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O objectivo é para monitorar o estado redox mitocondrial de corações isolados dentro do contexto de pré-carga fisiológica e pressões pós-carga. Um modelo de coração biventricular trabalhando coelho é apresentado. Alta resolução espaço-temporal de imagens de fluorescência de NADH é usado para monitorar o estado redox mitocondrial do tecido epicárdico.
Desde a sua criação por Langendorff 1, o coração isolado perfundido continua a ser uma ferramenta importante para o estudo da fisiologia cardíaca 2. No entanto, não é bem adequado para estudos de metabolismo cardíaco, que requerem o coração para realizar o trabalho dentro do contexto de pré-carga fisiológica e pressões pós-carga. Modificações introduzidas Neely para a técnica de Langendorff para estabelecer adequada pré-carga do ventrículo esquerdo (LV) e as pressões pós-carga 3. O modelo é conhecido como o modelo de coração isolado LV de trabalho e tem sido utilizado extensivamente para estudar LV desempenho e metabolismo 4-6. Este modelo, no entanto, não proporciona um ventrículo adequadamente carregado direito (VD). Demmy et al. relatada pela primeira vez um modelo biventricular como uma modificação do modelo de coração LV de trabalho 7, 8. Eles descobriram que o desenvolvimento do volume sistólico, débito cardíaco e pressão melhorou nos corações convertidos do modo de trabalho LV para o modo de trabalhar biventricular 8 8.
Ao estudar os efeitos metabólicos da lesão do miocárdio, tais como isquemia, é frequentemente necessário para identificar a localização do tecido afectado. Isto pode ser feito por imagem a fluorescência de NADH (a forma reduzida do dinucleótido de nicotinamida adenina) 9-11, uma coenzima encontrados em grandes quantidades nas mitocôndrias. NADH fluorescência (fNADH) exibe uma relação inversa com perto de linearmente 12 locais de oxigénio concentração e fornece uma medida do estado redox mitocondrial 13. fNADH imagiologia durante condições hipóxicas e isquémicas tem sido utilizado como um método de corante-se livre para identificar regiões hipóxicas 14, 15 e para monitorizar a progressão dacondições hipóxicas ao longo do tempo 10.
O objectivo do método é para monitorar o estado redox mitocondrial de biventriculares corações de trabalho durante protocolos que alteram a taxa de metabolismo dos miócitos ou induzir hipóxia ou criar uma combinação dos dois. Corações provenientes de coelhos brancos da Nova Zelândia foram ligados a um sistema de coração biventricular de trabalho (Hugo Sachs Elektronik) e perfundidos com solução modificada de Krebs-Henseleit 16 a 37 ° C. Aórtica, LV, da artéria pulmonar, e esquerda e direita pressões atriais foram registrados. A atividade elétrica foi medida usando um eletrodo de potencial monofásico ação. Para imagem fNADH, a luz de uma lâmpada de mercúrio foi filtrada (350 ± 25 nm) e usado para iluminar o epicárdio. Luz emitida foi filtrada (460 ± 20 nm) e fotografada com uma câmara CCD. As alterações na fNADH epicárdica de biventriculares corações de trabalho durante as taxas de estimulação de diferentes são apresentadas. A combinação do modelo de coração e de imagem fNADHfornece uma ferramenta nova e valiosa para o estudo experimental patologias cardíacas agudas dentro do contexto de realistas condições fisiológicas.
1. Configurando para o Estudo
2. Excisão Coração
3. A canulação biventricular
4. Aquisição do Sinal: Pressões, potenciais de ação monofásico, e fNADH
5. Off-line Processamento de Imagens fNADH
6. Os resultados representativos
Vistas anterior e basal de uma preparação de coração de coelho trabalhando biventricular são mostrados na Figura 1. Pressão do ventrículo esquerdo foi medido por navegar um cateter transdutor de pressão (Millar SPR-407) para além da válvula aórtica e para o ventrículo esquerdo. Pressões artéria aorta, pulmonar, e do ventrículo esquerdo (LVP) são mostrados na Figura 1C. LVP diastólica é geralmente entre 0 e 10 mmHg. A pressão aórtica diastólica mínimo é de cerca de 60 mmHg. Pico sistólico LVP é dependente de pressão de enchimento (a pré-carga ou pressão LA) e contratilidadee, optimamente, deve estar entre 80 e 100 mmHg. A pressão máxima da aorta e máximo LVP deve corresponder estreitamente, como mostrado na Figura 1C.
