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Presentamos un protocolo para inducir y fenotipar una insuficiencia cardíaca derecha aguda en un modelo animal grande con hipertensión pulmonar crónica. Este modelo se puede utilizar para probar intervenciones terapéuticas, para desarrollar métricas del corazón derecho o para mejorar la comprensión de la fisiopatología de la insuficiencia cardíaca derecha aguda.
El desarrollo de insuficiencia cardíaca derecha aguda (ARHF) en el contexto de la hipertensión pulmonar crónica (HP) se asocia con malos resultados a corto plazo. El fenotipado morfológico y funcional del ventrículo derecho es de particular importancia en el contexto del compromiso hemodinámico en pacientes con ARHF. Aquí, describimos un método para inducir ARHF en un modelo animal grande previamente descrito de PH crónica, y para fenotipar, dinámicamente, la función ventricular derecha utilizando el método estándar de oro (es decir, bucles pv de presión-volumen) y con un método no invasivo clínicamente disponible (es decir, ecocardiografía). La HP crónica se induce primero en cerdos por ligadura de la arteria pulmonar izquierda y embolia del lóbulo inferior derecho con pegamento biológico una vez a la semana durante 5 semanas. Después de 16 semanas, la ARHF es inducida por cargas sucesivas de volumen con solución salina seguida de embolia pulmonar iterativa hasta que la relación entre la presión pulmonar sistólica sobre la presión sistémica alcanza 0,9 o hasta que la presión sistémica sistólica disminuye por debajo de 90 mmHg. La hemodinámica se restaura con infusión de dobutamina (de 2,5 μg/kg/min a 7,5 μg/kg/min). Los bucles fotovoltaicos y la ecocardiografía se realizan durante cada afección. Cada condición requiere alrededor de 40 minutos para la inducción, la estabilización hemodinámica y la adquisición de datos. De 9 animales, 2 murieron inmediatamente después de la embolia pulmonar y 7 completaron el protocolo, que ilustra la curva de aprendizaje del modelo. El modelo indujo un aumento de 3 veces en la presión media de la arteria pulmonar. El análisis pv-loop mostró que el acoplamiento ventriculo-arterial se conservó después de la carga de volumen, disminuyó después de la embolia pulmonar aguda y se restauró con dobutamina. Las adquisiciones ecocardiográficas permitieron cuantificar parámetros ventriculares derechos de morfología y función con buena calidad. Se identificaron lesiones isquémicas del ventrículo derecho en el modelo. El modelo se puede utilizar para comparar diferentes tratamientos o para validar parámetros no invasivos de la morfología y función del ventrículo derecho en el contexto de la ARHF.
La insuficiencia cardíaca derecha aguda (ARHF) se ha definido recientemente como un síndrome rápidamente progresivo con congestión sistémica resultante de un llenado deficiente del ventrículo derecho (RV) y/o una reducción de la producción de flujo de RV1. La ARHF puede ocurrir en varias afecciones, como insuficiencia cardíaca del lado izquierdo, embolia pulmonar aguda, infarto agudo de miocardio o hipertensión pulmonar (HP). En el caso de la HP, el inicio de la ARHF se asocia con un riesgo del 40% de mortalidad a corto plazo o trasplante pulmonar urgente2,3,4. Aquí, describimos cómo crear un modelo animal grande de ARHF en el contexto de la hipertensión pulmonar crónica y cómo evaluar el ventrículo derecho utilizando ecocardiografía y asas presión-volumen.
