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Method Article
同時ビデオ-EEG-ECG-オキシメトリー-カプノグラフィーを用いて、ウサギモデルの感受性を評価し、引き起こされた不整脈および発作を発症する方法論を開発した。この新しい記録システムは、治療薬の有効性と安全性をテストするプラットフォームを確立し、突然死に至るマルチシステムイベントの複雑なカスケードをキャプチャすることができます。
イオンチャネル症の患者は、発作および致命的な心臓不整脈を発症する危険性が高い。てんかん患者(すなわちてんかんの心臓)には心臓病や不整脈の有病率が高い。さらに、発作を取り巻く心臓および自律神経障害が報告されている。1:1,000てんかん患者/年はてんかん(SUDEP)で突然の予期せぬ死で死亡する。SUDEP のメカニズムは、完全には理解されていません。脳波(EEG)と心電図(ECG)は、発作や不整脈の基質/トリガーを検出して研究するために臨床現場で日常的に使用される2つの技術です。この方法論の多くの研究と記述はげっ歯類にありますが、心臓の電気的活動は人間とは大きく異なります。この記事では、意識的なウサギの同時ビデオ-脳脳-EEG-ECG-オキシメトリーカポノグラフィーを記録するための非侵襲的な方法の説明を提供します。心臓の電気機能はウサギとヒトで類似しているので、ウサギは翻訳診断および治療研究の優れたモデルを提供する。データ収集の方法論を概説するほか、ウサギの神経心の電気機能や病理を調べる分析手法についても議論する。これには、不整脈検出、EEGのスペクトル分析、および抑制されたウサギのために開発された発作スケールが含まれます。
心電図(ECG)は、心臓電気伝導のダイナミクスと電気活性化回復プロセスを評価するために臨床現場で日常的に使用されています。ECGは、不整脈、虚血、梗塞のリスクを検出、局所化、評価するために重要です。典型的には、電極は、心臓の立体的なビューを提供するために、患者の胸部、腕および脚に付設される。心筋脱分極の方向が電極に向かう場合に正の偏向が生じ、心筋脱分極の方向が電極から離れているときに負の偏向が生じる。心周期の電解成分には、心房脱分極(P波)、心房心室伝導(P-R間隔)、心室興奮(QRS複合体)、心室リポーラリゼーション(T波)が含まれる。ECGには、人間、ウサギ、イヌ、モルモット、ブタ、ヤギ、馬1、2、3など、多くの哺乳類に対して、行動の可能性のある対策が大きく類似しています。
ウサギは心臓翻訳研究に理想的なモデルです。ウサギの心臓は、イオンチャネル組成の点で人間の心臓に似ており、作用電位特性2、4、5。ウサギは、心臓病2、4、6、7、8の遺伝的、獲得、および薬物誘発モデルの生成に使用されてきた。心臓心電図と行動の薬物に対する反応の可能性は、人間7、10、11に大きな類似点があります。
心拍数と心臓電気活性化回復プロセスは、ウサギ、ヒト、および他の大きな哺乳類12、13、14と比較して、げっ歯類では非常に異なっています。げっ歯類の心臓は人間の10倍の速さで鼓動する。これに対し、ヒトおよびウサギのECGにおける等電動STセグメントに対して、げっ歯類14、15、16にはSTセグメントはない。また、げっ歯類は、逆T波14、15、16を持つQRS-r波形を有する。QT間隔の測定値は、げっ歯類と人間とウサギの14、15、16で非常に異なっています。さらに、正常なECG値は、げっ歯類12、15、16との人間で大きく異なる。心電図波形のこれらの違いは、心臓再分極9,14を駆動する作用電位形態とイオンチャネルの違いに起因する可能性がある。一過性外向きカリウム電流はげっ歯類における短い(非ドーム)心行動電位形態の主要な再分極電流であるが、ヒトおよびウサギでは、作用電位に大きな相2ドームがあり、遅滞性整流カリウム電流(IKrおよびIKs)はヒトおよびウサギ4,17の主要な再分極電流である。重要なことに、IKrおよびIKsの発現はげっ歯類において存在しない/最小限であり、そしてIKrおよびI Ksの時間的活性化運動学のために、それは心行動電位形態9、13において役割を持たない。このように、ウサギは、薬物誘発、取得、および遺伝したECG異常および不整脈4、7、13のメカニズムを評価するためのより翻訳的なモデルを提供する。次に、多くの研究が、初発心臓(長いQT症候群18、19、20)または神経疾患(てんかん21、22、23、24)における神経および心臓の両方の電気異常の存在を示しているように、ヒト生理学を密接に再現する動物モデルの基礎的メカニズムを研究することが重要である。げっ歯類は人間の脳をモデル化するのに十分かもしれませんが、げっ歯類はヒト心臓生理学7の理想的なモデルではありません。
