Method Article
Most studies involving the Langendorff apparatus use small animal models due to the increased complexity of systems for larger mammals. We describe a Langendorff system for large animal models that allows for use across a range of species, including humans, and relatively easy data acquisition.
Desde su introducción a finales del siglo 19, el aparato de Langendorff perfusión aislada del corazón, y el posterior desarrollo del modelo de corazón en funcionamiento, han sido herramientas muy valiosas para el estudio de la función cardiovascular y la enfermedad 1-15. Aunque la preparación de corazón Langendorff se puede utilizar para cualquier corazón de los mamíferos, la mayoría de los estudios con este aparato utilizan modelos animales pequeños (por ejemplo, ratón, rata, conejo) y debido a la mayor complejidad de los sistemas de los mamíferos más grandes 1,3,11. Una dificultad importante es garantizar una presión de perfusión coronaria constante en una gama de diferentes tamaños de corazón - un componente clave de cualquier experimento de la utilización de este dispositivo de 1,11. Mediante la sustitución de la columna de la clásica poscarga hidrostática con una bomba centrífuga, el aparato de trabajo del corazón Langendorff se describe a continuación permite un fácil ajuste y regulación estricta de las presiones de perfusión, es decir, la misma puesta a punto puede ser utilizado para diversos especies o tamaños de corazón. Además, esta configuración también puede cambiar sin problemas entre la presión constante o flujo constante durante la reperfusión, en función de las preferencias del usuario. La naturaleza abierta de esta disposición, a pesar de que la regulación de temperatura más difícil que otros diseños, permite una fácil recolección de los datos de presión-volumen de efluentes y ventriculares.
Gran parte de nuestra comprensión de la biología y la fisiología cardíaca básica proviene de experimentos que utilizaron el corazón aislado y perfundido Langendorff-retrógrada y los sistemas aislados del corazón de trabajo. Estos sistemas experimentales están siendo ampliamente utilizados en la actualidad para extender nuestro conocimiento cardiovascular de los temas importantes, como la lesión por isquemia-reperfusión 2, 4 preacondicionamiento, la terapia basada en células de miocardio dañado 5,7, los efectos cardíacos de fármacos 6,9, y la preservación del injerto cardíaco técnicas 8,15-18.
Si bien ambos sistemas cardíacos aislados se pueden usar para cualquier especie de mamífero, que se utilizan principalmente de pequeños mamíferos, como conejillo de indias, ratas o conejos 3,12,13. Modelos animales más grandes, como los cerdos y los seres humanos, proporcionan datos clínicamente más relevantes, sino que se utilizan con menos frecuencia debido al mayor costo, mayor variabilidad biológica, grandes volúmenes de soluciones de perfusión sanguínea y bigger piezas de equipo 1,12-15. Además, la recogida de datos es más difícil, especialmente para los corazones aislados de trabajo 1,3,12-15. Como consecuencia de estas dificultades, rara vez se utilizan modelos de corazón aislado clínicamente relevantes, lo que dificulta gravemente el progreso de la investigación traslacional cardiovascular.
En un intento de resolver estas complejidades, la preparación aislada corazón en funcionamiento se modificó para crear un sistema que se puede adaptar fácilmente a los corazones de diferentes especies, incluidos los humanos, en régimen de presión constante o condiciones Langendorff flujo constantes. La cámara de cumplimiento de la poscarga fue reemplazado con una bomba centrífuga para simplificar el proceso de ajuste de la presión de perfusión en el modo de Langendorff y poscarga en el modo de trabajo. En lugar de una, con camisa de depósito cerrado para contener el corazón, este sistema utiliza una cámara abierta para hacer más fácil la recogida de datos, al permitir el uso de la vía transapical para la cateterización de la conductancia. Moreover, este diseño abierto permite el acceso para la evaluación ecocardiográfica del corazón, ampliando aún más los parámetros fisiológicos que se pueden medir en estos experimentos. Estas mejoras se espera que anime a otros a utilizar este sistema para la gran investigación traslacional animal.
1. Construcción del aparato Langendorff (Ver Figura 1)
2. Presión-Volumen Catéter Preparación
4. Preparación del corazón para su fijación al aparato Langendorff
NOTA: Un corazón correctamente detenido debe ser utilizado para cualquier grandes experimentos con animales que implican un sistema de corazón aislado. Falta de cardioplejía puede dañar el corazón de tal manera que no va a producir un trabajo medible. Celsior o baja en potasio Universidad de Wisconsin se recomienda la solución (UW), ya que no sólo son estas soluciones similares a las utilizadas clínicamente, pero el bajo nivel de potasio de la solución ayuda a evita hiperpotasemia, mientras que en el circuito. Volumen de solución cardiopléjica dependerá del tamaño del corazón, con 1 litro basta para corazones porcinos.
