Nuevo enfoque percutáneo para el despliegue de implantes de estenosis coronaria impresa en 3D en modelos porcinos de cardiopatía isquémica

Resumen

Describimos una técnica novedosa, rentable y eficiente para la entrega percutánea de implantes coronarios impresos tridimensionalmente para crear modelos porcinos de pecho cerrado de cardiopatía isquémica. Los implantes se fijaron en su lugar utilizando un catéter de extensión de madre e hijo con alta tasa de éxito.

Resumen

Los métodos mínimamente invasivos para crear modelos de estrechamiento coronario focal en animales grandes son desafiantes. Se pueden emplear prototipos rápidos utilizando implantes coronarios impresos tridimensionales (3D) para crear percutáneamente una estenosis coronaria focal. Sin embargo, la entrega confiable de los implantes puede ser difícil sin el uso de equipos auxiliares. Describimos el uso de un catéter de guía coronario materno-infantil para la estabilización del implante y para la entrega efectiva del implante impreso en 3D a cualquier lugar deseado a lo largo de la longitud del vaso coronario. El estrechamiento coronario focal se confirmó bajo cineangiografía coronaria y la importancia funcional de la estenosis coronaria se evaluó utilizando una resonancia magnética de perfusión cardíaca de primer paso mejorada con gadolinio. Mostramos que la administración confiable de implantes coronarios impresos en 3D en modelos porcinos (n.o 11) de cardiopatía isquémica se puede lograr mediante la reasignación de catéteres de guía coronario materno-infantil. Nuestra técnica simplifica el parto percutáneo de implantes coronarios para crear modelos porcinos de pecho cerrado de estenosis de arteria coronaria focal y se puede realizar rápidamente, con una baja tasa de fallo procesal.

Introducción

La cardiopatía isquémica sigue siendo la primera causa de muerte en los Estados Unidos¹. Los grandes modelos animales se han utilizado experimentalmente para comprender y caracterizar los mecanismos de conducción de la enfermedad de las arterias coronarias (CAD) y las complicaciones asociadas (incluyendo infarto de miocardio, eventos arritmicos e insuficiencia cardíaca), así como para pruebas de nuevas terapias o modalidades diagnósticas. Los resultados de estos estudios han ayudado a ampliar la comprensión, el diagnóstico y el seguimiento de las cardiopatías isquémicas y a avanzar en la práctica clínica^2. Se han utilizado varios modelos animales, incluyendo conejos, perros y cerdos. Sin embargo, las estenosis coronarias, particularmente lesiones discretas, ocurren muy raramente en estos animales y son difíciles de inducir reproduciblemente³. El trabajo anterior describió la creación de estenosis coronaria artificial mediante ligadura, oclusores o abrazaderas externas. Recientemente, describimos cómo utilizar la tecnología de impresión 3D para fabricar implantes coronarios que se pueden utilizar para crear percutáneamente un estrechamiento coronario artificial discreto⁴. Utilizando software de diseño asistido por computadora, diseñamos implantes de arteria coronaria como tubos huecos con diferentes diámetros internos y externos, así como la longitud del implante y luego los fabricamos utilizando materiales aditivos disponibles comercialmente. Los implantes son tubos lisos, huecos, impresos en 3D con bordes redondeados. Diseñamos una biblioteca de tamaños de implantes con una gama de diámetro interior, diámetro exterior y longitud. El diámetro exterior del implante se basa en el tamaño del catéter de guía coronario. El diámetro interior se basa en el tamaño de un globo de angioplastia coronaria desinflado. Variamos la longitud del implante para adaptar la severidad deseada de perfusión. Sin embargo, la entrega percutánea segura de estos dispositivos puede ser difícil debido a la falta de cables y catéteres fabricados específicamente para uso animal grande. Por el contrario, una extensa colección de catéteres, alambres y equipos de apoyo están disponibles para uso clínico en arterias coronarias humanas. En este trabajo, mostramos cómo reutilizar un catéter de guía coronario de grado clínico para la entrega de los implantes coronarios impresos en 3D.