脳波(EEG)は、通常頭皮または内部に置かれた電極を使用して、皮質の電気機能を記録します。これらの電極は、大脳皮質25における近傍錐型ニューロン群の焼成速度およびシンクロニシティの変化を検出できる。この情報は、脳機能と覚醒/睡眠状態を評価するために使用することができます。また、EEGはてんかんの活性を局所化し、てんかん発作を非てんかん事象(例えば、心因性非てんかん活動および心原性事象)と区別するのに有用である。てんかんの種類、誘発因子、および発作の起源を診断するために、てんかん患者は発作をもたらす可能性のある様々な操縦を受ける。様々な方法は、過換気、photic刺激、および睡眠不足を含む。このプロトコルは、ウサギ26、27、28、29におけるEEG収差および発作を誘発する感知刺激の使用を示す。
同時ビデオ-EEG-ECG記録は、ヒトおよびげっ歯類において、イクタル前、イクタル状態、およびイクタル状態30の間の行動、神経、および心臓活動を評価するために広く使用されている。いくつかの研究がウサギ4、31、32、33で個別にEEGとECG記録を行っているが、意識的に拘束されたウサギの同時ビデオ-EEG-ECGを取得および分析するためのシステムは34を確立していない。本論文では、神経心の電気機能と呼吸機能を評価するために、意識的なウサギに同時にビデオ-EEG-ECG-カプノグラフィーオキシメトリーデータを記録できるプロトコルの設計と実装について述べる。この方法から収集された結果は、不整脈、発作、呼吸障害、および身体的症状の間の感受性、引き金、ダイナミクスおよび一体性を示すことができる。実験システムの利点は、鎮静剤を必要とせずに意識的な録音を取得することです。ウサギは、最小限の動きで≥5時間の拘束剤に残ります。麻酔薬は神経細胞、心臓、呼吸、自律神経機能を摂動するので、意識状態の間の記録は最も生理学的なデータを提供する。
この記録システムは、最終的には、てんかんにおける突然の予期せぬ死(SUDEP)に対する神経学的、心臓および呼吸機構の理解を進めるための詳細な洞察を提供するかもしれない。上記の神経学的および心臓モニタリングに加えて、最近の証拠は、発作35、36後の突然死への潜在的な貢献として呼吸不全の役割を支持している。ウサギの呼吸状態を監視するために、発作の前後の呼吸器系の状態を評価するためにオキシメトリーおよびカプノグラフィーを実施した。ここで提示されるプロトコルは、薬理学的および感電誘発性ウサギの発作の閾値を評価することを目的として設計された。このプロトコルは、物理的な症状を引き起こす可能性のある微妙なEEGおよびECG異常を検出することができる。さらに、この方法は、心臓の安全性と新しい薬剤やデバイスの抗不整脈効果検査に使用することができます。
すべての実験は、国立衛生研究所(NIH)ガイドラインおよびアップステート医科大学施設動物ケアおよび使用委員会(IACUC)に従って行われました。また、このプロトコルの概要を 図 1に示します。
1. 録音機器の準備
2. EEG-ECG電極の埋め込みと呼吸モニターの取り付け
3. ビデオ-EEG-ECGの記録
4. 実験プロトコル
注:次の実験は、同じ動物に対して実行された場合、別々の日に実行されます。経口検査化合物薬物研究と急性末端痙攣薬研究の間には2週間の遅延がある。必要に応じて、感知刺激実験を行い、続いて30分待機し、次にPTZ薬物研究を行う。
5.非生存実験の結論
6. ECGの分析
7. ビデオ-EEGの分析
7. 呼吸機能の解析
上記の方法は、呼吸障害だけでなく、脳や心臓の電気伝導系の異常を検出することができる。データ取得ソフトウェアは、ECG形態を評価し、異常な心拍数、伝導障害、または心電図リズム(心房/心室異所性拍、および徐脈性不整脈)を検出するために使用される(図6)。ECGの形態を視覚化することに加えて、トレースは、RR間隔、心拍数、PR間隔、P?...