Potenciais de acção monofásica (MAPs) com uma fase de despolarização rápido e uma fase de repolarização que são típicos para corações de coelho são mostrados na Figura 1D. MAPs pode ser gravado de forma relativamente fácil de um coração contratante, mas terá geralmente artefacto pequeno movimento durante a diástole, como mostrado na Figura 1D. MAPs são úteis para a confirmação de arrastamento bem sucedida do coração (captura) durante a estimulação e também pode ser usado para medir as alterações locais electrofisiológicos devido à isquemia ou outras perturbações agudas. Um ECG poderia também ser medido por submersão do coração em um banho de superfusate quente e colocando um eléctrodo no banho nos lados esquerdo e direito do coração. Um terceiro eléctrodo indiferente ou é colocado no banho, para fora do coração, ou está ligado à aorta.Um ECG irá fornecer informações sobre a excitação global e processo de repolarização, que é útil para avaliar a função eléctrica global e para revelar a presença de isquemia.
fNADH imagiologia revela alterações no estado redox mitocondrial do coração, que podem ser utilizados para medir a progressão espaço-temporal das regiões isquémicas ou hipóxico. Para este estudo, epicárdica fNADH foi medida para monitorar mudanças no estado redox durante três taxas de estimulação na duração do ciclo (CLS) de 300, 200 e 150 ms. Os valores médios fNADH a partir de uma região de interesse (caixa vermelha, Figura 2) mostram que os níveis basais fNADH aumentar à medida que o comprimento do ciclo é encurtado. Quando frequência de estimulação está perto de ritmo sinusal (CL = 300 ms) basal nível fNADH é relativamente constante. Como a duração do ciclo é reduzido abaixo de 300 ms, base fNADH aumento dos níveis, com o maior aumento no menor CL (150 ms). Alta resolução fNADH imagem da superfície total anteriora 200 e 400 bpm é mostrado na Figura 3. níveis fNADH a 200 bpm eram constantes e espacialmente homogênea. A 400 batimentos por minuto, os níveis de fNADH aumentou substancialmente ao longo do epicárdio. Heterogeneidade espacial significativa foi observada com os maiores aumentos ocorreram nas regiões do septo do VD e VE.
O sinal de fNADH oscila com contracção (artefacto de movimento) ea frequência de oscilação corresponde à frequência cardíaca (Figura 2). Em canulação biventricular, a base do coração é mantido por 4 cânulas, o que ajuda a impedir que o coração de balançar durante a contracção. Portanto, a amplitude de oscilação é sempre menor do que qualquer escala mais tempo (seg 5-10) tendências fNADH que são causadas por isquemia ou hipóxia.
Figura 1. Pressões típicas e os potenciais de ação monofásico de um biventricular isolado rabbit coração. A. vista Basal do coração, mostrando as cânulas quatro: 1, da aorta; 2, artéria pulmonar; 3, da esquerda atrial; e 4, atrial direita B. vista anterior do coração mostrando o ventrículo esquerdo (LV) e do ventrículo direito. (RV). C. pressões representativas. Top: pressão ventricular esquerda (linha sólida) ea pressão aórtica (linha pontilhada). Conclusão: pressão pulmonar. D. Representante monofásicos potenciais de ação. O sinal é alinhado com as pressões mostrado no painel C. para ver figura maior .
Figura 2. fNADH imagem de um biventricular isolado coração de coelho. Top: Um desenho do campo de visão (esquerda) e três imagens fNADH são mostrados. O comprimento do ciclo de estimulação correspondente (CL) é indicado em cada imagem.A região de interesse para o sinal de fNADH no painel de fundo é indicado pela caixa vermelha. A ponta do eléctrodo do potencial de acção monofásica é visto à direita da região de interesse. O epicárdio foi iluminada usando uma lâmpada de mercúrio e de guia de luz, como mostrado na Figura 5. Apenas a superfície epicárdica em torno da região de interesse foi iluminada inferior:. FNADH média para a região de interesse indicado pela caixa vermelha no painel de topo. Média aumenta fNADH com comprimento de ciclo reduzido.
Figura 3. fNADH imagens de toda a superfície anterior de uma biventricular isolado coração de coelho. O coração estava acelerado da RA a 200 bpm e 400 bpm. fNADH foi fotografada (2 fps, 128x128 pixels com uma resolução de 0,4 mm), enquanto iluminando todo o epicárdio anterior usando dois LEDs de alta potência (Mightex PLS-0365-030-S, 365 nm, 4% intensity, 50 mW max).
