off-pump coronary artery bypass graft surgery for preparing a porcine model of chronic myocardial ischemia

Terapia adjuvante de exossomos: melhorando a recuperação miocárdica pós-cirurgia de revascularização do miocárdio

Globally, severe CAD affects over a hundred million patients, and although the mortality rate has decreased, it remains one of the leading causes of death1,2. CAD has a wide clinical spectrum from myocardial infarction (MI) to ischemia with preserved viability. Most pre-clinical research focuses on MI, characterized by the presence of infarcted tissue as it is possible to study in small and large animal models. However, that model does not address patients with preserved viability and amenable to revascularization. Most patients undergoing CABG have decreased blood supply and limited function while maintaining variability in contractile reserve and viability3. Without treatment, these patients can progress to advanced heart failure and sudden death, especially during increased workload4. Among these patients, coronary artery bypass graft (CABG) is an effective therapy but may not result in complete functional recovery5. Importantly, diastolic dysfunction, which is a marker for worse clinical outcomes, fails to recover after revascularization suggesting the need for novel adjuvant therapies during CABG6,7. Currently, there are no clinically available adjuvant interventions used with CABG to restore cardiomyocytes to full functional capacity. This is a major therapeutic gap given that many patients progress to advanced heart failure despite appropriate revascularization8.
An innovative porcine model of chronic myocardial ischemia that is amenable to CABG, to mimic clinical CAD experience was created9. Swine provide a good model of heart disease over other large animals as they do not have epicardial bridging collaterals so stenosis of the LAD alone results in regional ischemia10. In this study, 16-week-old female Yorkshire-Landrace pigs were used. In this model, the LAD was revascularized with off-pump CABG using the left internal mammary artery (LIMA) graft (Supplementary Table 1). Percutaneous coronary intervention (PCI) is not possible to open the stenosis as the constrictor is a rigid device. Cardiac magnetic resonance imaging (MRI) is used to assess global and regional function, coronary anatomy, and tissue viability. Cardiac MRI analysis showed diastolic function, characterized by peak filling rate (PFR) remains impaired despite CABG6. The mechanism of diastolic dysfunction likely relates to impaired mitochondrial bioenergetics and collagen formation in HIB that persist following CABG11.
Mesenchymal stem cells (MSC) provide therapeutic signaling through exosomes to improve myocardial recovery when applied during CABG. In this swine model and parallel in vitro studies, it was shown that placement of an epicardial MSC vicryl patch during CABG recovers contractile function with increase in key mitochondrial proteins namely PGC-1&#945;12, an important regulator of mitochondrial energy metabolism13. The in vitro model allowed us to investigate the signaling mechanism of MSCs on impaired mitochondrial function. Exosomes are secreted stable microvesicles (50-150 nm) that contain protein or nucleic acids including microRNA (miRNA)14. Recent in vitro data suggest that MSC-derived exosomes are an important signaling mechanism necessary for recovery of mitochondrial respiration.
Stem cell derived exosomes are promising adjunctive therapeutics as they are readily accessible, can be commercially produced, and lack ethical conflicts. In consideration of clinical translation, a collagen patch embedded with MSC-derived exosomes was created that can be surgically sutured to the hibernating region of myocardium. It was demonstrated that there is sustained delivery of exosomes using this patch and it provides a cell-free regenerative therapy with paracrine signaling mechanism that targets mitochondrial recovery and enhance mitochondrial biogenesis15. This procedure provides the pre-clinical model to study the impact of MSC-derived therapies to improve cardiac function by means of enhancing mitochondrial function and reducing inflammation at the time of revascularization and reverse the myocyte adaptations to chronic ischemia.
In this study, a surgical method of off-pump CABG using LIMA to LAD anastomosis to bypass the area of proximal LAD stenosis mimicking the standard treatment for patients with CAD is shown. As an adjunctive therapy with CABG, the surgical application of MSC-derived exosome embedded collagen patch on the ischemic region of the myocardium was demonstrated. This surgical model can be used to study the physiologic responses to the paracrine effect seen with use of an exosome patch as well as the molecular mechanisms of recovery.

Autor em destaque: Melhorando a revascularização da artéria coronária

Modelo cirúrgico porcino de isquemia miocárdica crônica tratada com adesivo carregado de exossomo e cirurgia de revascularização miocárdica sem circulação extracorpórea

The overall goal of this surgical procedure is to create a surgical model of coronary artery revascularization using LIMA to LAD bypass, and the use of exosome-laden collagen patch as an adjunct to demonstrate physiological improvement in cardiac function. Our in-vivo model is a single-vessel model that does not include any comorbidities, which is not representative of the typical clinical situation for patients undergoing treatment for multi-vessel disease. However, despite this limitation, our model has consistently produced reliable results and has maintained low mortality rates.We developed a clinically relevant adjuvant therapy to be used during CABG and aim to understand the cellular mechanisms driving the myocardial functional improvement in chronic myocardial ischemia. Complete recovery of ischemic tissue appears to hinge on restoration of mitochondrial capabilities and reduced inflammation;representing a novel area of study.

