Enregistrement par échocardiographie chez des porcs miniatures éveillés

Résumé

Une construction de chariot simple, construite pour effectuer une échocardiographie de recherche chez des miniporcs éveillés, est décrite, ainsi que des considérations de construction, des techniques d’entraînement et des images échographiques représentatives.

Résumé

L’échocardiographie utilise des ondes ultrasonores pour évaluer de manière non invasive la structure et la fonction cardiaques et constitue la norme de soins pour l’évaluation et la surveillance cardiaques. Le cochon miniature, ou minicochon, est de plus en plus utilisé comme modèle de maladie cardiaque dans la recherche médicale. Les porcs sont notoirement difficiles à maîtriser et à manipuler en toute sécurité et, par conséquent, l’échocardiographie de recherche chez cette espèce est presque toujours réalisée sous anesthésie ou sédation lourde. Les anesthésiques et les sédatifs affectent universellement la fonction cardiovasculaire et peuvent provoquer une dépression du débit cardiaque et de la pression artérielle, une augmentation ou une diminution de la fréquence cardiaque et de la résistance vasculaire systémique, des changements dans le rythme électrique et une altération du flux sanguin coronaire. Par conséquent, l’échocardiographie sous sédation ou anesthésiée peut ne pas décrire avec précision la progression de la maladie cardiaque dans de grands modèles animaux, limitant ainsi la valeur translationnelle de ces études importantes. Cet article décrit un nouveau dispositif qui permet l’échocardiographie éveillée chez les miniporcs. En outre, les techniques de formation utilisées pour apprendre aux porcs à tolérer cette procédure indolore et non invasive sans avoir besoin d’anesthésiques altérant l’hémodynamique sont décrites. L’échocardiographie éveillée représente un moyen sûr et réalisable d’effectuer le test de surveillance cardiaque le plus courant chez les miniporcs pour la recherche cardiovasculaire.

Introduction

L’insuffisance cardiaque est un fardeau croissant pour les institutions médicales aux États-Unis et à l’étranger, avec une prévalence mondiale de 38 millions de patients¹. Environ 19 millions de décès dans le monde ont été attribués aux maladies cardiovasculaires en 2020, ce qui représente une augmentation de 18,7 % par rapport à 2010². Le développement de nouvelles thérapies tarde à rattraper cette tendance alarmante. L’insuffisance cardiaque est donc un domaine de recherche essentiel, et l’importance des outils haute fidélité pour capturer le développement et la progression de la maladie ne peut être surestimée.

L’échocardiographie est actuellement l’outil le plus important sur le plan clinique pour mesurer de manière non invasive la progression des maladies cardiaques, mais dans les modèles de recherche sur les grands animaux, elle peut être difficile à mettre en œuvre³. L’échocardiographie utilise des ondes ultrasonores pour évaluer la structure et la fonction cardiaques et constitue la norme de soins en milieu clinique pour l’évaluation et la surveillance cardiaques⁴. Les modèles précliniques de maladies cardiaques chez les grands animaux, tels que les porcs, jouent un rôle essentiel dans l’application de la science fondamentale au développement de thérapies cardiovasculaires⁵. Il s’ensuit donc que la traduction de l’échocardiographie à de grands modèles animaux dans le développement de ces thérapies est une partie importante de cette entreprise critique.

Les porcs sont l’une des nombreuses espèces couramment utilisées comme modèles animaux de grande taille de simulations ischémiques, de surcharge de pression et d’accélération rapide de l’insuffisance cardiaque ^5,6. Les porcs sont particulièrement importants dans les études précliniques, car les mécanismes compensatoires neurohormonaux et le remodelage cardiaque reflètent étroitement la physiopathologie humaine ^6,7. Plus récemment, des porcs miniatures, ou miniporcs, se sont révélés prometteurs en tant que modèle de comorbidités multiples de maladie cardiaque, l’obésité, l’hypertension, l’hypercholestérolémie et le diabète entraînant de manière fiable un dysfonctionnement cardiaque et un remodelage ^8,9.