5. Acoplamiento del Corazón al Langendorff
6. Poner el corazón en el modo de trabajo
7. Obtención ventricular presión-volumen (PV) Grabaciones
La figura 1 es un dibujo esquemático del circuito, incluyendo la colocación del catéter sugerido. Los elementos importantes de este aparato son las siguientes: el uso de una bomba centrífuga para el control de la postcarga; la colocación de un catéter de presión (línea azul oscuro) en la raíz aórtica para monitorear la presión de perfusión; y la colocación del catéter de presión-volumen (PV) (línea azul claro) transapical. Aunque las conexiones de la figura parecen ser las conexiones rectas, se recomiendan los conectores en "Y", especialmente para la línea de precarga.
La Figura 2 muestra los datos obtenidos desde el transductor de presión que se coloca en la raíz aórtica de un corazón porcino durante la reperfusión en el circuito, que es consistentemente entre 40-42 mmHg durante más de 20 min. Los cambios en la resistencia coronaria pueden causar fluctuaciones en la presión de perfusión (Figura 3). Estas variaciones pueden ser leves y graduales, corregirlos mismos a través del tiempo (Figura 3a). Sin embargo, en algunos casos, estas variaciones pueden ser abruptos y requieren un ajuste del flujo a través de la bomba centrífuga para mantener la presión deseada reperfusión (Figura 3b). Debido a que pueden producirse cambios, se requiere un control de la presión de la raíz aórtica durante la reperfusión.
Mediante la utilización de la incisión punzante transapical, los datos de presión-volumen se pueden obtener fácilmente en el sistema del corazón aislado. En este experimento, se utilizó un corazón porcino que se habían almacenado en solución de conservación en frío (4 ° C) durante 2 horas. Sobre la introducción inicial del catéter PV, los bucles eran de mala calidad (Figura 4a), con múltiples zonas de cruce y no hay componentes del ciclo cardiaco discernibles. Sin embargo, con un mínimo de manipulación del catéter dentro del ventrículo, la morfología de bucle mejorado de manera espectacular (Figura 4b), lo que permite mediciones que se obtienen.
ve_content "> A pesar de la optimización de la posición del catéter, los bucles adquiridos en el circuito ex vivo (Figura 5, fila superior) pueden tener una morfología diferente que los bucles en vivo (Figura 5, fila inferior). Estos cambios en la morfología de bucle son probablemente debido a la diferente orientación del corazón en el circuito de comparación en un animal en posición supina, así como la falta de los archivos adjuntos anatómicas encontradas dentro de un animal vivo (por ejemplo, pericardio). Además, el uso de cables de estimulación para ayudar a regular la frecuencia cardíaca ( sitio de unión recomendada: tabique interventricular) introduce una corriente eléctrica externa, lo que lleva a los picos observados en la parte inferior derecha de los ex vivo bucles Sin embargo, siempre y cuando estos lazos aún cuentan con los componentes del ciclo cardiaco, pueden todavía producir datos interpretables.. La Tabla 1 lista los parámetros funcionales múltiples obtenidos a partir de estos bucles de presión-volumen utilizando el catéter de PV. La almacenamiento estático en frío probablemente causado algún daño intrínseco al corazón, lo que ayuda a explicar algunos de los cambios en los valores obtenidos en el circuito en comparación con las mediciones in vivo. Parte de la variación dentro de las variables dependiente de la carga se debe también a las probables diferencias en la precarga entre el circuito y el animal vivo.
Figura 1. Diagrama de aparato.
Figura 2. Mediciones de la presión de la raíz aórtica representativas durante la reperfusión.
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Figura 3. Ejemplos de los cambios en la presión de la raíz aórtica que puede ocurrir durante la reperfusión. Estos cambios pueden ser graduales y de auto-corrección (A), o abrupto y requerir cambios en la configuración de la bomba centrífuga (B).
Figura 4. Bucles de presión-volumen obtenido tras la inserción inicial del catéter transapical (A) y después de la manipulación del catéter menor (B). Nota la mejora de la morfología de bucle, con lo cual se elimina el cruce de bucle y los elementos del ciclo cardíaco son reconocibles . Los picos en la parte inferior derecha de ambos conjuntos de bucles se deben a la utilización de un marcapasos, que introduce una señal eléctrica extrínseca.
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Figura 5. Mediciones de presión-volumen representativas tomadas en el vivo del circuito ex (fila superior), con mediciones in vivo en (fila inferior) para la comparación. Una vez más, los picos del marcapasos se puede ver en la parte inferior derecha de los dos grupos de ex vivo bucles.
