Nova abordagem percutânea para implantação de implantes de estenose coronária impressa 3D em modelos suínos de doença cardíaca isquêmica

Resumo

Descrevemos uma técnica nova, econômica e eficiente para a entrega percutânea de implantes coronários impressos tridimensionalmente para criar modelos suínos de peito fechado de doenças cardíacas isquêmicas. Os implantes foram fixados no local usando um cateter de extensão mãe e filho com alta taxa de sucesso.

Resumo

Métodos minimamente invasivos para criar modelos de estreitamento coronário focal em animais de grande porte são desafiadores. Prototipagem rápida usando implantes coronários impressos tridimensionalmente (3D) podem ser usados para criar percutâneamente uma estenose coronariana focal. No entanto, a entrega confiável dos implantes pode ser difícil sem o uso de equipamentos acessivos. Descrevemos o uso de um cateter guia coronário mãe e filho para estabilização do implante e para a efetiva entrega do implante impresso em 3D em qualquer local desejado ao longo do comprimento do vaso coronário. O estreitamento coronário focal foi confirmado cineangiografia coronariana e o significado funcional da estenose coronariana foi avaliado utilizando ressonância magnética de perfusão cardíaca de primeira passagem aprimorada pelo gadolinium. Mostramos que a entrega confiável de implantes coronarianos impressos em 3D em modelos suínos (n = 11) de doença cardíaca isquêmica pode ser alcançada através da redefinição de cateteres guia coronarianos de mãe e filho. Nossa técnica simplifica a entrega percutânea de implantes coronários para criar modelos suínos de peito fechado de estenose arterial coronariana focal e pode ser realizado rapidamente, com baixa taxa de falha processual.

Introdução

A doença cardíaca isquêmica continua sendo a causa número um de morte nos Estados Unidos¹. Grandes modelos animais têm sido usados experimentalmente para entender e caracterizar mecanismos que conduzem a doença arterial coronariana (CAD) e complicações associadas (incluindo infarto do miocárdio, eventos artrítmicos e insuficiência cardíaca), bem como para testes de novas modalidades terapêuticas ou diagnósticas. Os resultados desses estudos ajudaram a ampliar a compreensão, o diagnóstico e o monitoramento da doença isquêmica do coração e a avançar a prática clínica². Vários modelos animais, incluindo coelhos, cães e suínos foram usados. No entanto, estenos coronários, particularmente lesões discretas, ocorrem muito raramente nesses animais e são difíceis de induzir reprodutivelmente³. Trabalhos anteriores descreveram a criação de estenos coronários artificiais usando ligadura, occluders ou grampos externos. Recentemente, descrevemos como usar a tecnologia de impressão 3D para fabricar implantes coronários que podem ser usados para criar percutâneamente o discreto estreitamento coronário artificial⁴. Usando software de design auxiliado por computador, projetamos implantes de artéria coronária como tubos ocos com diferentes diâmetros internos e externos, bem como comprimento do implante e depois os fabricamos usando materiais aditivos disponíveis comercialmente. Os implantes são tubos suaves, ocos e impressos em 3D com bordas arredondadas. Projetamos uma biblioteca de tamanhos de implante com uma gama de diâmetro interno, diâmetro externo e comprimento. O diâmetro externo do implante é baseado no tamanho do cateter guia coronário. O diâmetro interno é baseado no tamanho de um balão de angioplastia coronária deflacionado. Nós variamos o comprimento do implante para adaptar a gravidade desejada da perfusão. No entanto, a entrega percutânea segura desses dispositivos pode ser desafiadora devido à falta de fios e cateteres fabricados especificamente para uso de animais de grande porte. Em contraste, uma extensa coleção de cateteres, fios e equipamentos de apoio estão disponíveis para uso clínico em artérias coronárias humanas. Neste trabalho, mostramos como reutilizar um cateter guia coronariano de grau clínico para a entrega dos implantes coronários impressos em 3D.