Effectuer une échocardiographie en toute sécurité chez la plupart des grands animaux nécessite une sédation lourde ou une anesthésie générale. Cependant, tous les médicaments anesthésiques et sédatifs dépriment la fonction cardiaque de manière dose-dépendante^10,11. Les anesthésiques et les sédatifs peuvent provoquer une dépression du débit cardiaque et de la pression artérielle, une augmentation ou une diminution de la fréquence cardiaque et de la résistance vasculaire systémique, des modifications du rythme électrique et une altération du débit sanguin^{coronaire 12}. Dans la plupart des cas, les anesthésiques réduisent le tonus sympathique, diminuent le retour veineux et abaissent la pression artérielle¹³. Il est important de noter que les anesthésiques affectent également les paramètres échocardiographiques, ce qui complique l’interprétation de cet examen dans la surveillance des maladies cardiaques dans des modèles animaux¹⁴. L’échocardiographie éveillée est la représentation la plus proche de la fonction cardiaque native.

Un dispositif de contention porcine, facilement accepté par les miniporcs éveillés, est décrit ici et peut être utilisé pour la surveillance échocardiographique de base sans nécessiter l’administration d’anesthésiques altérant l’hémodynamique.

Protocole

La construction et l’utilisation du chariot d’échocardiographie ont été menées conformément aux normes de manipulation et de formation des animaux du comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de l’Université de l’Utah.

1. Considérations pour la construction du chariot d’échocardiographie

1. Construire un engin qui permet d’accéder aux fenêtres d’imagerie par échocardiographie debout latérales et ventrales.
2. Utilisez un chariot avec des côtés hauts, à l’avant et à l’arrière pour empêcher les porcs de grimper ou de sauter pendant l’échocardiographie.
3. Utiliser un chariot réglable en longueur et en largeur pour accueillir des porcs de différentes tailles et âges; Cependant, dans les études de recherche dans lesquelles tous les porcs sont de la même taille, de la même race et du même âge, cela peut ne pas être nécessaire.
4. Procurez-vous une rampe antidérapante pour le montage et le démontage du chariot. Les porcs préfèrent avancer, donc une descente en arrière n’est pas souhaitable. Dans cet exemple, une rampe amovible a été utilisée, de sorte qu’elle pouvait être déconnectée d’une extrémité après le montage du chariot, puis déplacée à l’autre extrémité du chariot pour le démontage.
5. Utilisez un chariot à roues avec roues verrouillables, car cela permet de déplacer l’engin de l’entreposage à la salle animalière.
6. Pour vous conformer aux normes de nettoyage et de désinfection du vivarium, utilisez du plastique, du métal et du caoutchouc.
7. Enfin, incluez une mangeoire détachable à l’avant du chariot pour distraire les porcs pendant l’échocardiographie.

2. Spécifications de construction de chariot

NOTE: Les porcs utilisés dans notre étude étaient des porcs miniatures du Yucatan et de Göttingen âgés de 5 à 10 mois et, par conséquent, notre chariot a été construit avec cette taille à l’esprit.

1. Bien qu’une structure similaire puisse être construite à partir de zéro, pour réduire certains travaux de construction, commencez à partir d’un chariot utilitaire lourd préfabriqué (Figure 1). Il est recommandé de verrouiller les roues.
2. Sciez et retirez l’avant et l’arrière du chariot utilitaire, et remplacez-les par des barrières construites en tuyau en PVC et en maillon de chaîne. Utilisez le matériau à mailles de chaîne pour suspendre une mangeoire à l’aide de crochets ou de mousquetons (figure 2). Avec le retrait de l’avant et de l’arrière, l’intégrité et la résistance de maintien du plastique sont réduites, donc pour les porcs plus gros et plus lourds, renforcer avec des barres métalliques sur les côtés inférieurs des étagères du chariot.
3. Créez une ouverture au dernier étage du chariot qui est assez grande pour passer une main tenant une sonde à ultrasons. Conservez un couvercle en plastique monté sur le haut de l’ouverture, qui peut être retiré pour permettre l’accès à l’échocardiographie sous-xiphoïde une fois que les porcs sont debout en toute sécurité dans le chariot (figure 3).
4. Comme ajustement personnalisé, utilisez une crosse en aluminium (p. ex., tube carré, barre et tôle) pour construire une rampe de montage / démontage en métal avec des renforts à fixer au chariot modifié à certains points de fixation. Ajouter un rembourrage amovible en caoutchouc pour l’adhérence à l’aide de boulons et d’œillets (Figure 4).
5. Créez un mécanisme de charnière pour les portes latérales, avec des broches simples utilisées pour rétrécir la zone debout du porc afin d’améliorer la retenue (figure 5). Cela permet au porc de se ranger parfaitement à l’intérieur du chariot et de s’assurer que les porcs sont retenus dans une direction orientée vers l’avant sans pouvoir se retourner.

