虚血性心疾患の豚モデルにおける3D印刷冠動脈狭窄インプラントの展開のための新規経皮的アプローチ

要約

我々は、虚血性心疾患の閉胸豚モデルを作成するために、3次元印刷冠状インプラントの経皮的送達のための新しい、費用対効果の高い、効率的な技術を記述する。インプラントは高い成功率の母子延長カテーテルを使用して所定の位置に固定した。

要約

大型動物の焦点冠狭化モデルを作成するための低侵襲方法は困難である。3次元的に(3D)印刷された冠状動脈インプラントを用いたラピッドプロトタイピングは、経皮的に焦点冠動脈狭窄を作り出すために使用することができる。しかし、インプラントの信頼できる配達は補助装置の使用なしで困難であるかもしれない。我々は、インプラントの安定化のための母子冠動脈ガイドカテーテルの使用と冠状血管の長さに沿って任意の所望の位置に3Dプリントインプラントの効果的な送達のために記述する。冠動脈狭窄は冠動脈造影下で確認され、冠動脈狭窄の機能的意義はガドリニウム増強された初回通過心臓灌流MRIを用いて評価した。我々は、虚血性心疾患の豚モデル(n=11)における3Dプリント冠状インプラントの信頼性の高い送達は、母子冠動脈ガイドカテーテルを転用することで達成できることを示した。当社の技術は、冠動脈狭窄の閉胸部豚モデルを作成するために冠動脈インプラントの経皮的送達を簡素化し、低手続き故障率で迅速に行うことができる。

概要

虚血性心疾患は、米国で死亡の第一位の死因であり続けている¹.大型動物モデルは、冠動脈疾患(CAD)および関連する合併症(心筋梗塞、不整脈、心不全を含む)を駆動するメカニズムを理解し、特徴付け、新しい治療法や診断モダリティのテストのために実験的に使用されてきた。これらの研究の結果は、虚血性心疾患の理解、診断、およびモニタリングを広げ、臨床実践を進めるのに役立ちました².ウサギ、イヌ、豚など、いくつかの動物モデルが使用されています。しかしながら、冠状動脈ステノース、特に離散病変は、これらの動物では非常に^まれに起こり、再現性3を誘導することは困難である。以前の研究では、ライゲーション、閉塞剤、または外部クランプを使用した人工冠動脈ステノースの作成について説明しました。最近では、3Dプリンティング技術を用いた冠動脈インプラントの製造方法を説明し、経皮的に離散的な人工冠狭化⁴を作成する方法を説明した。コンピュータ支援設計ソフトウェアを使用して、内径と外径の異なる中空管、インプラント長さとして冠状動脈インプラントを設計し、市販の添加材料を使用して製造しました。インプラントは、滑らかで中空の、丸みを帯びたエッジを持つ3Dプリントチューブです。内径、外径、長さの範囲を備えたインプラントサイズのライブラリを設計しました。インプラントの外径は冠状動脈ガイドカテーテルのサイズに基づいている。内径は、膨張した冠状動脈形成バルーンのサイズに基づいています。我々は、灌流の所望の重症度を調整するためにインプラントの長さを変えた。しかし、このようなデバイスの安全な経皮的な送達は、大規模な動物の使用のために特別に製造されたワイヤーおよびカテーテルの欠如のために困難であり得る。対照的に、カテーテル、ワイヤーおよび支持装置の広範なコレクションは人間の冠状動脈の臨床使用のために利用できる。本研究では、臨床グレードの母子冠動脈ガイドカテーテルを3Dプリント冠状インプラントの送達に転用する方法を示す。

GuideLinerカテーテル(図1A)は、深いカテーテルの座席と複雑な症例のサポートの増加を可能にするために経皮的冠動脈介入(PCI)のために開発されました⁵.我々の調査では、GuideLinerカテーテルは、使用と可用性の親しみやすさのために選択されましたが、同様のカテーテルは、利用可能な場合にも考慮されるかもしれません。「母子」ガイドカテーテル(図1B)と考えられ、装置は典型的な冠状動脈ガイドカテーテル(「母」)の中に収まり、同軸柔軟な管(「子供」)である。このカテーテルはガイドワイヤーの上に挿入され、冠動脈ガイドの端を越えて伸びることによって典型的な冠状動脈ガイドカテーテルの範囲を効果的に延長することができる。GuideLinerまたは類似の母子カテーテルは3D印刷された冠状インプラントの配置のための付加的なサポートとして使用することができる。インプラントは血管形成術の気球の上に取付けられ、血管に冠状ワイヤー(図1B、1C)の上に単位として挿入されるので、カテーテルは目的の場所にインプラントを渡すために付加的なサポートを提供する。母子カテーテルをバルーンに近い位置に置くことによって、インプラントは気球のデフレおよび引き込みの間に望ましい場所に残る。その構造にいくらかの堅固さを持っているにもかかわらず、母子カテーテルのガイドワイヤーとカテーテル先端の放射不透明マーカーの上に冠状動脈の深部に進む独特の能力は、移植のための必須の特徴であった。

