistances (PVR) after 5 weeks compared to sham animals. Right Ventricular (RV) structural and functional remodeling were assessed by transthoracic echocardiography (RV diameters, RV wall thickness, RV systolic function). RV elastance and RV-pulmonary coupling were assessed by Pressure-Volume Loops (PVL) analysis with conductance method. Histologic study of the lung and the right ventricle were also performed. Molecular analyses on RV fresh tissues could be performed through repeated transcutaneous endomyocardial biopsies. Pulmonary microvascular disease in obstructed and unobstructed territories was studied from lung biopsies using molecular analyses and pathology. Furthermore, the reliability and the reproducibility was associated with a range of PH severity in animals. Most aspects of the human CTEPH disease were reproduced in this model, which allows new perspectives for the understanding of the underlying mechanisms (mitochondria, inflammation) and new therapeutic approaches (targeted, cellular or gene therapies) of the overloaded right ventricle but also pulmonary microvascular disease.

Chronic Thromboembolic Pulmonary Hypertension (CTEPH) and Right Ventricular (RV) dysfunction were induced in piglets by progressive obstruction of the pulmonary arteries. Consequences were remarkably similar to those observed in CTEPH patients. This animal model would be a very useful tool for pathophysiology and therapeutic experiments on CTEPH and RV failure.

Chronisch thromboembolischen pulmonalen Hypertonie und Beurteilung der rechtsventrikulären Funktion in der Ferkel

An original piglet model of Chronic Thromboembolic Pulmonary Hypertension (CTEPH) associated with chronic Right Ventricular (RV) dysfunction is described. ...

A Method for Quantifying Upper Limb Performance in Daily Life Using Accelerometers

A key reason for referral to rehabilitation services after stroke and other neurological conditions is to improve one's ability to function in daily life. It has become important to measure a person's activities in daily life, and not just measure their capacity for activity in the structured environment of a clinic or laboratory. A wearable sensor that is now enabling measurement of daily movement is the accelerometer. Accelerometers are commercially-available devices resembling large wrist watches that can be worn throughout the day. Data from accelerometers can quantify how the limbs are engaged to perform activities in peoples' homes and communities. This report describes a methodology to collect accelerometry data and turn it into clinically-relevant information. First, data are collected by having the participant wear two accelerometers (one on each wrist) for 24 h or longer. The accelerometry data are then downloaded and processed to produce four different variables that describe key aspects of upper limb activity in daily life: hours of use, use ratio, magnitude ratio, and the bilateral magnitude. Density plots can be constructed that visually represent the data from the 24 h wearing period. The variables and their resultant density plots are highly consistent in neurologically-intact, community-dwelling adults. This striking consistency makes them a useful tool for determining if upper limb daily performance is different from normal. This methodology is appropriate for research studies investigating upper limb dysfunction and interventions designed to improve upper limb performance in daily life in people with stroke and other patient populations. Because of its relative simplicity, it may not be long before it is also incorporated in clinical neurorehabilitation practice.

This protocol describes a method to quantify upper limb performance in daily life using wrist-worn accelerometers.

Ein Verfahren zur Quantifizierung der oberen Extremität Leistung im täglichen Leben Accelerometer Verwendung

A key reason for referral to rehabilitation services after stroke and other neurological conditions is to improve one's ability to function in daily life. ...

Technique of Minimally Invasive Transverse Aortic Constriction in Mice for Induction of Left Ventricular Hypertrophy

Transverse aortic constriction (TAC) in mice is one of the most commonly used surgical techniques for experimental investigation of pressure overload-induced left ventricular hypertrophy (LVH) and its progression to heart failure. In the majority of the reported investigations, this procedure is performed with intubation and ventilation of the animal which renders it demanding and time-consuming and adds to the surgical burden to the animal. The aim of this protocol is to describe a simplified technique of minimally invasive TAC without intubation and ventilation of mice. Critical steps of the technique are emphasized in order to achieve low mortality and high efficiency in inducing LVH.
Male C57BL/6 mice (10-week-old, 25-30 g, n=60) were anesthetized with a single intraperitoneal injection of a mixture of ketamine and xylazine. In a spontaneously breathing animal following a 3-4 mm upper partial sternotomy, a segment of 6/0 silk suture threaded through the eye of a ligation aid was passed under the aortic arch and tied over a blunted 27-gauge needle. Sham-operated animals underwent the same surgical preparation but without aortic constriction. The efficacy of the procedure in inducing LVH is attested by a significant increase in the heart/body weight ratio. This ratio is obtained at days 3, 7, 14 and 28 after surgery (n = 6 - 10 in each group and each time point). Using our technique, LVH is observed in TAC compared to sham animals from day 7 through day 28. Operative and late (over 28 days) mortalities are both very low at 1.7%.
In conclusion, our cost-effective technique of minimally invasive TAC in mice carries very low operative and post-operative mortalities and is highly efficient in inducing LVH. It simplifies the operative procedure and reduces the strain put on the animal. It can be easily performed by following the critical steps described in this protocol.

