Nuovo approccio percutaneo per la distribuzione di impianti coronarici stampati in 3D in modelli suini di malattie cardiache ischemiche

Riepilogo

Descriviamo una nuova tecnica, economica ed efficiente per la consegna percutanea di impianti coronarici stampati a dimensione tridimensionale per creare modelli di suini a tortura chiusa di cardiopatia ischemica. Gli impianti sono stati fissati in posizione utilizzando un catetere di estensione madre-figlio con alto tasso di successo.

Abstract

I metodi minimamente invasivi per la creazione di modelli di restringimento coronario focale in animali di grandi dimensioni sono impegnativi. La prototipazione rapida con impianti coronarici stampati tridimensionali (3D) può essere impiegata per creare percutaneamente una stenosi coronarica focale. Tuttavia, la consegna affidabile degli impianti può essere difficile senza l'uso di attrezzature ausiliarie. Descriviamo l'uso di un catetere coronarico madre-madre-bambino per la stabilizzazione dell'impianto e per la consegna efficace dell'impianto stampato in 3D in qualsiasi posizione desiderata lungo la lunghezza del vaso coronarico. Il restringimento coronario focale è stato confermato sotto la cineangiografia coronarica e il significato funzionale della stenosi coronarica è stato valutato utilizzando la risonanza magnetica per perfusione cardiaca del primo passaggio del gadolinio. Abbiamo dimostrato che la consegna affidabile di impianti coronarici stampati in 3D in modelli suini (n - 11) di cardiopatia ischemica può essere ottenuta attraverso il riutilizzo dei cateteri guida coronaria madre e figlio. La nostra tecnica semplifica la consegna percutanea di impianti coronarici per creare modelli di suini chiusi di stenosi coronaria focale e può essere eseguita rapidamente, con un basso tasso di fallimento procedurale.

Introduzione

La cardiopatia ischemica continua ad essere la prima causa di morte negli Stati Uniti¹. I grandi modelli animali sono stati utilizzati sperimentalmente per comprendere e caratterizzare i meccanismi che guidano la malattia coronarica (CAD) e le complicazioni associate (tra cui l'infarto miocardico, gli eventi aritmici e l'insufficienza cardiaca), nonché per testare nuove terapie o modalità diagnostiche. I risultati di questi studi hanno contribuito ad ampliare la comprensione, la diagnosi e il monitoraggio delle cardiopatie ischemiche e a far progredire la pratica clinica². Sono stati utilizzati diversi modelli animali, tra cui conigli, cani e suini. Tuttavia, le stenosi coronariche, in particolare le lesioni discrete, si verificano molto raramente in questi animali e sono difficili da indurre riproducibilmente³. I lavori precedenti hanno descritto la creazione di stenosi coronarici artificiali utilizzando legatura, occludi o morsetti esterni. Recentemente, abbiamo descritto come utilizzare la tecnologia di stampa 3D per produrre impianti coronarici che possono essere utilizzati per creare percutaneamente restringimento coronario artificiale⁴. Utilizzando un software di progettazione assistita da computer, abbiamo progettato impianti di arteria coronaria come tubi cavi con diametri interni ed esterni variabili, nonché lunghezze dell'impianto, quindi li abbiamo fabbricati utilizzando materiali additivi disponibili in commercio. Gli impianti sono tubi stampati in 3D lisci, vuoti e con bordi arrotondati. Abbiamo progettato una libreria di dimensioni dell'impianto con una gamma di diametro interno, diametro esterno e lunghezza. Il diametro esterno dell'impianto si basa sulle dimensioni del catetere guida coronarica. Il diametro interno si basa sulle dimensioni di un palloncino di angioplastica coronarica sgonfio. Abbiamo variato la lunghezza dell'impianto per adattare la gravità desiderata della perfusione. Tuttavia, la consegna percutanea sicura di tali dispositivi può essere difficile a causa della mancanza di fili e cateteri fabbricati specificamente per l'uso di grandi animali. Al contrario, una vasta collezione di cateteri, fili e attrezzature di supporto sono disponibili per l'uso clinico nelle arterie coronarie umane. In questo lavoro, mostriamo come riutilizzare un catetere coronarica madre e bambino di grado clinico per la consegna degli impianti coronarici stampati in 3D.