El catéter GuideLiner(Figura 1A) fue desarrollado para la intervención coronaria percutánea (PCI) para permitir asientos profundos del catéter y mayor apoyo para casos complejos⁵. En nuestra investigación, el catéter GuideLiner fue elegido debido a la familiaridad de uso y disponibilidad, pero también se pueden considerar catéteres similares, cuando estén disponibles. Considerado un catéter guía "madre e hijo"(Figura 1B),el dispositivo cabe dentro de un catéter de guía coronario típico ("madre") y es un tubo flexible coaxial ("niño"). Este catéter se puede insertar sobre un alambre guía y efectivamente alarga el alcance de un catéter de guía coronario típico extendiéndose más allá del final de la guía coronaria. El GuideLiner o un catéter similar para madre e hijo se puede utilizar como apoyo adicional para el despliegue de los implantes coronarios impresos en 3D. Debido a que los implantes se montan sobre globos de angioplastia para insertarlos como una unidad sobre un cable coronario en el recipiente(Figura 1B,1C),el catéter ofrece soporte adicional para entregar el implante al sitio deseado. Al colocar el catéter materno-infantil sólo proximal al globo, el implante permanece en el lugar deseado durante la deflación y retracción del globo. A pesar de tener cierta firmeza en su estructura, la capacidad única del catéter materno-infantil para avanzar profundamente en las arterias coronarias sobre un alambre guía y el marcador radiopaco en la punta del catéter fueron características esenciales para la implantación.

Nuestro aparato de parto ensamblado consistía en un catéter de guía coronaria típico, el catéter de madre e hijo y un implante impreso en 3D fijado en un globo de angioplastia coronaria desinflado(Figura 1B). Como unidad de parto funcional, el catéter materno-infantil no sólo proporcionó un apoyo adicional estable para la entrega del equipo, sino que también se aplicó de forma única como un dispositivo de cizallamiento para mantener los implantes en su lugar durante la deflación y la extracción del globo. El marcador radiopaco en la punta del catéter sirvió como guía de posicionamiento para el aparato ensamblado y se sienta proximal al globo de la angioplastia. Estas características permitieron un despliegue preciso de los implantes de limitación de flujo. El proceso fue diseñado para ser reproducible, eficiente y humano para los sujetos animales.

En nuestra aplicación, se utilizó la técnica de parto percutáneo madre-hijo para crear modelos porcinos con estenosis coronaria focal para la evaluación de la resonancia magnética de perfusión cardíaca (RM) de estrés mejorado por contraste. Sin embargo, la técnica puede emplearse en otras investigaciones, incluidos los sistemas vasculares fuera de los vasos coronarios.

Protocolo

Realizamos los experimentos de acuerdo con las directrices de la Ley de Bienestar Animal, los Institutos Nacionales de Salud y la Asociación Americana del Corazón sobre el Uso de Animales de Investigación. Nuestro Comité Institucional de Cuidado y Uso animal aprobó el protocolo de estudio animal.

1. Preparación preprocesal de implantes de estenosis coronaria impresa en 3D

1. Con pinzas, sumerja los implantes impresos en una solución de heparina del 25% para evitar la formación de trombos y dejar secar al aire durante 24 horas.

2. Preparación preprocesal de sujetos animales

1. Haga que los machos de Yorkshire porcinos (SNS Farms, 30-45 kg) lleguen a la institución 1 semana antes de la fecha del experimento y les permitan aclimatarse.
2. Mantenga al cerdo en un estado de ayuno después de la medianoche del día anterior al procedimiento.

3. Anestesia procesal

1. Sedar el cerdo con ketamina intramuscular (10 mg/kg) y midazolam intravenoso (1 mg/kg).
2. Ventilar a los animales con un oxígeno-isoflurano (1–2%) Mezcla.
3. Realizar intubación endotraqueal una vez que el sujeto animal está sedado.
4. Infundir rocuronio intravenoso (IV) (2,5 mg/kg/h) y dar bolos adicionales (1–3 mg/kg IV cada 20–30 min) cuando sea necesario para lograr la inmovilización diafragmática.
5. Mantener un plano quirúrgico de anestesia durante todo el procedimiento mediante la comprobación de despertar, movimientos, amplia fluctuación en los signos vitales, y otros signos de angustia o malestar durante toda la duración del experimento. Monitoreamos el cerdo durante aproximadamente 6 h bajo anestesia.