この実験的なセットアップは、特に心臓および/または神経疾患のモデルにおいて、ウサギにおける詳細な同時ビデオ-EEG-ECG-オキシメトリー-カプノグラフィーの記録および分析を促進する。この記事の結果は、この方法が発作や不整脈を検出し、それらを電図アーティファクトから区別することができることを示しています。ウサギにプロコンバルサントを与えたときに期待される結果が得?...
著者らは開示するものは何もない。
著者らは、この研究が米国心臓協会、米国てんかん学会、SUNYアップステート薬理学省からの助成金によって支持されたことを認めている。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.9% Sodium Chloride Irrigation, USP - Flexible Container | PFIZER (HOSPIRA) | 7983-09 | Dilutant |
10cc Luer Lock syringe with 20G x 1" Needle | Sur-Vet | SS-10L2025 | Used as a flush after drug injection |
4x4 gauze sponges | Fisher Scientific | 22-415-469 | Rolled in a tube to splint ear with angiocatheter |
Apple Sauce | Kirkland | 897971 | Vehicle for oral medications |
Computer | Dell | Optiplex 5040 | Acquisition computer |
E-4031 | Tocris | 1808 | Agent known to prolong the QT interval |
ECG Electrode | RhythmLink | RLSND116-2.5 | 13mm 35-degree bent (0.4 mm diameter) subdermal pin electrodes |
EEG Electrode | RhythmLink | RLSP513 | 5-twist 13mm straight (0.4mm diameter) subdermal pin electrodes |
EEGLAB (2020) | Swartz Center for Computational Neuroscience | Open Access | Can perform spectral analysis of EEG |
Ethernet-to-ethernet adapter | Linksys | USB3G16 | Adapter for connecting the camera to the computer |
Euthanasia-III Solution | Med-Pharmex | ANADA 200-280 | Contains pentobarbital sodium and phenytoin sodium, controlled substance |
Foam padding | Generic | N/A | Reduces pressure applied to the neck of small rabbits by the restrainer in order to prevent the adverse cardiorespiratory effects of neck compression |
Heparin Lock Flush | Medline | EMZ50051240 | To maintain patency of angiocatheter |
IR Light | Bosch | EX12LED-3BD-8W | Facilitates recordings in the dark |
LabChart Pro (2019, Version 8.1.16) | ADInstruments | N/A | ECG Analysis |
JELCO PROTECTIV Safety I.V. Catheters, 25 gauge | Smiths Medical | 3060 | Used to catherize marginal ear vein |
MATLAB (R2019b, Update 5) | MathWorks | N/A | Required to run EEGLAB |
Microphone | Sony Stereo | ECM-D570P | Recording of audible manifestions of seizures |
Micropore Medical Tape, Paper, White | 3M | 1530-1 | Used to secure wires and create ear splint |
Natus NeuroWorks | Natus | LC101-8 | Acquisition and review software |
Pentylenetetrazol (1 - 10 mg/kg always in 1mL volume) | Sigma-Aldrich | 88580 | Dilutions prepared in saline |
Photic Stimulator | Grass | PS22 | Stimulator to control frequency, delay, duration, intensity of the light pulses |
Plastic wire organizer / bundler | 12Vwire.com | LM-12-100-BLK | Bundle wires to cut down on noise |
PS 22 Photic Stimulator | Grass Instruments | BZA641035 | Strobe light with adjustable flash frequency, delay, and intensity |
PVC pipe | Generic | N/A | Prevents small rabbits from kicking their hind legs and causing spinal injury |
Quantum Amplifier | Natus | 13926 | Amplifier / digitizer |
Quantum HeadBox Amplifier | Natus | 22134 | 64-pin breakout box |
Rabbit Restrainer | Plas-Labs | 501-TC | Various size rabbit restrainers are available. 6" x 18" x 6" in this study. |
Rubber pad (booster) | Generic | N/A | Raises small rabbits up in the restrainer to prevent neck compression |
SpO2 ear clip | NONIN | 61000 | PureSAT/SpO2 |
SpO2 sensor adapter | NONIN | 13931 | XPOD PureSAT/SpO2 |
SRG-X120 1080p PTZ Camera with HDMI, IP & 3G-SDI Output | Sony | SRG-X120 | Impela Camera |
Terumo Sur-Vet Tuberculin Syringe 1cc 25G X 5/8" Regular Luer | Sur-Vet | 13882 | Used to inject intravenous medications |
Veterinary Injection Plug Luer Lock | Sur-Vet | SRIP2V | Injection plug for inserting the needle for intravenous medication |
Webcol Alcohol Prep, Sterile, Large, 2-ply | Covidien | 5110 | To prepare ear vein before catheterization |
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