Las características fisiopatológicas de ARHF incluyen sobrecarga de presión de RV, sobrecarga de volumen, una disminución en la salida de RV, un aumento en la presión venosa central y / o una disminución en la presión sistémica. En la HP crónica, hay un aumento inicial en la contractilidad de RV que permite preservar el gasto cardíaco a pesar del aumento de la resistencia vascular pulmonar. Por lo tanto, en el contexto de arHF en la HP crónica, el ventrículo derecho puede generar presiones casi isosistémicas, particularmente bajo soporte inotrópico. En conjunto, la ARHF sobre la HP crónica y la restauración hemodinámica con inotropos conducen al desarrollo de lesiones isquémicas agudas de RV, como se describió recientemente en nuestro modelo animal grande5. El aumento de inotropos crea una mayor demanda energética que puede desarrollar aún más lesiones isquémicas y, finalmente, conducir al desarrollo de disfunción del órgano final y malos resultados clínicos. Sin embargo, no hay consenso sobre cómo manejar a los pacientes con ARHF en la HP, principalmente con respecto al manejo de líquidos, los inotropos y el papel del soporte circulatorio extracorpóreo. En consecuencia, un modelo animal grande de insuficiencia cardíaca derecha aguda puede ayudar a proporcionar datos preclínicos sobre el manejo clínico de la ARHF.
Como primer paso para cuantificar la respuesta a la terapia, se necesitan métodos simples y reproducibles para fenotipar el ventrículo derecho. Hasta la fecha, no hay consenso sobre cómo fenotipar mejor la morfología y función del RV de los pacientes con ARHF. El método estándar de oro para evaluar la contractilidad de RV (es decir, la capacidad intrínseca para contraerse) y el acoplamiento ventriculo-arterial (es decir, contractilidad normalizada por la poscarga ventricular; un índice de adaptación ventricular) es el análisis de los bucles de presión-volumen (PV). Este método es dos veces invasivo porque requiere cateterismo cardíaco derecho y una reducción transitoria de la precarga de RV utilizando un balón insertado en la vena cava inferior. En la práctica clínica, se necesitan métodos no invasivos y repetibles para evaluar el ventrículo derecho. La resonancia magnética cardíaca (CMR) se considera el estándar de oro para la evaluación no invasiva del ventrículo derecho. En pacientes con ARHF en PH crónica que se manejan en la unidad de cuidados intensivos (UCI), el uso de CMR puede ser limitado debido a la condición hemodinámica inestable del paciente; además, las evaluaciones repetidas de CMR, varias veces al día, incluso por la noche, pueden verse limitadas debido a su costo y disponibilidad limitada. Por el contrario, la ecocardiografía permite evaluaciones de morfología y función de RV no invasivas, reproducibles y de bajo costo en pacientes de UCI.
Los modelos animales de gran tamaño son ideales para realizar estudios preclínicos centrados en la relación entre parámetros hemodinámicos invasivos y parámetros no invasivos. La gran anatomía del cerdo blanco está cerca de los humanos. En consecuencia, la mayoría de los parámetros ecocardiográficos descritos en humanos son cuantificables en cerdos. Existen algunas variaciones menores entre el corazón humano y el corazón de cerdo que deben tenerse en cuenta para los estudios ecocardiográficos. Los cerdos presentan una dextrocardia constitucional y una rotación ligeramente en sentido contrario a las agujas del reloj del eje cardíaco. Como resultado, la vista apical de 4 cámaras se convierte en una vista apical de 5 cámaras y la ventana acústica está situada debajo del apéndice xifoide. Además, las ventanas acústicas paraesternales de eje largo y corto están situadas en el lado derecho del esternón.
Aquí, describimos un método novedoso para inducir ARHF en un modelo animal grande de PH tromboembólico crónico y para restaurar la hemodinámica utilizando dobutamina. También informamos lesiones isquémicas rv rv presentes en el modelo dentro de las 2-3 horas posteriores a la restauración hemodinámica con dobutamina. Además, describimos cómo adquirir bucles fotovoltaicos de RV y parámetros de RV ecocardiográficos en cada condición, proporcionando información sobre los cambios dinámicos en la morfología y función de RV. Como se describió previamente el modelo animal grande de PH tromboembólico crónico y los métodos pv-loop6, estas secciones se describirán brevemente. Además, se informaron los resultados de las evaluaciones ecocardiográficas que se consideran potencialmente difíciles en modelos porcinos. Explicaremos los métodos para lograr ecocardiográficos repetidos en el modelo.