O cateter GuideLiner (Figura 1A) foi desenvolvido para intervenção coronária percutânea (PCI) para permitir assentos profundos de cateter e maior suporte para casos complexos⁵. Em nossa investigação, o cateter GuideLiner foi escolhido devido à familiaridade de uso e disponibilidade, mas cateteres semelhantes, onde disponíveis, também podem ser considerados. Considerado um cateter guia "mãe e filho"(Figura1B),o dispositivo se encaixa dentro de um cateter típico de guia coronário ("mãe") e é um tubo flexível coaxial ("criança"). Este cateter pode ser inserido sobre um fio-guia e efetivamente alonga o alcance de um cateter típico de guia coronário, estendendo-se além do fim do guia coronário. O GuideLiner ou um cateter materno-infantil similar pode ser usado como suporte adicional para implantação dos implantes coronários impressos em 3D. Como os implantes são montados sobre balões de angioplastia a serem inseridos como uma unidade sobre um fio coronário na embarcação (Figura 1B,1C),o cateter oferece suporte adicional para entregar o implante ao local desejado. Ao posicionar o cateter mãe e filho apenas proximal ao balão, o implante permanece no local desejado durante a deflação e retração do balão. Apesar de ter alguma firmeza em sua estrutura, a habilidade única do cateter mãe e filho de ser avançado profundamente em artérias coronárias sobre um fio-guia e o marcador radiopaque na ponta do cateter foram características essenciais para a implantação.

Nosso aparelho de entrega montado consistia em um cateter típico de guia coronário, cateter mãe e filho, e um implante impresso em 3D fixado em um balão de angioplastia coronária deflacionado(Figura 1B). Como unidade de parto funcional, o cateter mãe e filho não só forneceu suporte adicional estável para a entrega do equipamento, mas também foi aplicado exclusivamente como dispositivo de cisalhamento para manter os implantes no local durante a deflação e remoção do balão. O marcador radiopaque na ponta do cateter serviu como um guia de posicionamento para o aparelho montado e fica proximal ao balão de angioplastia. Essas características permitiram a implantação precisa dos implantes limitantes de fluxo. O processo foi projetado para ser reprodutível, eficiente e humano para os sujeitos animais.

Em nossa aplicação, a técnica de parto percutânea mãe e filho foi usada para criar modelos suínos com estenose coronária focal para avaliação da ressonância magnética de perfusão cardíaca de perfusão de estresse aprimorado contraste (RM). No entanto, a técnica pode ser empregada em outras investigações, incluindo sistemas vasculares fora dos vasos coronários.

Protocolo

Conduzimos os experimentos de acordo com as diretrizes da Lei de Bem-Estar Animal, dos Institutos Nacionais de Saúde e da Associação Americana do Coração sobre O Uso animal. Nossa Comissão Institucional de Cuidados e Uso de Animais aprovou o protocolo de estudo animal.

1. Preparação pré-processual de implantes de estenose coronária impressa em 3D

1. Usando pinças, dife os implantes impressos em uma solução de heparina de 25% para evitar a formação de trombos e permitir secar o ar por 24 h.

2. Preparação pré-processual de disciplinas animais

1. Ter suínos yorkshire machos (SNS Farms, 30-45 kg) chegar à instituição 1 semana antes da data do experimento e permitir que eles se aclimaçam.
2. Mantenha os suínos em estado de jejum depois da meia-noite do dia anterior ao procedimento.

3. Anestesia processual

1. Separem os suínos com cetamina intramuscular (10 mg/kg) e midazolam intravenoso (1 mg/kg).
2. Ventilar os animais com um oxigênio-isoflurano (1-2%) Mistura.
3. Realizar entubação endotracal uma vez que o sujeito animal é sedado.
4. Infundir o rocurômio intravenoso (IV) rocurômio (2,5 mg/kg/h) e dar bolus adicionais (1-3 mg/kg IV a cada 20-30 min) quando necessário para alcançar a imobilização diafragmática.
5. Mantenha um plano cirúrgico de anestesia durante todo o procedimento, verificando o despertar, os movimentos, a grande flutuação em sinais vitais e outros sinais de angústia ou desconforto durante toda a duração do experimento. Monitoramos os suínos por cerca de 6h anestesia.