The aim of this protocol is to describe step-by-step the technique of minimally invasive transverse aortic constriction (TAC) in mice. By elimination of intubation and ventilation which are mandatory for the commonly used standard procedure, minimally invasive TAC simplifies the operative procedure and reduces the strain put on the animal.

Technik der minimal-invasiven quer Aortenstenose Verengung bei Mäusen für Induktion der linken Ventricular Hypertrophie

Transverse aortic constriction (TAC) in mice is one of the most commonly used surgical techniques for experimental investigation of pressure ...

Studying Left Ventricular Reverse Remodeling by Aortic Debanding in Rodents

To better understand the left ventricular (LV) reverse remodeling (RR), we describe a rodent model wherein, after aortic banding-induced LV remodeling, mice undergo RR upon removal of the aortic constriction. In this paper, we describe a step-by-step procedure to perform a minimally invasive surgical aortic debanding in mice. Echocardiography was subsequently used to assess the degree of cardiac hypertrophy and dysfunction during LV remodeling and RR and to determine the best timing for aortic debanding. At the end of the protocol, terminal hemodynamic evaluation of the cardiac function was conducted, and samples were collected for histological studies. We showed that debanding is associated with surgical survival rates of 70-80%. Moreover, two weeks after debanding, the significant reduction of ventricular afterload triggers the regression of ventricular hypertrophy (~20%) and fibrosis (~26%), recovery of diastolic dysfunction as assessed by the normalization of left ventricular filling and end-diastolic pressures (E/e&#39;&#160;and LVEDP). Aortic debanding is a useful experimental model to study LV RR in rodents. The extent of myocardial recovery is variable between subjects, therefore, mimicking the diversity of RR that occurs in the clinical context, such as aortic valve replacement. We conclude that the aortic banding/debanding model represents a valuable tool to unravel novel insights into the mechanisms of RR, namely the regression of cardiac hypertrophy and the recovery of diastolic dysfunction.

Here we describe a step-by-step protocol of surgical aorta debanding in the well-established mice model of aortic-constriction. This procedure not only allows studying the mechanisms underlying the left ventricular reverse remodeling and regression of hypertrophy but also to test novel therapeutic options that might accelerate myocardial recovery.

Untersuchung des linksventrikulären Reverse Remodeling durch Aortendefletieren bei Nagetieren

To better understand the left ventricular (LV) reverse remodeling (RR), we describe a rodent model wherein, after aortic banding-induced LV remodeling, ...

Using a Chemical Biopsy for Graft Quality Assessment

Kidney transplantation is a life-saving treatment for a large number of people with end-stage renal dysfunction worldwide. The procedure is associated with an increased survival rate and greater quality of patient&#8217;s life when compared to conventional dialysis. Regrettably, transplantology suffers from a lack of reliable methods for organ quality assessment. Standard diagnostic techniques are limited to macroscopic appearance inspection or invasive tissue biopsy, which do not provide comprehensive information about the graft. The proposed protocol aims to introduce solid phase microextraction (SPME) as an ideal analytical method for comprehensive metabolomics and lipidomic analysis of all low molecular compounds present in kidneys allocated for transplantation. The small size of the SPME probe enables performance of a chemical biopsy, which enables extraction of metabolites directly from the organ without any tissue collection. The minimum invasiveness of the method permits execution of multiple analyses over time: directly after organ harvesting, during its preservation, and immediately after revascularization at the recipient&#8217;s body. It is hypothesized that the combination of this novel sampling method with a high-resolution mass spectrometer will allow for discrimination of a set of characteristic compounds that could serve as biological markers of graft quality and indicators of possible development of organ dysfunction.

The protocol presents utilization of the chemical biopsy approach followed by comprehensive metabolomic and lipidomic analysis for quality assessment of kidney grafts allocated for transplantation.

Verwendung einer chemischen Biopsie zur Graft-Qualitätsbewertung

Kidney transplantation is a life-saving treatment for a large number of people with end-stage renal dysfunction worldwide. The procedure is associated ...