Tabla 1 Parámetros funcionales obtenidos para un corazón porcino in vivo (columna de la izquierda) y en el aparato de trabajo del corazón después de 2 h de almacenamiento en frío (columna derecha) CO:.. Gasto cardíaco; E a: elastancia arterial; EDPVR: telediastólico relación presión-volumen; EDV: volumen diastólico final; ESPVR: Terminar sistólica relación presión-volumen; PRSW: precarga-recruitable trabajo sistólico; PVA:zona de presión-volumen; SV: volumen sistólico; SW: trabajo sistólico.
El aparato de perfusión aislada del corazón Langendorff y modelo de corazón de trabajo han dado lugar a algunos de los descubrimientos más fundamentales de la fisiología cardiaca, patología y farmacología. Versatilidad de este modelo permite su uso con una variedad de especies de bajo una variedad de condiciones normales y patológicas 1-18. Sin embargo, el modelo de corazón aislado no es de uso común para los grandes mamíferos, especialmente los corazones humanos, en parte debido a la mayor complejidad de diseño tanto aparato y recogida de datos. Por lo tanto, el protocolo presentado en el presente documento demuestra un intento de mejorar estas complejidades que se traduce en un medio relativamente reproducibles de estudio de corazones aislados de la especie porcina.
Un componente crucial de nuestra configuración es el reemplazo de la cámara de la distensibilidad arterial / poscarga con una bomba centrífuga. Este cambio permite un mejor control de la presión de perfusión coronaria y la poscarga en el corazón de Langendorff y modos de trabajo, respectivamente, permite que esta puesta a punto para adaptarse fácilmente a los corazones de diferentes tamaños y especies. Por ejemplo, en este diseño, corazones porcinos son reperfusión a 40-45 mmHg, mientras que los corazones humanos se reperfusión en 60-65 mmHg. Este cambio en la presión se logra simplemente mediante el ajuste de la configuración de la bomba centrífuga; ningún componente del sistema necesita ser ajustado físicamente. Además, la colocación de un transductor de presión dentro de la raíz aórtica para monitorear presiones de raíz permite una fácil transición entre el flujo constante y presión constante durante el modo de Langendorff. Aunque este cambio elimina la cámara de cumplimiento clásica, la bomba centrífuga, por lo que permite el flujo bidireccional ocurre basado en el gradiente de presión, puede servir como una cámara de cumplimiento. Con el volumen de eyección sístole y expulsado, el flujo retrógrado a través de la bomba sirve para disminuir la presión de la poscarga, replicando la elasticidad de la aorta.
El diseño abierto de este aparato es también importante. Tras el corazón que cuelga en una una abiertoREA, en lugar de una cámara semi-cerrado o embudo, permite fácil instrumentación de mediciones de presión-volumen. El diseño abierto permite el uso de una incisión transapical para LV colocación del catéter, evitando el enfoque transvalvular. El enfoque transvalvular es técnicamente más difícil, y por lo general requiere de fluoroscopia para la colocación adecuada. Además, este enfoque también puede inducir insuficiencia valvular. Mediante el uso de la vía transapical, que forma segura y fácil a colocar el catéter dentro del ventrículo izquierdo al tiempo que elimina el coste y los inconvenientes de la fluoroscopia adicional. El diseño abierto también permite un fácil acceso para la ecocardiografía y la recogida de efluentes, ampliando aún más los parámetros funcionales y bioquímicos que pueden ser evaluados, mientras que en este sistema.
El diseño abierto, al tiempo que facilita la recogida de datos, hace que la regulación de temperatura del miocardio más difícil. El mantenimiento de la temperatura fisiológica es uno de los problemas conocidos con una Langendorffo trabajando sistema del corazón 1,3,11,13. El sistema de Langendorff contiene típicamente una cámara térmica que ayuda a mantener una temperatura adecuada, pero esta cámara también hace que la inserción de un catéter de presión-volumen ventricular más difícil. Para resolver la regulación de la temperatura inferior del diseño abierto, un intercambiador oxigenador / calor se coloca después del depósito. El espacio mínimo entre el intercambiador de calor y la cánula aórtica reduce la pérdida de calor, y la sonda de temperatura infarto asegura la normotermia. El uso de tubos de encamisado o fuentes de calentamiento externas también se puede utilizar para ayudar con control de temperatura.