4. Acceso vascular

1. Usando la técnica Seldinger, inserte las vainas arteriales y venosas en las arterias y venas femorales bilaterales de los sujetos.
2. Enjuague todos los puertos del catéter continuamente con salina normal heparinizada.

5. Administración de medicamentos preprocesales

1. Administrar amiodarona por vía intramuscular (1,5 mg/kg), lidocaína por vía intravenosa (2 mg/kg) y esmolol por vía intravenosa (1 mg/kg) según sea necesario para la profilaxis contra la arritmia. Dar dosis repetidas de amiodarona, lidocaína, y esmolol según sea necesario durante el curso del experimento para suprimir los ritmos ventriculares y controlar la respuesta de la frecuencia cardíaca.
2. Después de obtener el acceso vascular, administre heparina (5.000-10.000 unidades) para mantener un tiempo de coagulación activado (ACT) >300 s. Compruebe el ACT cada hora durante el transcurso del experimento y administre heparina intravenosa adicional según sea necesario para mantener el objetivo de ACT.

6. Monitoreo hemodinámico

1. Utilice un solo cable torácico de electrocardiografía lateral (ECG) para registrar los cambios en el segmento ST, las ondas T y la frecuencia cardíaca durante todo el período experimental.
2. Utilice un transductor de presión para registrar la presión arterial femoral continua durante todo el procedimiento.
3. Coloque un oxímetro de pulso en el oído o el labio del animal para obtener grabaciones continuas de oximetría de pulso.

7. Preparación de equipos de entrega de implantes

1. Antes de realizar la angiografía coronaria, inserte un globo coronario NC Trek desinflado a través de un catéter de madre e hijo del tamaño deseado, de tal forma que la punta del globo se extienda más allá de la punta del catéter.
2. Monte el implante impreso en 3D en el globo de angioplastia desinflado de forma que el implante se coloque entre los marcadores del balón y cerca del marcador proximal(Figura 1B).
3. Infle el globo con un insuflador a 2-3 atm para fijar el implante en el globo. Compruebe que el implante esté situado más cerca de la mitad proximal del balón para que esté más cerca del catéter de madre e hijo cuando esté listo para la extracción(Figura 1B).