私たちの組み立てられた送達装置は、典型的な冠動脈ガイドカテーテル、母子カテーテル、および膨張した冠状動脈形成バルーンに固定された3Dプリントインプラントで構成されていました(図1B)。機能性デリバリーユニットとして、母子カテーテルは、機器の配達に安定した追加サポートを提供するだけでなく、デフレやバルーンの除去時にインプラントを所定の位置に保つための剪断装置としても一意に適用されました。カテーテル先端の放射不透過マーカーは、組み立てられた装置の位置決めガイドとして役立ち、血管形成バルーンに近位に座っている。これらの特性により、流量制限インプラントの正確な展開が可能となった。このプロセスは、動物の被験者にとって再現性があり、効率的で、人道的であるように設計されました。

母子経皮的送達技術を用いて、コントラスト強化ストレス心灌流磁気共鳴画像法(MRI)の評価のために、局所的な冠動脈狭窄を伴う豚モデルを作成しました。しかし、この技術は、冠状血管外の血管系を含む他の調査に採用され得る。

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プロトコル

動物愛護法、国立衛生研究所、米国心臓心臓動物使用協会のガイドラインに従って実験を行いました。私たちの機関動物のケアと使用委員会は、動物研究プロトコルを承認しました。

1. 3Dプリントされた冠状狭窄インプラントの前の手続き準備

1. ピンセットを使用して、トロンバス形成を防止し、24時間空気乾燥することを可能にするために、印刷されたインプラントを25%ヘパリン溶液に浸しコーティングします。

2. 動物の被験者の手続き前の準備

1. 男性ヨークシャー豚(SNSファーム、30-45キロ)を試験日の1週間前に施設に到着させ、順応させます。
2. 手順の前日の午前0時過ぎに豚を断食状態に保ちます。

3. 手続き型麻酔

1. 豚を筋肉内ケタミン(10mg/kg)および静脈内ミダゾラム(1mg/kg)で鎮静させる。
2. 動物を酸素イソファフルランで換気する(1~2%)混合 物。
3. 動物の被験者が鎮静されたら気管挿管を行う。
4. 静脈内(IV)ロクロニウム(2.5mg/kg/h)を注入し、横隔膜固定化を達成するために必要な場合は、追加のボーラス(1~3 mg/kg IV)を与えます。
5. 目覚め、動き、バイタルサインの広い変動、および実験の期間中に苦痛や不快感の他の兆候をチェックすることによって、手順全体を通して麻酔の外科的平面を維持する。麻酔下で約6時間豚を監視した。

4. 血管へのアクセス

1. セルディンガーの技術を使用して、動脈および静脈鞘を被験者の両側大腿動脈および静脈に挿入する。
2. ヘパリン化正常な生理処理で、すべてのカテーテルポートを連続してフラッシュします。

5. 前の手続き型の薬物投与

1. アミオダロンを筋肉内投与(1.5mg/kg)、リドカイン静脈内投与(2mg/kg)、不整脈に対する予防のために必要に応じて静脈内(1mg/kg)のエスモロールを静脈内投与する。アミオダロンの繰り返し投与量を与える, リドカイン, および実験の過程を通じて必要に応じてエスモロール心室のリズムを抑制し、心拍数の応答を制御します。.
2. 血管アクセスが得られた後、活性化凝固時間(ACT)を保つためにヘパリン(5,000〜10,000単位)を投与し、300s.実験の過程で1時間ごとにACTをチェックし、必要に応じて必要に応じて静脈内ヘパリンを与え、ACT目標を維持する。

6. 血力学的モニタリング

1. 実験期間中のSTセグメント、T波、および心拍数の変化を記録するために、単一の横電心電図(ECG)胸部リードを使用してください。
2. 圧力トランスデューサを使用して、手順全体を通して連続的な大腿動脈圧を記録します。
3. 連続パルスオキシメトリー記録のために、動物の耳または唇にパルスオキシメータを取り付けます。

7. インプラント送達装置の準備

1. 冠状血管造影を行う前に、バルーン先端がカテーテルの先端を越えて伸びるように、所望の大きさの母子カテーテルを通して膨張したNCトレックのワイヤー上の冠状バルーンを挿入する。
2. 3Dプリントされたインプラントを、膨らんだ血管形成術バルーンに取り付け、そのインプラントがバルーンのマーカー間に位置し、近位マーカーに近い位置に配置されるようにする(図1B)。
3. インプラントをバルーンに固定するために、インスフレーターでバルーンを2~3気圧に膨らまします。インプラントがバルーンの近位半分に近い位置に配置され、取り外しの準備ができたときに母子カテーテルに最も近い状態になることを確認します(図1B)。