El modelo de ARHF sobre la HP crónica reportado en este estudio se puede utilizar para comparar diferentes estrategias terapéuticas. Los métodos de fenotipado de RV pueden utilizarse en otros modelos animales de gran tamaño que imitan situaciones clínicamente relevantes como la embolia pulmonar aguda7, el infarto de miocardio de RV8, el síndrome de dificultad respiratoria aguda9 o la insuficiencia cardíaca derecha asociada a insuficiencia ventricular izquierda10 o soporte circulatorio mecánico ventricular izquierdo11.
El estudio cumplió con los principios del cuidado de animales de laboratorio según la Sociedad Nacional de Investigación Médica y fue aprobado por el comité de ética local para experimentos con animales en el Hospital Marie Lannelongue.
1. PH tromboembólico crónico
2. Posicionamiento de animales y colocación de catéteres
3. Ecocardiografía
4. Cateterismo cardíaco derecho
5. Adquisición del bucle de volumen de presión utilizando el método de conductancia
NOTA: Esta sección ha sido publicada anteriormente15.
6. Inducción de insuficiencia cardíaca derecha aguda por sobrecarga de volumen y presión (Figura 1).
7. Inducir la restauración de la hemodinámica sistémica con dobutamina
8. Eutanasia y recolección de tejido cardíaco
Viabilidad
Describimos los resultados de 9 procedimientos consecutivos de inducción de ARHF en un modelo CTEPH de animales grandes previamente reportado5. La duración del protocolo fue de alrededor de 6 horas para completarse, incluyendo la inducción de anestesia, la instalación, el acceso vascular / colocación de catéteres, la inducción de sobrecarga de volumen / presión y la restauración hemodinámica, la adquisición de datos y la eutanasia. Cada condición hemodinámica requiere alrededor de 40 minutos para lograr la inducción de la condición, la estabilización hemodinámica y la adquisición de datos.
El protocolo se logró en 7 de cada 9 animales, lo que representa la curva de aprendizaje. Tres protocolos adicionales se lograron con éxito después de estos descritos (no publicados). La causa de los 2 fallos del protocolo fue la inducción de un fallo hemodinámico irreversible después de la fase de embolia pulmonar.
Los bucles PV no se adquirieron en 1 de cada 7 animales en el momento del compromiso hemodinámico debido a la necesidad de proporcionar una restauración hemodinámica sistémica rápida con un bolo de epinefrina después del cateterismo cardíaco derecho y el eco cardíaco. En este caso, la dobutamina se inició inmediatamente después de la restauración de la hemodinámica sistémica con epinefrina.
Efectos de la sobrecarga de volumen y presión sobre la hemodinámica y la función RV
La carga aguda de volumen no indujo ARHF, sino que destacó el fenotipo adaptativo del modelo de HP crónica. Con la carga de volumen, el gasto cardíaco aumentó sin aumento de la presión auricular derecha, mientras que el acoplamiento ventriculo-arterial se mantuvo estable (Figura 2).
Los criterios de compromiso hemodinámico se alcanzaron después de 1 émbolo en 1 animal, 2 émbolos en 2 animales, 3 émbolos en 5 animales y 4 émbolos en 1 animal. Dos animales murieron inmediatamente después de la EP (1 animal con 1 émbolo y 1 animal con 4 émbolos). En otro animal, la hipotensión severa requirió un bolo de epinefrina y el inicio inmediato de la dobutamina antes de la adquisición de datos ecocardiográficos y de asa PV. Las 2 muertes ocurridas inmediatamente después de la embolia pulmonar aguda se asociaron con trombosis aguda de las cavidades cardíacas derechas (como se ilustra en la Figura 3).
El compromiso hemodinámico se asoció con una disminución significativa del gasto cardíaco, el volumen sistólico y el acoplamiento ventriculo-arterial (Ees/ea), mientras que la contractilidad de RV se mantuvo estable (Figura 2); hubo un aumento de dos veces en la presión auricular derecha y la presión media de la arteria pulmonar.
Efecto de la dobutamina sobre el ARHF
La dobutamina restauró el gasto cardíaco, el volumen sistólico y el acoplamiento ventriculo-arterial dentro del rango normal (Figura 2).