Il catetere GuideLiner (Figura 1A) è stato sviluppato per l'intervento coronario percutaneo (PCI) per consentire posti a sedere con catetere profondo e un maggiore supporto per i casi complessi⁵. Nella nostra indagine, il catetere GuideLiner è stato scelto per familiarità di utilizzo e disponibilità, ma possono essere presi in considerazione cateteri simili, ove disponibili. Considerato un catetere guida "madre e figlio" (Figura 1B), il dispositivo si inserisce all'interno di un tipico catetere coronarica ("madre") ed è un tubo flessibile coassiale ("figlio"). Questo catetere può essere inserito su un filo guida e allunga efficacemente la portata di un tipico catetere coronarica estendendosi oltre la fine della guida coronarica. Il GuideLiner o un catetere madre-figlio simile può essere utilizzato come supporto aggiuntivo per la distribuzione degli impianti coronarici stampati in 3D. Poiché gli impianti sono montati su palloncini di angioplastica da inserire come unità su un filo coronarica nel vaso (Figura 1B,1C), il catetere offre un supporto aggiuntivo per consegnare l'impianto al sito desiderato. Posizionando il catetere madre-bambino solo prossima al palloncino, l'impianto rimane nella posizione desiderata durante la deflazione e la ritrazione del palloncino. Pur avendo una certa fermezza alla sua struttura, la capacità unica del catetere madre-bambino di essere avanzata in profondità nelle arterie coronarie su un filo guida e il marcatore radiopaque alla punta del catetere erano caratteristiche essenziali per l'impianto.

Il nostro apparato di consegna assemblato consisteva in un tipico catetere coronarica, il catetere madre-madre-e-bambino, e un impianto stampato in 3D fissato su un palloncino di angioplastica coronarica sgonfio (Figura 1B). Come unità di consegna funzionale, il catetere madre-madre-bambino non solo ha fornito un supporto aggiuntivo stabile per la consegna dell'apparecchiatura, ma è stato anche applicato in modo univoco come dispositivo di tosatura per mantenere gli impianti in posizione durante la deflazione e la rimozione del palloncino. Il marcatore radiopaque sulla punta del catetere fungeva da guida di posizionamento per l'apparato assemblato e si edequile al palloncino di angioplastica. Queste caratteristiche hanno permesso una distribuzione precisa degli impianti che limitano il flusso. Il processo è stato progettato per essere riproducibile, efficiente e umano per i soggetti animali.

Nella nostra applicazione, la tecnica di consegna percutanea madre e bambino è stata utilizzata per creare modelli suini con stenosi coronarica focale per la valutazione della risonanza magnetica della perfusione cardiaca (RMI) di perfusione cardiaca (RM). Tuttavia, la tecnica può essere impiegata in altre indagini, compresi i sistemi vascolari al di fuori dei vasi coronarici.

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Protocollo

Abbiamo condotto gli esperimenti secondo le linee guida dell'Animal Welfare Act, dei National Institutes of Health e dell'American Heart Association on Research Animal Use. Il nostro Comitato Istituzionale per la cura e l'uso degli animali ha approvato il protocollo di studio sugli animali.

1. Preparazione preprocedurale di impianti di stenosi coronaria stampata in 3D

1. Utilizzando una pinzetta, immergere gli impianti stampati in una soluzione di eparina del 25% per prevenire la formazione di trombafi e lasciare asciugare all'aria per 24 ore.

2. Preparazione preprocedurale di soggetti animali

1. Chiedi ai suini maschi dello Yorkshire (SNS Farms, 30-45 kg) di arrivare all'istituto 1 settimana prima della data dell'esperimento e di permettere loro di acclimatarsi.
2. Mantenere i maiali in uno stato di digiuno dopo la mezzanotte del giorno prima della procedura.

3. Anestesia procedurale

1. Sedare i suini con ketamina intramuscolare (10 mg/kg) e midazolam per via endovenosa (1 mg/kg).
2. Ventilare gli animali con un'isoflurane di ossigeno (1-2%) Miscela.
3. Eseguire l'intubazione endotracheale una volta che il soggetto animale è sedato.
4. Infuso intravenoso (IV) rocuronio (2,5 mg/kg/h) e dare boli aggiuntivi (1-3 mg/kg IV ogni 20-30 min) quando necessario per ottenere l'immobilizzazione diaframmatica.
5. Mantenere un piano chirurgico di anestesia per tutta la durata della procedura controllando il risveglio, i movimenti, l'ampia fluttuazione dei segni vitali e altri segni di angoscia o disagio per tutta la durata dell'esperimento. Abbiamo monitorato i maiali per circa 6 h in anestesia.