冠動脈造影と冠動脈インプラントの導入

1. 前向きの C アームを前頭柱(AP)投影に配置します。
2. 左右の冠動脈ガイドカテーテルにコントロールバルブ(材料表を参照)を取り付けます(材料の表を参照)。
3. 右大腿動脈鞘を通してJチップワイヤーの上にガイドカテーテルを導入し、透視指導の下でカテーテルを大動脈根に進める。
4. 選択的に(または非選択的に)左の主冠動脈(LMCA)にカテーテルを係合し、左冠動脈系を視覚化するために透視鏡検査の下で5 mLのヨード化コントラストを注入する。
5. ガイドカテーテルをLMCAの方向に位置付け、第2血管造影(図2)。.冠状動脈の関与が困難であることが判明した場合、豚の短い大動脈アーチの一部が原因で、血管の十分な可視化を提供する限り、非選択的血管造影を行うことを検討する。
6. 一旦、蛍光検査下でLMCAの近くに従事または位置付け、0.014"、300cm冠状線(材料表参照)をLMCAに進め、さらに必要に応じて遠位左前下り動脈(LAD)または左サーカムフレックス冠動脈(LCX)までワイヤーを進める(図3)。
7. 透視指導の下で、以前に組み立てられた母子カテーテルを膨張させた冠状血管形成術バルーンとインプラントを冠状線の上に挿入し、冠状動脈容器に沿って所望の位置に進む。5 mLのヨード化コントラストを注入して、冠状動脈インプラントを配置する所望の場所で離散狭化を視覚化する(図4)。
8. インプラントが位置したら、母子カテーテルを膨脹したバルーンの近位マーカーに進める。
9. バルーンを収縮させ、母子カテーテルを通して引き込みます。このプロセスにより、母子カテーテルは、インプラントが後退する時にバルーンから剪断し、容器の指定されたセグメント内のインプラントの位置を固定することができる。
10. バルーン、母子カテーテル、冠状線を取り外します。
11. 血管内の新しい人工狭窄の位置を文書化するために最終的な血管造影を行う。可能な場合、血管造影は、狭窄の重症度の視覚的推定を取得するために、2つの直交ビューで行われるべきである。また、近位血管における母子カテーテルの選択的な位置を有する最終血管造影(図5)も行うことができる。
12. すぐに2 mL/秒の速度で注入されたガドブトロール(0.1 mM/kg)を使用して心臓ストレス灌流MRIを受けるためにMRスイートに動物を移す。
    注:使用されたストレス剤は、300 μg/kg/分でアデノシンを4分注入した。イメージングプロトコルには、1)シネイメージング(視野[FOV]=292 x 360 mm、マトリックスサイズ= 102 x 126、繰り返し時間[TR]=5.22ms、エコータイム[TE]=2.48ms、スライス厚さ=6mm、帯域幅450Hz、フリップ角度=12°)2)スポイル化された勾配エコーシーケンスを使用した静止時およびピーク時のアデノシン血管拡張ストレス時の最初の通過灌流(FOV = 320 x 320 mm、マトリックスサイズ = 130 x 130、TR = 2.5 ms、TE = 1.1 ms、スライス厚さ = 10 mm、ピクセル = 650 Hz、角度フリップ、 そして3)ECGゲート、セグメント化された、スポイル化された勾配エコー位相感受性反転回復シーケンス(FOV = 225 x 340 mm、マトリックスサイズ = 131 x 175 mm、TR = 5.2 ms、TE = 1.96 ms、スライス厚 = 8 mm、反転時間 (TI) =ixel 帯域幅 = 465 Hz、フリップ角度 = 20°)。図6に、例示的なファーストパス灌流画像を示します。
13. MRIプロトコルの完了後、ペントバルビタールナトリウム(100mg/kg)の注入によって豚を安楽死させる。
14. 横胸膜切除を行い、心臓を切除し、そして、冠状血管を露出させるために、元生体内心臓を解剖する。対角分岐(LADテリトリー)またはobtuse限界枝(LCXテリトリー)のいずれかに関連するインプラントの位置に注意し、インプラントを取得します。
15. 鈍く曲がったメッツェンバウムのはさみを使って冠状動脈容器を開け、船に重傷がないか調べます(図7を参照)。心筋梗塞を排除するために、トリフェニルテトラゾリウムクロリドで総病理と染色のための心臓組織を撮影します(図8を参照)。

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結果

手順の初期最適化の後、介入コンポーネントは30分以内に完了した。インプラントは全11人の被験者(100%)で正常に送達された。インプラントは全11人の被験者(100%)の検死で回収された。斜めの枝(LADに沿う)または鈍い限界枝(LCXに沿って)を位置マーカーとして使用して、透視的誘導配置および検死時のインプラントの位置は、11(91%)の10で一貫していることがわかりました。インプラントが取得可...

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ディスカッション

本研究では、冠動脈狭窄誘発インプラントの新しい経皮的展開戦略に焦点を当て、母子カテーテルを3Dプリント冠状インプラントの効果的な経皮的送達のために転用できることを示した。変動重症度の離散的な人工冠動脈ステノースは、標準的な人間の経皮的冠動脈介入技術および装置を使用して、高い成功率を有する豚モデルで、そして低侵襲的な方法で迅速に作成することができる。こ?...

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資料

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