3. Entraîner les minicochons à se tenir debout dans le chariot

1. Les porcs doivent être entraînés à manger dans l’auge pendant une période prolongée, à monter la rampe et à descendre la rampe.
2. Remplir l’auge avec une friandise congelée prolonge le temps de repos des porcs. Utilisez des combinaisons telles que des jus, des boissons de remplacement de repas ou du yogourt avec des céréales et du chow standard, des biscuits et / ou des barres de fruits. Congelez ces combinaisons ensemble pour créer des abreuvoirs de friandises congelés durables (figure 6). Une autre option à considérer est de retenir le repas normal de l’animal et de le nourrir plutôt dans l’auge du chariot pendant la période d’échocardiographie.
3. Avant d’apprendre aux porcs à manger les friandises congelées dans l’engin, introduisez les abreuvoirs de friandises congelées sur le sol, en encourageant la reconnaissance de l’auge comme fournissant une friandise de grande valeur.
4. Entraînez les porcs à accepter les échocardiogrammes debout pendant 5 à 7 jours, à raison d’une séance d’entraînement par jour. Pour ce faire, procédez comme suit.
   1. Introduisez les porcs dans le chariot en l’entourant de friandises de grande valeur (biscuits ou céréales) pendant 1-2 jours.
   2. Introduisez les porcs sur la rampe pendant 1 à 2 jours en plaçant des friandises de grande valeur le long de la rampe et en offrant des récompenses supplémentaires lorsque les porcs montent la rampe.
   3. Laissez les porcs se tenir debout sur le chariot sans engager les dispositifs de retenue latéraux ou les barrières (ce qui peut provoquer la peur) et fournissez des abreuvoirs de friandises congelés à la porte d’entrée pendant 2-3 jours. Au cours des 1-2 derniers jours, pendant que les porcs mangent dans les auges, placez la sonde à ultrasons avec du gel à ultrasons sur les porcs pour les habituer à la sensation de contact avec la sonde.
   4. Après ce régime d’entraînement, les porcs permettront facilement de fermer les dispositifs de contention et les portes et d’effectuer une échographie pour l’acquisition de l’imagerie par échocardiographie.

4. Acquisition d’images

1. Obtenez des images dans le chariot d’échocardiographie, ce qui permet de positionner la sonde dans les positions suivantes, comme décrit ci-dessous.
   1. Prenez des images à travers les côtés du chariot à l’aisselle droite et gauche. Ces positions sont utilisées pour obtenir les plans d’imagerie parasternale droit et gauche.
   2. Prenez des images à travers le plancher du chariot jusqu’à la région sous-xiphoïde pour obtenir des vues apicales.
2. Prenez des images pour l’imagerie en mode B et en mode M à partir de ces positions debout.
3. Pour une procédure d’enregistrement d’écho éveillé simulé, voir la vidéo 1. Dans la vidéo, le sujet animal est représenté par une poupée minicochon de taille réelle, contrainte comme un vrai minicochon avec un espace de déplacement limité dans le chariot. La meilleure fenêtre d’accès et le meilleur positionnement de la sonde d’échocardiographie enregistreuse sont également affichés.

