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Qui viene presentato un protocollo per quantificare in modo affidabile la funzione ventricolare destra e sinistra dei cuori dei donatori dopo la conservazione a freddo utilizzando un sistema di perfusione ex vivo .
La disfunzione primaria del trapianto (PGD) rimane la principale causa di morte prematura dopo il trapianto di cuore. Il tempo ischemico prolungato durante la conservazione a freddo è un importante fattore di rischio per la PGD e una valutazione affidabile della funzione cardiaca è essenziale per studiare le risposte funzionali del cuore del donatore dopo la conservazione a freddo. Il video di accompagnamento descrive una tecnica per valutare la funzione ventricolare destra e sinistra dei murini utilizzando la perfusione ex vivo basata su un modello di Langendorff dopo conservazione a freddo per diverse durate. In breve, il cuore viene isolato e conservato in una soluzione fredda di istidina-triptofano-chetoglutarato (HTK). Quindi, il cuore viene perfuso con un tampone di Kreb in un modello di Langendorff per 60 minuti. Un palloncino di silicone viene inserito nel ventricolo sinistro e destro e vengono registrati i parametri funzionali cardiaci (dP/dt, relazioni pressione-volume). Questo protocollo consente la valutazione affidabile della funzione cardiaca dopo diversi protocolli di conservazione del cuore. È importante sottolineare che questa tecnica consente lo studio delle risposte di conservazione cardiaca in modo specifico nelle cellule cardiache native. L'uso di cuori murini molto piccoli consente l'accesso a una vasta gamma di topi transgenici per studiare i meccanismi della PGD.
Il trapianto di cuore migliora la sopravvivenza e la qualità della vita nei pazienti con insufficienza cardiaca allo stadio terminale1. Purtroppo, la carenza di donatori di cuore limita il numero di pazienti che potrebbero beneficiare di questa terapia e limita la capacità dei medici di abbinare in modo ottimale i donatori ai riceventi 2,3,4. Inoltre, il nuovo sistema di assegnazione ha contribuito a tempi ischemici più lunghi e ha aumentato significativamente il ricorso a donatori marginali dal 20185. Di conseguenza, l'età media dei donatori di cuore e il tempo ischemico aumentano nel tempo, portando a un tasso più elevato di disfunzione primaria del trapianto (PGD) nonostante i significativi miglioramenti nelle strategie per la conservazione del cuore 6.
La PGD può interessare il ventricolo sinistro, destro o entrambi e rimane una complicanza pericolosa per la vita che rappresenta la principale causa di morte prematura dopo il trapianto di cuore. Lo studio dei meccanismi della PDG e lo sviluppo di strategie per una migliore conservazione del cuore sono considerazioni importanti, dato il potenziale impatto salvavita sui riceventi cardiaci. Pertanto, i modelli sperimentali che consentono una valutazione robusta e affidabile della funzione cardiaca del donatore dopo un tempo di conservazione prolungato sono essenziali per aumentare la nostra comprensione della PGD e facilitare lo sviluppo di nuove terapie. La capacità di valutare con precisione la funzione cardiaca nel cuore del topo consente l'accesso a un vasto repertorio di modelli murini transgenici in grado di identificare con precisione i meccanismi della PGD.
Negli studi fisiologici e farmacologici, il modello di perfusione retrograda di Langendorff è ampiamente utilizzato per valutare la funzione cardiaca7. In particolare, le prestazioni cardiache vengono rilevate da un palloncino in silicone collegato a un trasduttore di pressione all'interno della cavità ventricolare sinistra (LV). Una caratteristica fondamentale della PGD è l'inadeguata contrazione e rilassamento del muscolo ventricolare. Precedenti studi di Langendorff si sono concentrati sull'utilizzo di un palloncino ventricolare sinistro per produrre risultati affidabili e riproducibili nella valutazione funzionaledel ventricolo sinistro 8,9,10. Tuttavia, l'uso di un palloncino intracavitario per valutare la funzione ventricolare destra (RV) utilizzando il sistema a palloncino è meno ben riconosciuto.