Otro elemento singular de este protocolo es el lavado de la sangre autóloga de los cerdos en estudio y reconstituir con solución salina normal. Aunque, el uso de cualquiera de perfundidos de sangre entera o células rojas de la sangre aumentada con tampones cristaloides no es raro, lo hace presente con temas. El ex general requiere una donación de animales, lo que añade substcostos antial del experimento, mientras que el último puede tener problemas de inmunogenicidad, ya que por lo general se deriva de 1,11-13 sangre bovina. Al lavar la propia sangre del cerdo original, el protocolo sólo requiere un único animal y las cuestiones de inmunogenicidad se ablación. Además, el proceso de lavado elimina la mayor parte de los electrolitos, lo que significa que pueden ser fácilmente manipulados por los parámetros experimentales. Finalmente, el uso de una unidad de conservación de la sangre elimina la mayor parte de las proteínas dentro de la sangre, que es a la vez una ventaja y desventaja de este proceso. La ventaja es que cualquier coagulación y proteínas inmunológicas / infecciosas se eliminan, disminuyendo la probabilidad de formación de coágulos o la contaminación. La desventaja es que esta mezcla tiene una presión oncótica baja, lo que puede conducir a edema miocárdico y, posiblemente, la pérdida de la función cardíaca en el tiempo. Este problema puede ser dirigida, sin embargo, a través de la adición de albúmina u otro coloide.
Asegurar que un tamaño adecuado de unaIMAL y el catéter se han seleccionado es tan importante como usar el aparato cardíaco funcionamiento. Idealmente, el catéter se coloca con todos los electrodos de detección dentro del espacio ventricular, con dos electrodos de excitación (es decir, los electrodos más proximales) fuera del espacio ventricular. Si cavidad ventricular del animal es demasiado pequeño, o la separación entre los electrodos es demasiado grande, entonces todos los segmentos no cabe en el espacio de LV. Si bien la ubicación de los electrodos de excitación se puede ajustar, una pequeña cavidad LV también puede hacer que el catéter se doble o se curva, lo que hace difícil la recogida de datos. Por lo tanto, para el análisis funcional de los corazones de animales grandes, se recomienda un tamaño de los animales de al menos 60 kg. Con un animal de este tamaño, el espaciamiento del electrodo de 7 mm por lo general permite la inserción completa del catéter.
En conclusión, este manuscrito describe un sistema aislado de trabajo del corazón que simplifica la regulación de la presión de perfusión, col de datoslección, y el diseño en general, al tiempo que el control de temperatura sólo un poco más difícil. Estas modificaciones en el corazón aislado de trabajo se espera que permitirá el aumento de su uso con grandes corazones de mamíferos, incluidos los humanos, la promoción de nuestra comprensión de la patología cardiaca y permitiendo más opciones de tratamiento clínicamente relevantes para ser descubierto.
The authors have nothing to disclose.
There are no acknowledgments.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
PowerLab 16/35 with LabChart Pro | ADInstruments | PL3516/P | |
MPVS Ultra Pressure-Volume Unit | ADInstruments | 880-0168 | |
Ventri-Cath Catheter (5F, 12E, 7 mm, DField, Straight, 122 cm) | Millar | VENTRI-CATH-507s | |
Pressure Catheter (3.5F, Single, Straight, 100 cm, Ny, Non Repairable) | Millar | SPR-524 | |
PV Extension Cable (10 ft) | ADInstruments | CEC-10PV | |
Catheter Interface Cable (10 ft) | ADInstruments | PEC-10D | |
Rho Calibration Cuvette | ADInstruments | 910-1060 | |
MPVS Ultra BNC Cable Pack | ADInstruments | 880-0172 | |
Autotransfusion system | Sorin | 7320000 | |
Bowl Set with Low Volume (135 ml) Centrifuge Bowl | Sorin | 7135100 | |
Oxygenator/Heat Exchanger | Terumo | 3CXSX18RX | |
Perivascular flow probe | Transonic Systems | PAU Series | Size of flow probe will depend on animal size; for 60 kg pig, recommend 20 or 24 mm probe |
Perivascular flowmeter module | Transonic Systems | TS420 | |
Myocardial temerpature sensor | Smiths Medical | MTS-40015 | |
16 G 1" Regular needle | BD Inc. | 305197 | |
4-0 polypropylene suture (double-arm) | Ethicon | 8526H | For purse-string stitches |
2-0 polypropylene suture (single-arm) | Ethicon | 8833H | |
Cable ties | ULINE | S-1021 | |
Cable tie gun | ULINE | H-241 | |
Clear, Flexible PVC Tubing | VWR International | 89068 | Inner diameter depends on cannulas, pumps and other equipment used; most commonly use 1/4", 3/8" tubing |
Straight Tubing Connectors | VWR International | 46600 | |
Y-Shaped Tubing Connectors | Thermo Scientific | 6152 | |
Jacketed Bubble Trap | Radnoti | 14040 | For preload chamber |
Centrifugal pump | Maquet | 70105 | The centrifugal pump and roller pumps were obtained used from perfusion department after clinical use. |
Roller pumps | Maquet | HL-20 | |
Hemostasis Valve | Merit Medical | MAP150 | |
Blood gas analyzer | Instrumentation Laboratory | 570001000 |
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