4. Acesso vascular

1. Utilizando a técnica Seldinger, insira as bainhas arteriais e venosas nas artérias femorais bilaterais e veias dos sujeitos.
2. Lave todas as portas do cateter continuamente com soro soro normal heparinizado.

5. Administração de medicamentos pré-processuais

1. Administrar amiodarona intramuscularmente (1,5 mg/kg), lidocaína por via intravenosa (2 mg/kg) e esmolol intravenosa (1 mg/kg) conforme necessário para a profilaxia contra arritmia. Dê doses repetidas de amiodarona, lidocaína e esmolol conforme necessário ao longo do experimento para suprimir ritmos ventriculares e controlar a resposta da frequência cardíaca.
2. Após a obtenção do acesso vascular, administre heparina (5.000-10.000 unidades) para manter um tempo ativado de coagulação (ACT) >300 s. Verifique o ACT a cada hora durante o experimento e dê heparina intravenosa adicional conforme necessário para manter a meta act.

6. Monitoramento hemodinâmico

1. Use um único suporte de eletrocardiografia lateral (ECG) para registrar alterações no segmento ST, ondas T e frequência cardíaca durante todo o período experimental.
2. Use um transdutor de pressão para registrar pressão arterial femoral contínua durante todo o procedimento.
3. Conecte um oxímetro de pulso ao ouvido ou lábio do animal para gravações contínuas de oximetria de pulso.

7. Preparação de equipamentos de entrega de implante

1. Antes de realizar a angiografia coronariana, insira um balão coronariano denconária deflacionado NC Trek através de um cateter mãe e filho do tamanho desejado de tal forma que a ponta do balão se estende além da ponta do cateter.
2. Monte o implante impresso em 3D no balão de angioplastia deflacionado de tal forma que o implante esteja posicionado entre os marcadores do balão e perto do marcador proximal (Figura 1B).
3. Inflar o balão com um insufflator para 2-3 atm, a fim de fixar o implante no balão. Verifique se o implante está posicionado mais perto da metade proximal do balão para que ele esteja mais próximo do cateter mãe e filho quando estiver pronto para remoção (Figura 1B).