Cirurgia de revascularização miocárdica sem circulação extracorpórea para elaboração de modelo porcino de isquemia miocárdica crônica

Para começar, posicione o animal anestesiado e intubado de costas e cubra-o com toalhas estéreis. Utilizar eletrocautério monopolar para incidir 20 centímetros, estendendo-se da fúrcula esternal proximalmente até o processo xifoide distalmente, e incisar camadas de músculos, gordura subcutânea e tecido conjuntivo até o esterno. Em seguida, realizar uma esternotomia média, empregando uma serra oscilante.Para visualização eficiente do mediastino, utilizar afastador de tórax especializado. Dissecção das aderências com eletrocautério monopolar ou tesoura de Metzenbaum. Em seguida, expor o LIMA dissecando o músculo paraesternal e a gordura.Em seguida, inicie a dissecção do AMI, elevando a borda esternal esquerda para garantir a visualização ideal. Aplicar tração suave na adventícia e expor os ramos arteriais e venosos do LIMA. Empregar dissecção romba usando ponta de eletrocautério para separá-la cuidadosamente da parede torácica.Utilizar hemoclipes nos ramos e cauterizar a face da parede torácica desses ramos. Em seguida, prenda a extremidade distal do LIMA imediatamente antes do ponto de bifurcação e divida o conduto. Fixar a extremidade distal com uma sutura de seda de 2-O amarrada livremente.Após o preparo da extremidade proximal para a enxertia, avalie a qualidade do fluxo manualmente, permitindo que o enxerto sangre brevemente. Agora pinça a extremidade distal do conduto LIMA com uma pinça de bulldog atraumática para evitar sangramento. Estabilizar a artéria descendente anterior esquerda, ou DAD, usando fita de retração de silicone e um estabilizador de tecido que é fixado ao afastador esternal.Realizar arteriotomia na artéria da DAE distal à estenose, com lâmina 11, e estendê-la com tesoura de íris. Posicionar um shunt coronariano de tamanho adequado na artéria ADA. Realizar a anastomose LIMA a LAD usando uma sutura inabsorvível de 7-O em uma técnica de bypass sem CEC.Pegue uma suspensão de exossomo de três milímetros e use uma seringa de cinco mililitros equipada com uma agulha de calibre 18 para misturá-la. Em seguida, pipetar gradualmente 1,5 mililitros dessa suspensão em duas esponjas de colágeno absorvíveis, colocadas em uma placa de Petri de tamanho médio. Para atingir a região hibernante do coração, coloque a esponja do exossomo de cabeça para baixo no epicárdio da região septal anterior na distribuição da artéria DAD.Disponha cuidadosamente duas esponjas para cobrir totalmente a região de hibernação. Use uma tela de poliglactina em cada esponja de colágeno para garantir a cobertura adequada e costurar a tela no epicárdio com suturas finas interrompidas de 7-O. Faça uma incisão separada da facada perto da face inferior da incisão da esternotomia e coloque o dreno torácico cuidadosamente na face anterior do coração.Aproximar o esterno utilizando pontos inabsorvíveis, empregando-se um padrão de figura oito. Fechar as camadas do músculo e da pele com pontos absorvíveis de 2-O e 3-O, respectivamente, seguindo o procedimento padrão. Depois de evacuar a cavidade torácica com um dreno torácico, sele a ferida usando uma sutura de corda em bolsa.Uma vez que a ferida está fechada, remova o dreno torácico. Em repouso, a taxa de enchimento de pico sobre o volume diastólico final é comparada entre quatro grupos de animais. Na infusão de baixas doses de dobutamina, o grupo com miocárdio hibernante apresentou diminuição da taxa de pico de enchimento.O grupo cirurgia de revascularização miocárdica apresentou melhora, enquanto o grupo de cirurgia de revascularização miocárdica, mais o grupo de células-tronco mesenquimais, teve aumento significativo. A análise da RM revelou que a cirurgia de revascularização miocárdica associada ao grupo de células-tronco mesenquimais não altera a função sistólica regional em repouso. Entretanto, sob estresse, esse grupo apresentou melhora significativa na função sistólica regional em relação à cirurgia de revascularização miocárdica.

Research

JoVE Journal

Medicine

Off-Pump Coronary Artery Bypass Graft Surgery for Preparing a Porcine Model of Chronic Myocardial Ischemia

Surgical Porcine Model of Chronic Myocardial Ischemia Treated by Exosome-laden Collagen Patch and Off-pump Coronary Artery Bypass Graft

Chronic myocardial ischemia resulting from progressive coronary artery stenosis leads to hibernating myocardium (HIB), defined as myocardium that adapts ...

Medicina