Résultats

Les images représentatives acquises chez un minicochon du Yucatan à l’âge d’environ 8 mois sont présentées ici. L’animal n’a jamais été mis sous sédation et profitait d’aliments ou d’abreuvoirs congelés pendant l’acquisition de l’image.

Le chariot d’échocardiographie est principalement utile pour obtenir des images simples pour calculer les volumes de la chambre ventriculaire gauche et la fraction d’éjection (FE) à partir d’images et de vidéos en mode B ou en mode M. L’imagerie plus sensible, telle que l’imagerie vasculaire ou le Doppler tissulaire, peut s’avérer trop difficile avec cette technique, car les porcs éveillés conservent une mobilité limitée et le délai d’imagerie est limité par la durée de l’alimentation.

Le laboratoire utilise un appareil à ultrasons de chevet sans capacités d’analyse d’images post-hoc. Par conséquent, les vidéos et les images fixes nécessitent un traitement à l’aide d’un logiciel de montage et une mesure à l’aide d’un logiciel d’analyse d’images scientifiques.

Des images transversales à axe court en mode M (Figure 7) ont été obtenues à travers les côtés du chariot, qui ont été utilisées pour l’analyse du diamètre interne du ventricule gauche dans la systole et la diastole (LVIDs et LVIDd, respectivement) et le calcul ultérieur de la fraction d’éjection (EF), où EF = (EDV - ESV)/EDV × 100% (EDV: volume diastolique final; ESV : volume systolique terminal) basé sur les volumes calculés avec la formule de Teichholz (volume = 7D³/[2,4 + D]) (D : diamètre linéaire LV)¹⁵. Les données représentatives générées par quatre scans en mode M obtenus à partir de deux miniporcs sont incluses dans le tableau 1, ainsi que les données générées à partir de balayages en mode M enregistrés sur les mêmes animaux pendant les séances d’écho sous sédation. Comme prévu, le FE généré par les séances d’écho sous sédation avait tendance à être inférieur au FE de la séance d’écho conscient.

Des images parasternales en mode B ont également été obtenues à partir des côtés du chariot (figure 8). La méthode de longueur d’aire pour calculer le FE a été utilisée avec ces images en mode B¹⁶. Tout d’abord, l’EDV ventriculaire gauche a été calculée à partir de la longueur du grand axe ventriculaire gauche et de la surface de la chambre en fin de diastolique en utilisant la formule EDV = (0,85 × zone²)/longueur. Le VSE ventriculaire gauche a été calculé de la même manière à l’aide des mesures systoliques. La fraction d’éjection a ensuite été calculée comme suit : FE = (EDV - ESV)/EDV × 100%. Des données représentatives générées à partir de huit balayages en mode B obtenus sur deux miniporcs sont incluses dans le tableau 2. À des fins de comparaison, les données générées par les balayages en mode B enregistrés sur les mêmes animaux pendant les séances d’écho sous sédation sont également incluses. En utilisant les images en mode B, les EF générés par les séances d’écho sous sédation et conscientes ont été étroitement appariés les uns aux autres (tableau 2).