Ecocardiografía
La ecocardiografía fue factible proporcionando cuantificación de los cambios dinámicos en el tamaño y la función del RV durante el protocolo (Figura 4). Los parámetros ecocardiográficos no se evaluaron en 1 animal con compromiso hemodinámico grave después de una embolia pulmonar que requirió un bolo de epinefrina y el inicio inmediato de la dobutamina.
Bucles fotovoltaicos RV
El análisis del bucle de volumen de presión permitió la cuantificación dinámica de la elastancia sistólica final de RV y el acoplamiento ventriculo-arterial (Figura 2 y Figura 5).
Lesiones isquémicas del ventrículo derecho
Después de la tinción de hemateína, eosina y azafrán, observamos lesiones isquémicas de RV en las capas subendocárdicas y subepicárdicas de la pared libre de RV (Figura 6). Las lesiones isquémicas se caracterizaron por grupos de cardiomiocitos hipereosinofílicos con núcleo picnótico.
Figura 1: Resumen del protocolo. PH: hipertensión pulmonar; VL1, carga volumétrica con 15 mL/kg de solución salina; VL2, 15 ml/kg de solución salina; VL3, 30 ml/kg de solución salina; ARHF: insuficiencia cardíaca derecha aguda; EP: embolia pulmonar. *presión sistólica sistémica <90 mmHg o relación presión pulmonar/sistémica sistólica >0,9. Esta cifra ha sido modificada a partir de5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Cambios dinámicos individuales en el bucle hemodinámico y de presión-volumen. MPAP: presión media de la arteria pulmonar; MAP: presión arterial media; RAP: presión auricular derecha; HR, frecuencia cardíaca; SV: volumen sistólico; CO: gasto cardíaco; Ees; elastancia sistólica final del ventrículo derecho; Ea, elastancia arterial. Las parcelas son medianas y de rango intercuartílico. *P<0,05 en comparación con el valor basal; las comparaciones se realizaron utilizando las pruebas de rango firmado de pares emparejados de Wilcoxon con GraphPad Prism 6. Esta cifra ha sido modificada a partir de5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Ejemplo de causa de fallo del protocolo: trombosis cardíaca derecha aguda (flecha) después de la embolia pulmonar responsable del compromiso hemodinámico irreversible, muerte inmediata e insuficiencia del protocolo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Ventanas y resultados ecocardiográficos representativos. (A) Posición para la adquisición de la vista apical de 5 cámaras (A5C). (B) Posición para la adquisición de la vista de eje corto paraesternal (PSSAX). (C) Evaluaciones ecocardiográficas dinámicas de las vistas A5C y PSSAX durante los diferentes pasos del protocolo. VL, carga de volumen; EP: embolia pulmonar; Dobu 2,5, dobutamina 2,5 μg/kg/min; Dobu 7.5, dobutamina 7.5 μg/kg/min. *ventrículo derecho; **ventrículo izquierdo. Esta cifra ha sido modificada a partir de5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Bucles dinámicos representativos de presión-volumen multibeat rv. PH: hipertensión pulmonar; EP: embolia pulmonar; Ees, elastancia sistólica final (línea negra etiquetada *); Ea, elastancia arterial (línea negra etiquetada **); Ees/Ea, acoplamiento ventriculo-arterial. Esta cifra ha sido modificada a partir de5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Lesiones isquémicas RV representativas en el subendocardio y en las capas subepigordianas. (A) Lesión isquémica subepicárdica; (B) Lesiones isquémicas subendocárdicas; (C) Ampliación de un borde de una lesión isquémica subepicárdica con núcleos normales (1), vacuolización intracitoplasmática (2) y núcleos picnóticos (3). (D) números individuales de lesiones isquémicas subendocárdicas y subepicardicas en muestras de 2 cm de longitud de rv de pared libre de animales con insuficiencia cardíaca derecha aguda (ARHF) en hipertensión pulmonar crónica (PH), animales con PH crónica y controles sanos; las parcelas son medianas. Las comparaciones se realizaron mediante la prueba de Mann-Whitney con GraphPad Prism 6. *P<0,05. Esta cifra ha sido modificada a partir de5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Describimos un método para modelar las principales características fisiopatológicas de arHF en la HP crónica en un modelo animal grande que incluye sobrecarga de volumen y presión y restauración hemodinámica con dobutamina. También informamos cómo adquirir datos hemodinámicos y de imágenes para fenotipar los cambios dinámicos del ventrículo derecho en cada condición creada durante el protocolo. Estos métodos pueden proporcionar datos de fondo para construir futuros protocolos de investigación en el campo de ARHF, particularmente con respecto al manejo de fluidos y el soporte inotrópico.