4. Accesso vascolare

1. Utilizzando la tecnica Seldinger, inserire le fasiai arteriose e venose nelle arterie femorali bilaterali e nelle vene dei soggetti.
2. Sciacquare continuamente tutte le porte del catetere con la normale salina eparinizzata.

5. Somministrazione di farmaci preprocedurali

1. Somministrare l'amiodarone per via intramuscolare (1,5 mg/kg), lidocaina per via endovenosa (2 mg/kg) ed esmololo (1 mg/kg) come necessario per la profilassi contro l'aritmia. Dare dosaggi ripetuti di amiodarone, lidocaina, ed esmolol come necessario durante il corso dell'esperimento per sopprimere i ritmi ventricolari e controllare la risposta della frequenza cardiaca.
2. Dopo aver ottenuto l'accesso vascolare, somministrare l'eparina (5.000-10.000 unità) per mantenere un tempo di coagulazione attivato (ACT) >300 s. Controllare l'ACT ogni ora durante il corso dell'esperimento e dare ulteriore eparina endovenosa secondo necessità per mantenere l'obiettivo ACT.

6. Monitoraggio emodinamico

1. Utilizzare un singolo piombo toracico elettrocardiografico laterale (ECG) per registrare i cambiamenti nel segmento ST, nelle onde T e nella frequenza cardiaca durante l'intero periodo sperimentale.
2. Utilizzare un trasduttore di pressione per registrare la pressione arteriosa femorale continua durante tutta la procedura.
3. Fissare un ossimetro a impulsi all'orecchio o al labbro dell'animale per le registrazioni continue di ossimetria a impulsi.

7. Preparazione delle apparecchiature di consegna degli impianti

1. Prima di eseguire l'angiografia coronarica, inserire un palloncino coronario sgonfio NC Trek sopra il filo attraverso un catetere madre-figlio della dimensione desiderata in modo che la punta del palloncino si estenda oltre la punta del catetere.
2. Montare l'impianto stampato in 3D sul palloncino angioplastica sgonfio in modo che l'impianto sia posizionato tra i marcatori del palloncino e vicino al marcatore prossimale (Figura 1B).
3. Gonfiare il palloncino con un insufflator a 2-3 atm per fissare l'impianto sul palloncino. Verificare che l'impianto sia posizionato più vicino alla metà prossimale del pallone in modo che sia più vicino al catetere madre-figlio quando è pronto per la rimozione (Figura 1B).