Dato un tasso significativo di PGD che coinvolge il RV dopo il trapianto11, i metodi sperimentali per studiare sia la funzione del ventricolo sinistro che quella del ventricolo destro aiuterebbero a determinare i meccanismi molecolari e fisiologici che contribuiscono alla PGD del ventricolo destro. Questo protocollo mostra che i palloncini in silicone intracavitari possono fornire valutazioni affidabili della funzione del ventricolo sinistro e del ventricolo destro nello stesso cuore murino12. Per valutare il potenziale utilizzo del sistema di Langendorff nello studio PGD, abbiamo esaminato le funzioni cardiache con diversi periodi di conservazione e abbiamo riscontrato una diminuzione della funzione cardiaca in contrazione e rilassamento con la conservazione a freddo prolungata dei cuori murini. È interessante notare che il ventricolo sinistro ha una riduzione funzionale maggiore rispetto al ventricolo sinistro. In sintesi, il protocollo qui descritto può essere utilizzato per valutare l'effetto di un farmaco candidato e delle vie molecolari sulla funzione del ventricolo sinistro e del ventricolo destro. La possibilità di utilizzare questo metodo su cuori murini faciliterà l'esecuzione di studi meccanicistici dettagliati.
Tutti gli esperimenti sugli animali in questo protocollo sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee presso l'Università del Michigan, Ann Arbor. Tutti i topi sono stati alloggiati con un ciclo di luce 12:12 in stanze prive di agenti patogeni. Vedere la Tabella dei materiali per i dettagli relativi a tutti i materiali, gli animali e le attrezzature utilizzate in questo protocollo.
1. Costruzione del catetere a palloncino in silicone
NOTA: Il palloncino in silicone è realizzato come descritto in precedenza13.
2. Preparazione del sistema di perfusione cardiaca
3. Isolamento, montaggio e incannulamento del cuore del topo
4. Registrazione dei dati funzionali
I cuori di topo adulto C57Bl/6, di 3 mesi di età, sono stati raccolti e montati sul sistema Langendorff. Il cuore del donatore è stato conservato in HTK per 0 e 8 ore e poi perfuso con tampone KH ossigenato. Un palloncino in silicone collegato a un trasduttore di pressione è stato utilizzato per misurare la contrazione e il rilassamento della funzione LV e RV.
Le pressioni aortiche sono state mantenute nell'intervallo 70-80 mmHg. La frequenza cardiaca era paragonabile nei cuori di topo con 0 e 8 ore di conservazione. La funzione del ventricolo sinistro e del ventricolo destro è stata esaminata misurando la pressione sistolica e diastolica. dP/dt, una derivata per calcolare il rapporto di variazione della pressione, è stata calcolata per determinare la dinamica della pressione. Il numero assoluto di dP/dt max e dP/dt min potrebbe rappresentare il livello di contrazione e rilassamento muscolare. A 0 ore di conservazione, il ventricolo sinistro presentava una pressione sistolica più elevata rispetto al ventricolo destro (Figura 2C e Figura 3A). Il ventricolo sinistro ha mostrato una maggiore contrazione e rilassamento muscolare rispetto al ventricolo destro dopo una perfusione di 0 ore di accumulo (Figura 2C e Figura 3B,C). Tuttavia, dopo 8 ore di conservazione a freddo, sia il ventricolo sinistro che il ventricolo destro hanno mostrato una significativa riduzione funzionale rispetto a un basale di 0 ore (Figura 2A-D e Figura 3B,C). Le diminuzioni della contrazione cardiaca sono state più gravi nel ventricolo sinistro. Dopo 8 ore di conservazione, la contrazione e il rilassamento del ventricolo sinistro sono stati del 25,1% e del 30,7% del basale di 0 ore, mentre il ventricolo destro aveva il 32,5% e il 29,1% di funzione rispetto al basale di 0 ore (Figura 3B,C). Questi risultati hanno mostrato che la PGD del ventricolo sinistro dopo conservazione prolungata ha avuto una riduzione della contrazione cardiaca più significativa rispetto al ventricolo destro.