Inducir el compromiso hemodinámico fue un paso crítico en el modelo debido al riesgo de muerte inesperada e inmediata del animal. En consecuencia, recomendamos inducir la embolia pulmonar progresiva con pequeños volúmenes de émbolo. En el momento de la embolia pulmonar, los investigadores deben estar listos para comenzar inmediatamente las adquisiciones de datos y el apoyo hemodinámico. En nuestra experiencia, pudimos realizar las adquisiciones de bucle fotovoltaico y la ecocardiografía antes de comenzar con dobutamina en 6 de cada 7 animales en los que se completó el protocolo.
El paso crítico para fenotipar el ventrículo derecho es obtener datos completos de hemodinámica, asa PV y ecocardiográfica. El cateterismo cardíaco derecho permite estimar el gasto cardíaco y los cambios en el volumen sistólico para cada afección. Los cambios en el gasto cardíaco y el volumen sistólico se pueden evaluar más a fondo con ecocardiografía. Este análisis multimodal del gasto cardíaco y el volumen sistólico cambia mejor la calibración del volumen externo de los bucles fotovoltaicos. Es importante destacar que los valores absolutos y las tasas de cambios de los parámetros del bucle fotovoltaico se pueden cuantificar con mayor precisión al incluir el gasto cardíaco y los cambios en el volumen sistólico con métodos externos realizados para cada situación.
Observamos que la carga de volumen no indujo compromiso hemodinámico, sino que reveló el fenotipo adaptativo del modelo de HP, ya que observamos un aumento en el gasto cardíaco, el volumen sistólico y la presión sistémica con acoplamiento ventriculo-arterial preservado. Por lo tanto, en nuestro modelo, la carga de volumen inicial proporcionó las condiciones para observar una caída importante en el gasto cardíaco y el volumen sistólico después de la embolia pulmonar aguda, lo que aumentó la sensibilidad del modelo. Los estudios futuros deben determinar el efecto de la carga de volumen o el agotamiento de líquidos en el momento del compromiso hemodinámico.
Nuestro protocolo tiene varias limitaciones. Este protocolo no fue construido para analizar la causa del edema, pero puede representar un área de investigación interesante. Otro límite del protocolo es el consumo de tiempo y las habilidades requeridas para realizar todos los pasos. La fase de carga de volumen puede acortarse o eliminarse del protocolo, pero esto puede resultar en una disminución menor en el valor absoluto del gasto cardíaco y el volumen sistólico después de embolias pulmonares agudas. Las habilidades requeridas para realizar el protocolo requieren la colaboración de varios investigadores para colocar el catéter bajo fluoroscopia, realizar la ecocardiografía y analizar en tiempo real la calidad del bucle PV. Reconocemos que no realizamos evaluaciones en 3 dimensiones de los volúmenes de RV. Nuestro objetivo es desarrollar evaluaciones tridimensionales de los volúmenes de RV, ya que puede proporcionar más precisión en la calibración del volumen de RV para las evaluaciones de bucle fotovoltaico de RV. Uno de los primeros pasos sería evaluar la viabilidad del método. Además, nuestro protocolo requiere instalaciones específicas como un quirófano y fluoroscopia para evaluaciones invasivas de RV.