8. Angiografia coronarica e dispiegamento di impianti coronarici

1. Posizionare il braccio C fluoroscopico nella proiezione anteroposteriore (AP).
2. Collegare una valvola di controllo (vedere Tabella dei materiali) a un catetere coronarico sinistro o destro (vedere Tabella dei materiali).
3. Introdurre il catetere guida su un filo a J attraverso la guaina dell'arteria femorale destra e, sotto la guida fluoroscopica, far avanzare il catetere alla radice aortica.
4. In modo selettivo (o non selettiva) incastrare il catetere nell'arteria coronaria principale sinistra (LMCA) e iniettare 5 mL di contrasto iodinato sotto fluoroscopia per visualizzare il sistema coronarico sinistro.
5. Posizionare il catetere guida verso la LMCA per il secondo angiogramma (Figura 2). Se l'impegno dell'arteria coronaria si rivela difficile, in parte a causa del breve arco aortico dei sui maiali, prendere in considerazione l'esecuzione di angiogrammi non selettivi, purché forniscano un'adeguata visualizzazione dei vasi.
6. Una volta impegnati all'interno, o posizionati vicino alla LMCA, sotto fluoroscopia, avanzare un filo coronarico 0.014", 300 cm (vedi Tabella dei materiali) nella LMCA e avanzare ulteriormente il filo all'arteria discendente anteriore sinistra distale (LAD) o all'arteria coronaria circonflesso sinistra (LCX) se lo si desidera ( Figura3).
7. Sotto la guida fluoroscopica, inserire il catetere madre-figlio precedentemente assemblato con il palloncino gonfiato di angioplastica e l'impianto sopra il filo coronavo e avanzare nella posizione desiderata lungo il vaso coronavo. Iniettare 5 mL di contrasto iodinato per visualizzare un restringimento discreto nella posizione desiderata in cui deve essere distribuito l'impianto coronarico (Figura 4).
8. Una volta che l'impianto è in posizione, far avanzare il catetere madre-figlio al marcatore prossimale del palloncino gonfiato.
9. Sgonfiare il palloncino e ritrarlo attraverso il catetere madre-figlio. Questo processo consente al catetere madre-figlio di inclinare l'impianto dal pallone mentre viene ritratto e fissa la posizione dell'impianto nel segmento designato della nave.
10. Rimuovere il palloncino, il catetere madre-figlio e il filo coronavo.
11. Eseguire angiogrammi finali per documentare la posizione della nuova stenosi artificiale all'interno della nave. Quando possibile, gli angiogrammi devono essere eseguiti in due viste ortogonali per acquisire la stima visiva della gravità della stenosi. Un'angiografia finale (Figura 5) può essere eseguita anche con posizionamento subselettivo del catetere madre-figlio nella nave prossimalica, che fornisce un'eccellente opacità con contrasto minimo.
12. Trasferire immediatamente l'animale nella suite MR per sottoporsi alla risonanza magnetica per perfusione di stress cardiaco utilizzando gadobutrol (0,1 mM/kg) iniettato ad una velocità di 2 mL/sec.
    NOTA: L'agente di stress utilizzato era un'infusione di 4 min di adenosina a 300 g/kg/min. Il protocollo di imaging comprendeva 1) cine imaging (campo visivo [FOV] - 292 x 360 mm, dimensione della matrice : 102 x 126, tempo di ripetizione [TR] - 5,22 ms, tempo di eco [TE] - 2,48 ms, spessore della sezione , 6 mm, larghezza di banda dei pixel , 450 Hz, angolo di inversione, 12 o più); 2) perfusione di primo passaggio a riposo e al picco di stress da adenosina vasodilatore utilizzando una sequenza di eco gradiente viziata (FOV x 320 x 320 mm, dimensione della matrice : 130 x 130, TR - 2,5 ms, TE - 1,1 ms, spessore della fetta - 10 mm, larghezza di banda dei pixel - 650 Hz, flip - 12 s; e 3) imaging di miglioramento del gadolinio tardivo utilizzando una sequenza ECG-gated, segmentata, viziata gradiente-eco fase-sensibile-inversione-recupero (FOV - 225 x 340 mm, dimensione della matrice : 131 x 175 mm, TR - 5,2 ms, TE - 1,96 ms, spessore della fetta - 8 mm, tempo di inversione (TI) - ottimizzato a null il miocardio, pis Larghezza di banda ixel - 465 Hz, angolo di inversione - 20 o più). Un'immagine illustrativa di perfusione del primo passaggio è illustrata nella figura 6.
13. Dopo il completamento del protocollo di risonanza magnetica, eutanasia i suini mediante un'infusione di pentobarbital di sodio (100 mg/kg).
14. Eseguire una toracotomia laterale, accisare il cuore e sezionare il cuore ex vivo per esporre i vasi coronarici. Si noti la posizione dell'impianto in relazione ai rami diagonali (territorio LAD) o ai rami marginali ottusi (territorio LCX) e recuperare gli impianti.
15. Utilizzando forbici Metzenbaum smussate e curve, aprire la coronaria e ispezionare la nave per lesioni grossolane (vedi Figura 7). Fotografare il tessuto cardiaco per la patologia grave e la macchia con il cloruro di tripenyltetrazolium per escludere l'infarto miocardico (vedere la figura 8).

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Risultati

Dopo l'ottimizzazione iniziale della procedura, il componente di intervento è stato completato entro 30 min. Gli impianti sono stati consegnati con successo in tutti gli 11 soggetti (100%). L'impianto è stato recuperato all'autopsia in tutti gli 11 soggetti (100%). Utilizzando i rami diagonali (lungo il LAD) o i rami marginali ottusi (lungo la LCX) come marcatori posizionali, abbiamo trovato la posizione dell'impianto al collasso a guida fluoroscopica e all'autopsia per essere coerente in 10 degli 11 (91%) soggetti in ...

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Discussione

In questo lavoro, ci siamo concentrati su una nuova strategia di implementazione percutanea per gli impianti coronarici che inducono la stenosi e abbiamo dimostrato che un catetere madre-bambino può essere riutilizzato per una consegna percutanea efficace di impianti coronarici stampati in 3D. Le stenose coronarie artificiali discrete di gravità variabile possono essere create rapidamente in modelli suini con un alto tasso di successo e in modo minimamente invasivo utilizzando tecniche e attrezzature interventistiche p...

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Materiali

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