Figura 1: Montaggio e incannulamento del cuore del topo . (A) Configurazione generale della configurazione di perfusione. 1. Serbatoio di perfusione. 2. Camera di ossigenazione. 3. Camera di intrappolamento dell'aria. 4. Camera del cuore. 5. Interruttore di valore per portata e pressione costanti. 6 e 7. Afflusso di ossigeno. (B) Cuori cannulati con il camper nella parte anteriore. (C) Posizione del camper da tagliare per l'apertura della sua cavità. (D) Picchiettare il tubo del palloncino con la cannula. Abbreviazione: RV = ventricolo destro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Confronto tra la funzione del ventricolo sinistro e del ventricolo sinistro. (A) Registrazione del tracciamento dei dP/dt massimi e minimi nel ventricolo destro e del ventricolo sinistro nel cuore del donatore con 0 ore di conservazione. (B) La registrazione di dP/dt max e min nel ventricolo destro e LV nel cuore del donatore con 8 ore di conservazione. (C,D) Dettagli di dP/dt, pressione ventricolare, frequenza cardiaca e pressione di perfusione nel ventricolo sinistro e nel ventricolo destro a 0 h e 8 h. Abbreviazioni: RV = ventricolo destro; LV = ventricolo sinistro; dP/dt = relazione pressione-tempo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Confronto tra la funzione del ventricolo sinistro e del ventricolo destro dopo l'immagazzinamento e la perfusione. (A) Pressione sistolica e diastolica del ventricolo sinistro e del ventricolo destro dopo 0 h e 8 h di conservazione. (B) dP/dt max e (C) dP/dt min del ventricolo sinistro e del ventricolo destro dopo perfusione con 0 h e 8 h di conservazione. Questa cifra è tratta da Lei et al.12. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questo protocollo descrive il metodo Langendorff per perfusione retrograda tramite incannulamento aortico. Questa tecnica può essere utilizzata per valutare la funzione LV e RV dei cuori murini dopo la conservazione a freddo. I risultati mostrano che la conservazione a freddo prolungata dei cuori dei donatori porta a una riduzione della funzione cardiaca sia nel ventricolo sinistro che nel ventricolo destro utilizzando questo protocollo.
Gli studi sul rigetto acuto e cronico dopo trapianto di cuore si concentrano ampiamente sull'immunobiologia14. Gli effetti delle cellule native sulla PGD durante la conservazione a freddo sono meno studiati. La PGD si verifica nel ~10%-20% dei trapianti di cuore e rappresenta il 66% delle morti premature entro 30 giorni dal trapianto. In particolare, l'incidenza della PGD a carico del ventricolo sinistro rispetto al ventricolo destro differisce dopo il trapianto11. Senza il contributo delle risposte cellulari del ricevente, questo metodo ex vivo si concentra sui contributi delle cellule cardiache native alla PGD dopo la conservazione a freddo dei cuori dei donatori. Ulteriori studi possono incorporare le risposte del ricevente in un modello di trapianto di cuore murino.
In questo protocollo, la perfusione di Langendorff di cuori di donatori conservati a freddo si è concentrata sulle risposte cardiache native alla perfusione di cristalloidi caldi senza infiltrare l'immunità cellulare. Per ottenere risultati riproducibili, sono stati standardizzati diversi passaggi critici. I cuori di topo sono stati arrestati utilizzando una soluzione di HTK e conservati in HTK ghiacciato, in modo simile alla pratica clinica. Il volume di perfusione e il tempo di infusione della soluzione HTK per ogni cuore sono stati attentamente monitorati con un timer. Il cuore del donatore è stato conservato in provette prerefrigerate su ghiaccio contenente HTK in una stanza a 4 °C. Il tempo di incannulamento è standardizzato a ~3 minuti prima della perfusione. Tutti questi passaggi hanno fatto sì che la durata della conservazione a freddo fosse la variabile principale dello studio.