8. Angiografia coronariana e implantação de implante coronário

1. Posicione o braço C fluoroscópico na projeção anteroposterior (AP).
2. Conecte uma válvula de controle (ver Tabela de Materiais) a um cateter guia coronário esquerdo ou direito (ver Tabela de Materiais).
3. Introduza o cateter guia sobre um fio de ponta J através da bainha da artéria femoral direita e, orientação fluoroscópica, avance o cateter para a raiz aórtica.
4. Seletivamente (ou não seletivamente) envolver o cateter na artéria coronária principal esquerda (LMCA) e injetar 5 mL de contraste iodinado fluoroscopia para visualizar o sistema coronário esquerdo.
5. Posicione o cateter guia em direção ao LMCA para o segundo angiograma (Figura 2). Se o engajamento da artéria coronária se mostrar difícil, devido em parte ao curto arco aórtico do suíno, considere realizar angiogramas não seletivos desde que forneçam visualização adequada dos vasos.
6. Uma vez engajado dentro, ou posicionado perto da LMCA, fluoroscopia, avançar um fio coronário de 0,014, 300 cm (ver Tabela de Materiais) para o LMCA e avançar ainda mais o fio para a artéria descendente anterior esquerda distal (LAD) ou artéria coronária circunflexa esquerda (LCX) se desejar(Figura 3).
7. orientação fluoroscópica, insira o cateter mãe e filho previamente montado com o balão de angioplastia coronária inflado e implante sobre o fio coronário e avançar para o local desejado ao longo do vaso coronário. Injetar 5 mL de contraste iodinado para visualizar um estreitamento discreto no local desejado onde o implante coronário deve ser implantado(Figura 4).
8. Uma vez que o implante esteja em posição, avance o cateter mãe e filho para o marcador proximal do balão inflado.
9. Esvazie o balão e retraia-o através do cateter mãe e filho. Esse processo permite que o cateter mãe e filho tire o implante do balão à medida que ele é retraído e fixa a posição do implante no segmento designado do vaso.
10. Remova o balão, o cateter mãe e filho e o fio coronário.
11. Realizar angiogramas finais para documentar a localização da nova estenose artificial dentro da embarcação. Quando possível, angiogramas devem ser realizados em duas visões ortogonais para adquirir estimativa visual da gravidade da estenose. Uma angiografia final (Figura 5) também pode ser realizada com posicionamento subseletivo do cateter mãe e filho no vaso proximal, que proporciona excelente opacificação com contraste mínimo.
12. Transferir imediatamente o animal para a suíte MR para se submeter à ressonância magnética de perfusão de estresse cardíaco utilizando gadobutrol (0,1 mM/kg) injetado a uma taxa de 2 mL/seg.
    NOTA: O agente de estresse utilizado foi uma infusão de 4 min de adenosina a 300 μg/kg/min. O protocolo de imagem incluiu 1) imagens de cine (campo de visão [FOV] = 292 x 360 mm, tamanho da matriz = 102 x 126, tempo de repetição [TR] = 5,22 ms, tempo de eco [TE] = 2,48 ms, espessura de fatia = 6 mm, largura de banda de pixel = 450 Hz, ângulo de flip = 12°); 2) perfusão de primeiro passe em repouso e no pico de estresse vasodilator de adenosina usando uma sequência de eco gradiente estragada (FOV = 320 x 320 mm, tamanho da matriz = 130 x 130, TR = 2,5 ms, TE = 1,1 ms, espessura da fatia = 10 mm, largura de banda pixel = 650 Hz, ângulo de flip = 12°; e 3) imagem tardia de melhoria de gadolinium usando uma sequência de recuperação de subversão de gradiente-eco estragada e degrado-eco estragada (FOV = 225 x 340 mm, tamanho da matriz = 131 x 175 mm, TR = 5,2 ms, TE = 1,96 ms, espessura de fatia = 8 mm, tempo de inversão (TI) = otimizado para anular o miocárdio, pumito, pumito largura de banda ixel = 465 Hz, ângulo de flip = 20°). Uma imagem ilustrativa de perfusão de primeiro passe é mostrada na Figura 6.
13. Após a conclusão do protocolo de ressonância magnética, eutanize o suíno por uma infusão de pentobarbital de sódio (100 mg/kg).
14. Realizar uma toracotomia lateral, excilar o coração e dissecar o coração ex vivo para expor os vasos coronários. Observe a localização do implante em relação aos ramos diagonais (território LAD) ou filiais marginais obtusos (território LCX), e recupere os implantes.
15. Usando tesouras Metzenbaum sem cortes e curvas, abra o vaso coronário e inspecione o vaso por lesão grave (ver Figura 7). Fotografe o tecido cardíaco para patologia bruta e mancha com cloreto de triphenyltetrazolium para excluir o infarto do miocárdio (ver Figura 8).

Resultados

Após a otimização inicial do procedimento, o componente de intervenção foi concluído dentro de 30 minutos. Os implantes foram entregues com sucesso em todos os 11 indivíduos (100%). O implante foi recuperado na autópsia em todos os 11 sujeitos (100%). Utilizando os ramos diagonais (ao longo do LAD) ou os ramos marginais obtusos (ao longo do LCX) como marcadores posicionais, encontramos a posição do implante na implantação guiada fluoroscópica e na autópsia para ser consistente em 10 dos 11 (91%) indivíduos...

Discussão

Neste trabalho, focamos em uma nova estratégia de implantação percutânea para implantes indutores de estenose coronária e mostramos que um cateter materno-infantil pode ser reaproveitado para uma efetiva entrega percutânea de implantes coronários impressos em 3D. Estenos coronários artificiais discretos de gravidade variável podem ser criados rapidamente em modelos suínos com alta taxa de sucesso e de forma minimamente invasiva usando técnicas e equipamentos intervencionistas coronários percutâneos humanos p...

Materiais

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