8. Angiografía coronaria e despliegue de implante coronario

1. Coloque el brazo C fluoroscópico en la proyección anteroposterior (AP).
2. Coloque una válvula de control (ver Tabla de materiales)a un catéter de guía coronario izquierdo o derecho (ver Tabla de materiales).
3. Introducir el catéter guía sobre un alambre con punta J a través de la vaina de la arteria femoral derecha y, bajo guía fluoroscópica, avanzar el catéter a la raíz aórtica.
4. Selectivamente (o no selectivamente) enganche el catéter en la arteria coronaria principal izquierda (LMCA) e inyecte 5 ml de contraste yodado bajo fluoroscopia para visualizar el sistema coronario izquierdo.
5. Coloque el catéter guía hacia el LMCA para el segundo angiograma(Figura 2). Si el compromiso de las arterias coronarias resulta difícil, debido en parte al arco aórtico corto del cerdo, considere la posibilidad de realizar angiografías no selectivas siempre y cuando proporcionen una visualización adecuada de los vasos.
6. Una vez dentro de la LMCA, o colocada cerca de la LMCA, bajo fluoroscopia, avance un alambre coronario de 0.014", 300 cm (ver Tabla de Materiales)en el LMCA y avance aún más el alambre a la arteria descendente anterior izquierda distal (LAD) o a la arteria coronaria circunfleja izquierda (LCX) si se desea(Figura 3).
7. Bajo guía fluoroscópica, inserte el catéter materno-infantil previamente ensamblado con el balón de angioplastia coronaria inflado e implante sobre el alambre coronario y avance a la ubicación deseada a lo largo del vaso coronario. Inyectar 5 ml de contraste yodado para visualizar un estrechamiento discreto en el lugar deseado donde se debe desplegar el implante coronario(Figura 4).
8. Una vez que el implante esté en posición, avance el catéter de madre e hijo al marcador proximal del globo inflado.
9. Desinflar el globo y retraerlo a través del catéter de madre e hijo. Este proceso permite que el catéter materno-hijo corte el implante del globo a medida que se retrae y fija la posición del implante en el segmento designado del recipiente.
10. Retire el globo, el catéter maternoinfantil y el cable coronario.
11. Realice angiografías finales para documentar la ubicación de la nueva estenosis artificial dentro del recipiente. Cuando sea posible, se deben realizar angiogramas en dos vistas ortogonales para adquirir una estimación visual de la gravedad de la estenosis. Una angiografía final(Figura 5)también se puede realizar con el posicionamiento subselectivo del catéter madre e hijo en el vaso proximal, que proporciona una excelente opacificación con un contraste mínimo.
12. Transfiera inmediatamente al animal a la sala de resonancia magnética para someterse a una resonancia magnética por perfusión por estrés cardíaco utilizando gadobutrol (0,1 mM/kg) inyectado a una velocidad de 2 ml/seg.
    NOTA: El agente de tensión utilizado fue una perfusión de adenosina de 4 minutos a 300 g/kg/min. El protocolo de imagen incluía 1) imágenes cinefónicas (campo de visión [FOV] a 292 x 360 mm, tamaño de matriz 102 x 126, tiempo de repetición [TR] a 5,22 ms, tiempo de eco [TE] a 2,48 ms, espesor de la rebanada de 6 mm, ancho de banda de píxeles a 450 Hz, ángulo de volteo a 12o); 2) first-pass perfusion at rest and at peak adenosine vasodilator stress using a spoiled gradient echo sequence (FOV = 320 x 320 mm, matrix size = 130 x 130, TR = 2.5 ms, TE = 1.1 ms, slice thickness = 10 mm, pixel bandwidth = 650 Hz, flip angle = 12°; and 3) late gadolinium enhancement imaging using an ECG-gated, segmented, spoiled gradient-echo phase-sensitive-inversion-recovery sequence (FOV = 225 x 340 mm, matrix size = 131 x 175 mm, TR = 5.2 ms, TE = 1.96 ms, slice thickness = 8 mm, inversion time (TI) = optimized to null the myocardium, p anchura de banda de ixel a 465 Hz, ángulo de volteo a 20o). En la Figura 6se muestra una imagen ilustrativa de perfusión de primera pasada.
13. Después de completar el protocolo de RMN, eutanasia al cerdo mediante una perfusión de pentobarbital sódico (100 mg/kg).
14. Realice una toracotomía lateral, exbeya el corazón y diseccione el corazón ex vivo para exponer los vasos coronarios. Observe la ubicación del implante en relación con las ramas diagonales (territorio LAD) u ramas marginales obtusas (territorio LCX) y recupere los implantes.
15. Utilizando tijeras Metzenbaum contundentes y curvadas, abra el vaso coronario e inspeccione el vaso en busca de lesiones graves (ver Figura 7). Fotografíe el tejido cardíaco para la patología grave y la mancha con cloruro de trifenilotrazorio para excluir el infarto de miocardio (ver Figura 8).

Resultados

Después de la optimización inicial del procedimiento, el componente de intervención se completó en un plazo de 30 minutos. Los implantes se entregaron con éxito en los 11 sujetos (100%). El implante fue recuperado en la autopsia en los 11 sujetos (100%). Usando las ramas diagonales (a lo largo del LAD) u obtusas ramas marginales (a lo largo del LCX) como marcadores posicionales, encontramos que la posición del implante en el despliegue guiado por fluoroscópicos y en la autopsia era consistente en 10 de las 11 (91%...

Discusión

En este trabajo, nos centramos en una nueva estrategia de despliegue percutáneo para implantes que inducen la estenosis coronaria y mostramos que un catéter de madre e hijo puede ser reutilizado para la administración percutánea efectiva de implantes coronarios impresos en 3D. Las estenosis coronarias artificiales discretas de gravedad variable se pueden crear rápidamente en modelos porcinos con una alta tasa de éxito y de manera mínimamente invasiva utilizando técnicas y equipos de intervención coronaria percut...

Materiales

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