On-Site Sampling and Extraction of Brain Tumors for Metabolomics and Lipidomics Analysis

Despite the variety of tools available for cancer diagnosis and classification, methods that enable fast and simple characterization of tumors are still in need. In recent years, mass spectrometry has become a method of choice for untargeted profiling of discriminatory compound as potential biomarkers of a disease. Biofluids are generally considered as preferable matrices given their accessibility and easier sample processing while direct tissue profiling provides more selective information about a given cancer. Preparation of tissues for the analysis via traditional methods is much more complex and time-consuming, and, therefore, not suitable for fast on-site analysis. The current work presents a protocol combining sample preparation and extraction of small molecules on-site, immediately after tumor resection. The sampling device, which is of the size of an acupuncture needle, can be inserted directly into the tissue and then transported to the nearby laboratory for instrumental analysis. The results of metabolomics and lipidomics analyses demonstrate the capability of the approach for the establishment of phenotypes of tumors related to the histological origin of the tumor, malignancy, and genetic mutations, as well as for the selection of discriminating compounds or potential biomarkers. The non-destructive nature of the technique permits subsequent performance of routinely used tests e.g., histological tests, on the same samples used for SPME analysis, thus enabling attainment of more comprehensive information to support personalized diagnostics.

The manuscript presents on-site sampling of human brain tumors with solid phase microextraction followed by their biochemical profiling towards the discovery of biomarkers.

Vor-Ort-Probenahme und Extraktion von Hirntumoren für die Metabolomik- und Lipidomik-Analyse

Despite the variety of tools available for cancer diagnosis and classification, methods that enable fast and simple characterization of tumors are still ...

Echocardiographic Characterization of Left Ventricular Structure, Function, and Coronary Flow in Neonate Mice

Echocardiography is a non-invasive procedure that enables the evaluation of structural and functional parameters in animal models of cardiovascular disease and is used to assess the impact of potential treatments in preclinical studies. Echocardiographic studies are usually conducted in young adult mice (i.e., 4-6 weeks of age). The evaluation of early neonatal cardiovascular function is not usually performed because of the small size of the mouse pups and the associated technical difficulties. One of the most important challenges is that the short length of the pups&#39; limbs prevents them from reaching the electrodes in the echocardiography platform. Body temperature is the other challenge, as pups are very susceptible to changes in temperature. Therefore, it is important to establish a practical guide for performing echocardiographic studies in small mouse pups to help researchers detect early pathological changes and study the progression of cardiovascular disease over time. The current work describes a protocol for performing echocardiography in mouse pups at the early age of 7 days old. The echocardiographic characterization of cardiac morphology, function, and coronary flow in neonatal mice is also described.

The present protocol describes the echocardiographic assessment of left ventricular morphology, function, and coronary blood flow in 7-day old neonate mice.

Echokardiographische Charakterisierung der linksventrikulären Struktur, Funktion und Koronarfluss bei neugeborenen Mäusen

Echocardiography is a non-invasive procedure that enables the evaluation of structural and functional parameters in animal models of cardiovascular ...

A Real-World High-Intensity Interval Training Protocol for Cardiorespiratory Fitness Improvement

High-Intensity Interval Training (HIIT) has emerged as an interesting time-efficient approach to increase exercise adherence and improve health. However, few studies have tested the efficiency of HIIT protocols in a &#34;real world&#34; setting, e.g., HIIT protocols designed for outdoor spaces without specialized equipment. This study presents a &#34;real world&#34; training protocol, named &#34;beep training&#34;, and compares the efficiency of a HIIT regiment versus a traditional long-duration Moderate-Intensity Continuous Training (MICT) regiment using this beep training protocol on VO2 max of overweight untrained men. Twenty-two subjects performed outdoor running with MICT (n = 11) or HIIT (n = 11). Cardiorespiratory fitness was assessed before and after training protocols using a metabolic analyzer. Both training protocols were performed 3 days a week for 8 weeks using the Beep Test results. The MICT group performed the exercise program at 60%-75% of the maximum speed of the 20 m shuttle test (Vmax) and with a progression of the distance of 3,500-5,000 m. The HIIT group performed the interval exercise with 7-10 bouts of 200 m at 85%-100% of the maximum speed of the 20 m shuttle test (Vmax), interspersed with 1 min of passive recovery. Although the HIIT group presented a significantly lower training volume than the MICT group (p &#60; 0.05) after 8 weeks of beep training, HIIT was superior to MICT in improving VO2 max (MICT: ~4.1%; HIIT: ~7.3%; p &#60; 0.05). The &#34;real world&#34; HIIT regiment based on beep training protocol is a time-efficient, low-cost, and easy-to-implement protocol for overweight untrained men.

This study presents a low-cost and easy-to-implement "real world" high-intensity interval training (HIIT) protocol for scientific research and discusses its efficiency for cardiorespiratory fitness.

Ein reales hochintensives Intervalltrainingsprotokoll zur Verbesserung der kardiorespiratorischen Fitness

High-Intensity Interval Training (HIIT) has emerged as an interesting time-efficient approach to increase exercise adherence and improve health. However, ...