Figure 1 : Vue latérale du chariot d’échocardiographie. Le chariot d’échocardiographie est construit à l’aide d’un chariot utilitaire robuste préfabriqué. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Vue de tête du chariot d’échocardiographie. L’avant et l’arrière du chariot préfabriqué sont remplacés par des portes à charnières en tuyaux en PVC et maillon de chaîne (A), qui peuvent également accueillir une auge suspendue (B). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Vue de dessus du chariot d’échocardiographie. Une ouverture est créée au dernier étage du chariot pour passer une main tenant une sonde à ultrasons. Une sur-pièce en plastique est installée pour le montage et le démontage en toute sécurité du chariot. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Rampe en aluminium. Une rampe en aluminium est fixée à l’avant ou à l’arrière du chariot, et un rembourrage en caoutchouc amovible est ajouté pour la prise en main à l’aide de boulons et d’œillets. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Porte latérale. Des charnières sont créées pour les portes latérales, avec des goupilles pour permettre un dimensionnement et une retenue plus précis. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6: Gâteries pour les séances d’écho conscient. Les combinaisons de jus, de boissons de remplacement ou de yogourt combinées avec des céréales et des chow, des biscuits et / ou des barres de fruits standard sont congelées pour créer des mangeoires congelées de longue durée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Balayage représentatif en mode M obtenu à partir d’un animal conscient. Analyse d’images d’échantillons pour calculer la fraction d’éjection ventriculaire gauche à partir de l’imagerie en mode M. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8 : Balayage représentatif en mode B obtenu à partir d’un animal conscient. Analyse d’échantillons d’images pour calculer la fraction d’éjection ventriculaire gauche à partir de l’imagerie en mode B. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Moyenne ± ET	LVIDd (cm)	LVIDs (cm)	FE (%)
Écho conscient (N=4/2)	3,8 ± 0,5	2,5 ± 0,5	64,3 ± 5,4
Écho sous sédation (N=4/2)	3,9 ± 0,2	3,0 ± 0,0	48,5 ± 7,9
EF, fraction d’éjection; ET, écart type.
N = 4 échoscans obtenus sur deux animaux

Tableau 1 : Comparaison des paramètres générés à partir d’images en mode M enregistrées chez des miniporcs sous sédation par rapport à des miniporcs conscients contraints dans le chariot.

	LV-MALd (cm)	LV-MALs (cm)	LV-CAd (cm2)	LV-CAs (cm2)	FE (%)
Écho conscient (N=8/2)	5,8 ± 0,8	4,5 ± 0,6	18,6 ± 5,0	10,7 ± 2,8	57,3 ± 5,2
Écho sous sédation (N=8/2)	5,9 ± 0,5	4,8 ± 0,4	21,8 ± 2,7	13,1 ± 2,4	55,3 ± 9,0
LV-MAL, longueur du grand axe ventriculaire gauche; LV-CA, région de la chambre ventriculaire gauche;
EF, fraction d’éjection; ET, écart type. N=8 échoscans obtenus sur 2 animaux

Tableau 2 : Comparaison des paramètres générés à partir d’images en mode B enregistrées chez des miniporcs sous sédation par rapport à des miniporcs conscients contraints dans le chariot.

Vidéo 1 : Une procédure d’enregistrement d’échocardiogramme éveillé simulée effectuée sur une poupée minicochon de taille réelle à l’aide du chariot d’échocardiographie. Veuillez cliquer ici pour télécharger cette vidéo.

Discussion

Le chariot d’échocardiographie représente une méthode facilement reproductible pour surveiller la structure et la fonction cardiaques dans un modèle de recherche cardiaque important, le miniporc. La nouveauté du chariot réside dans la capacité de capturer des images échocardiographiques sans sa plus grande mise en garde: la nécessité d’utiliser des anesthésiques ou des sédatifs qui modifient la fonction cardiaque des animaux et modifient les mesures mêmes utilisées pour évaluer les effets des thérapies cardiaques. De plus, le chariot est sûr, peu coûteux et constitue une cible d’entraînement facile pour les porcs.

Les auteurs ont d’abord identifié les caractéristiques souhaitées du chariot, puis ont travaillé en étroite collaboration avec un charpentier pour concevoir le produit. Les techniques standard d’entraînement au renforcement positif étaient faciles et rapides pour apprendre aux porcs à accepter sans crainte le chariot et à l’utiliser. Grâce à la pratique de l’échographie, les auteurs ont pu rapidement trouver et enregistrer des plans d’imagerie d’échocardiographie bidimensionnelle standard pour un traitement ultérieur. Au cours de ces échocardiogrammes debout, des sédatifs ou des anesthésiques n’ont jamais été administrés et, par conséquent, les vidéos et les images étaient représentatives de la fonction cardiaque éveillée.