Hasta donde sabemos, hemos descrito el primer modelo animal de ARHF con PH crónica. Estudios previos informaron cambios dinámicos del ventrículo derecho con dobutamina y levosimendán después de la constricción aguda de la arteria pulmonar7. En nuestro grupo, también cuantificamos la reserva de RV mediante infusión de dobutamina en la HP crónica sin compromiso hemodinámico15. Los bucles fotovoltaicos multibeat se consideran el método estándar de oro para cuantificar la elastancia sistólica final, que representa la contractilidad ventricular independientemente de las condiciones de carga16. Los valores absolutos de la elastancia RV (Ees=elastancia sistólica final) deben interpretarse con precaución ya que existen varios límites metodológicos. Los principales límites son la definición del punto sistólico final y la precisión de la calibración del volumen con métodos externos (termodilución y ecocardiografía)17. La relación entre la elastancia sistólica final sobre la elastancia arterial (Ea=presión sistólica final sobre la relación volumen sistólico), conocida como relación de acoplamiento ventrículo-arterial (Ees/Ea), reduce los errores debidos a la calibración externa del volumen. El acoplamiento ventriculo-arterial es de gran interés en el campo de la hipertensión pulmonar, ya que captura la adaptación de la contractilidad de RV al aumento de la poscarga. Los métodos de medición de la adaptación del RV a la poscarga han ganado gran interés en los últimos años porque tiene un mejor fenotipado de los pacientes con PH18,19,20.
Nuestros métodos proporcionaron valores de acoplamiento ventriculo-arterial (es decir, Ees/Ea) consistentes con valores publicados previamente21 y con estimación de la función RV mediante ecocardiografía. En este protocolo, demostramos que la oclusión aguda de la vena cava es segura cuando se realiza en el contexto del compromiso hemodinámico. Además, la evaluación ecocardiográfica de RV en el modelo animal grande fue complementaria de la evaluación ecocardiográfica de RV en modelos de animales pequeños, ya que permitió cuantificar diferentes parámetros de función de RV en comparación con los modelos de ratones previamente informados con remodelación de RV22.
Los métodos descritos en este estudio se pueden utilizar para diferentes protocolos de investigación con el objetivo de abordar preguntas clave en el campo de ARHF. En primer lugar, estos métodos se pueden utilizar para realizar protocolos de investigación con el objetivo de comparar diferentes estrategias de tratamiento en el contexto de la ARHF sobre la HP crónica. En segundo lugar, la evaluación iterativa y simultánea de PV-loop y ecocardiográfica puede permitir validar los índices ecocardiográficos en diferentes situaciones de interés clínico.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo está respaldado por una subvención pública supervisada por la Agencia Nacional de Investigación de Francia (ANR) como parte del Programa Investissements d'Avenir (referencia: ANR-15RHUS0002).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Radiofocus Introducer II | Terumo | RS+B80K10MQ | catheter sheath |
Equalizer, Occlusion Ballon Catheter | Boston Scientific | M001171080 | ballon for inferior vena cava occlusion |
Guidewire | Terumo | GR3506 | 0.035; angled |
Vigilance monitor | Edwards | VGS2V | Swan-Ganz associated monitor |
Swan-Ganz | Edwards | 131F7 | Swan-Ganz catheter 7 F; usable lenghth 110 cm |
Echocardiograph; Model: Vivid 9 | General Electrics | GAD000810 and H45561FG | Echocardiograph |
Probe for echo, M5S-D | General Electrics | M5S-D | Cardiac ultrasound transducer |
MPVS-ultra Foundation system | Millar | PL3516B49 | Pressure-volume loop unit; includes a powerLab16/35, MPVS-Ultra PV Unit, bioamp and bridge amp and cables |
Ventricath 507 | Millar | VENTRI-CATH-507 | conductance catheter |
Lipiodol ultra-fluid | Guerbet | 306 216-0 | lipidic contrast dye |
BD Insyte Autoguard | Becton, Dickinson and Company | 381847 | IV catheter |
Arcadic Varic | Siemens | A91SC-21000-1T-1-7700 | C-arm |
Prolene 5.0 | Ethicon | F1830 | polypropilene monofil |
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