Un periodo di contrattilità cardiaca irregolare per ~ 20 minuti è stato comunemente osservato all'inizio della perfusione. Questo periodo di equilibrio e recupero è stato facilitato dal graduale riscaldamento e ossigenazione dei tessuti cardiaci. Ci si aspettava un periodo relativamente stabile dopo i primi 20 minuti. Il palloncino è stato inserito nella cavità ventricolare a ~18 minuti dopo il periodo di equilibrio iniziale. Abbiamo iniziato a registrare l'emodinamica dopo che il cuore è stato stabile per ~ 25 minuti, una volta inserito il palloncino. La perfusione con il tampone KH ha mantenuto stabili le prestazioni cardiache per ~1,5-2 ore. Abbiamo quindi scelto di registrare l'emodinamica per 20 minuti in ciascuno dei ventricoli sinistro e destro.
Ci sono diverse limitazioni della perfusione retrograda per lo studio della PGD dei cuori dopo la conservazione a freddo. Innanzitutto, a causa delle dimensioni del palloncino e della mancanza di spazio in ciascuna cavità ventricolare (in particolare, il ventricolo destro), l'inserimento simultaneo di due palloncini sia nel ventricolo sinistro che nel ventricolo destro è molto impegnativo. Pertanto, misuriamo la funzione di RV e LV in sequenza. È importante notare che il setto interventricolare contribuisce in modo significativo alla funzione ventricolare sinistra e destra. Il setto contribuisce al ~50% della funzione ventricolare destra, quindi c'è dipendenza interventricolare15. È anche importante notare che, mentre le procedure per la riperfusione del cuore murino nel dispositivo Langendorff richiedono ~ 3 minuti, l'impianto chirurgico del cuore umano nel campo chirurgico relativamente caldo richiede ~ 45 minuti. In confronto, il cuore murino in questo sistema di Langendorff incorre in meno tempo ischemico. Questo dovrebbe essere preso in considerazione quando si considera la traduzione clinica.
Dal momento che abbiamo usato il tampone KH per perfondere il cuore senza sangue, questo potrebbe anche avere una minore efficienza nella consegna di ossigeno. Tuttavia, la funzione cardiaca è relativamente stabile durante le prime 1,5-2 ore di perfusione, consentendo così misurazioni emodinamiche affidabili. Sfortunatamente, attualmente non esistono modelli di perfusione cardiaca funzionanti per questi cuori murini più piccoli e l'effetto del carico ventricolare non può essere valutato in questo sistema. Nonostante ciò, il sistema di perfusione è altamente riproducibile e meno laborioso e dispendioso in termini di tempo rispetto ai modelli di trapianto. È anche meno costoso degli studi sui trapianti, il che può renderlo più adatto per lo screening di diverse opzioni terapeutiche e vari percorsi molecolari. Con modifiche alle soluzioni di conservazione con l'aggiunta di farmaci candidati, questa piattaforma può essere utilizzata per valutare gli effetti degli agenti farmacologici sulla riduzione della PGD sia nel ventricolo sinistro che nel ventricolo destro.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Nessuno.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4-0 silk suture | Braintree Scientific | SUTS108 | |
6-0 Silk suture | Braintree Scientific | SUTS104 | |
All purpose flour | Kroger | ||
BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles 22 G | Fisher scientific | 14-826-5A | |
BD Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle) | Fisher scientific | 14-823-16E | |
Corn Syrup | Kroger | ||
Custodiol HTK Solution | Essential Pharmaceuticals LLC | ||
Dissecting Scissors | World Precision Instruments | 14393/14394 | |
Falcon 50 mL conical tubes | Fisher scientific | 14-959-49A | |
Heparin sodium salt from porcine intestinal mucosa | Sigma | H4784 | |
Krebs Henseleit buffer | Sigma | K3753 | |
Nusil silicone dispersions | Avantor | ||
Perfusion system | Radnoti | 130101BEZ | |
PowerLab | ADInstruments | PL3508 | |
Sodium azide | Sigma | S2002 | |
Sodium bicarbonate | Sigma | S5761 | |
Sucrose | Sigma | S0389 | |
Sucrose | Sigma | S0389 | |
Xylazine | Sigma | X1126 |
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