La construction du chariot d’échocardiographie est relativement simple pour un charpentier ou un bricoleur expérimenté après avoir identifié les caractéristiques clés importantes pour le groupe de recherche (par exemple, la taille réglable, la hauteur ou les points d’accès à la sonde à ultrasons). Pendant le processus de construction, les caractéristiques du chariot peuvent être modifiées pour répondre aux besoins de chaque laboratoire. Les matériaux sont en grande partie peu coûteux, et la construction du chariot peut permettre d’économiser sur le coût d’exécution des échocardiogrammes avec les sédatifs et les anesthésiques généralement utilisés.

Les limites de la technique comprenaient le mouvement et le temps limité pour obtenir les images. Alors que le chariot pouvait être ajusté à différentes tailles pour retenir les porcs, et bien que les animaux ne pouvaient pas se retourner et ne pouvaient se déplacer que de quelques centimètres dans chaque direction, les animaux étaient toujours capables de se déplacer dans les limites du chariot. Une porte frontale, une goulotte à pression ou un stanchion, comme ceux utilisés avec les animaux de ferme, pourraient potentiellement fournir une meilleure contention avec une formation supplémentaire. De même, une imagerie réussie reposait sur le fait que les animaux étaient distraits par leur nourriture ou des friandises congelées pendant les échocardiogrammes. En règle générale, cela permettait environ 15 minutes d’imagerie, ce qui n’était pas toujours suffisant pour obtenir toutes les images souhaitées. La capacité de remplacer facilement l’abreuvoir ou d’ajouter des aliments pendant que l’animal restait immobilisé peut prolonger la durée de l’imagerie. Enfin, en raison des deux limitations ci-dessus, des techniques d’imagerie plus sensibles, telles que le Doppler tissulaire, se sont avérées difficiles à réaliser dans le chariot d’échocardiographie debout.

D’autres modèles expérimentaux porcins utilisent souvent des techniques de manipulation non anesthésiques, telles que l’élingue Panepinto¹⁷ disponible dans le commerce. Cependant, les auteurs ont trouvé la technique de l’élingue plus lourde pour l’entraînement des porcs, et la fronde n’a pas permis à l’échographiste d’accéder aux plans d’imagerie requis pour l’échocardiographie. D’autres applications potentielles pour le chariot d’échocardiographie pourraient inclure d’autres procédures non douloureuses telles que l’échographie abdominale, l’observation des lésions cutanées ou l’obtention d’échantillons de sang à partir d’un port d’accès vasculaire. Les auteurs utilisent souvent le chariot pour retenir facilement les porcs afin d’effectuer des électrocardiogrammes et de programmer des stimulateurs cardiaques, par exemple.

En conclusion, la technique d’échocardiographie éveillée décrite est facile à réaliser et précieuse pour obtenir une imagerie échographique de base du cœur sans la dépression cardiovasculaire typique de l’utilisation d’anesthésiques ou de sédatifs. Cette technique peut être utilisée pour comparer des images anesthésiées à des images éveillées chez de grands animaux ou pour le suivi quotidien de la progression de la maladie cardiaque dans le précieux modèle translationnel préclinique porcin des maladies cardiaques et de l’insuffisance cardiaque.

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Access Ramp	N/A - shop built	58" L x 18" W. Rise of 19" not to exceed 22.5 degree angle.	Any removable aluminum ramp with capacity to hold weight of pigs
Fence Feeder with Clips	DuraFlex	E011772	Feed trough with clips for hanging on chain link, used for frozen treats or feed to distract pigs during echocardiography
Heavy Duty Utility Cart	Baxter Medical Equipment & Supplies	Cart # unk / 45x25x33"; Pipes, sch 40 PVC	Made of heavy plastic, with three shelves
Image Analysis Software	Image J FIJI	https://imagej.net/software/fiji/	Free scientific image analysis software
Lumify Ultrasound with S4-1 Phased Array Transducer	Philips	FUS6884	Handheld bedside ultrasound with cardiac probe, used with a tablet device and proprietary software
Video Editing Software	Adobe Premiere Pro 2022	https://www.adobe.com/products/premiere.html	Commen software part of Adobe Creative Cloud.