O coração isolado perfundido Langendorff continua a ser uma ferramenta importante para o estudo da fisiologia cardíaca 2. É especialmente útil em estudos de arritmias cardíacas, particularmente aqueles que utilizam imagens de fluorescência do potencial transmembranar 20. Uma vantagem é que o epicárdio inteira do coração isolado pode ser observado 21, 22. Outra vantagem é que, em contraste com o sangue, a perfusão com uma solução clara cristalóide tampão não interferir com os sinais de fluorescência. Uma limitação é que a técnica de Langendorff não é bem adequado para estudos de metabolismo cardíaco, que muitas vezes exigem o coração para realizar o trabalho dentro do contexto de pré-carga fisiológica e pressões pós-carga.
Para elevar a relevância de preparações de coração isolado para estudos metabólicos, Neely introduzidas modificações à técnica Langendorff estabelecer adequada pré-carga do ventrículo esquerdo (LV) e as pressões pós-carga 3.O modelo é conhecido como o modelo de coração isolado LV de trabalho e tem sido utilizado extensivamente para estudar LV desempenho e metabolismo 4-6. A LV modelo de coração de trabalho é superior ao modelo Langendorff para avaliações funcionais, no entanto, não fornece um ventrículo carregado corretamente direito (VD). Demmy et al. relatada pela primeira vez um modelo biventricular (VE e VD) como uma modificação do modelo de coração LV de trabalho 7, 8. Eles descobriram que o desenvolvimento do volume sistólico, débito cardíaco e pressão melhorou nos corações convertidos do modo de trabalho LV para o modo de trabalhar biventricular 8. A RV carregado corretamente também melhora a função septal diminuindo gradientes de pressão anormais através do septo. Biventriculares corações de trabalho têm sido mostrados para manter o débito da aorta, fluxo pulmonar, pressão média da aorta, a média pressão pulmonar, a frequência cardíaca e enfarte do ATP, e os níveis de fosfato de creatina por até 3 horas 8. Biventriculares estudos cardíacos trabalho normalmente usam corações franimais om pequenos, tais como ratos e coelhos, porque o débito cardíaco e do volume necessário de perfusato são muito menos do que aquele para corações de animais maiores. No entanto, estudos cardíacos biventriculares de trabalho foram realizadas em corações de suínos, caninos, e até seres humanos 23, 24.
A procura metabólica de corações isolados em modo de funcionamento biventricular é consideravelmente mais elevada do que a de perfusão de Langendorff. É importante que a solução perfusato fornecer oxigénio suficiente e substrato metabólico para suportar a função cardíaca biventricular. Padrão soluções tampão cristalóide, tais como solução de Krebs-Henseleit 16, 17, 25 ou Tyrodes 26, 27, têm solubilidades de oxigénio tão elevada como 5,6 mg / L. Quando estas soluções são gaseificada com carbogénio (uma mistura gasosa de 95% de O2 e 5% de CO 2) e contêm substrato metabólico adequado (glucose, dextrose, e / ou de piruvato de sódio), eles são apropriados para biventriculares corações de trabalho batendo na normaal taxas sinusal (aproximadamente 180 bpm para um coelho).
Aumenta a demanda metabólica para ritmos rápidos e da quantidade de oxigênio dissolvido no perfusato padrão pode não ser suficiente para suportar totalmente o coração biventricular trabalho que está se contraindo a taxas elevadas. Soluções tampão cristalóides contendo eritrócitos ou misturado com sangue inteiro têm sido utilizados em preparações de coração de trabalho para assegurar a disponibilidade de oxigénio adequada. Estudos anteriores demonstraram que a adição de eritrócitos a uma solução de Krebs-Henseleit a melhoria da função cardíaca de trabalho durante a protocolos de estimulação rigorosas e também reduziu a incidência de fibrilação ventricular 16. Uma limitação do uso de eritrócitos ou misturas de sangue total é que a hemoglobina interfere com comprimentos de onda de luz que são usados para a fluorescência de imagem 13. Outros substratos, tais como albumina, podem também ser adicionados ao perfusato soluções para prolongar a viabilidade do coração e reduzir o edema 28.
Durante as imagens de fluorescência a intensidade da luz de excitação deve ser elevada ea distribuição da luz deve ser uniforme. Conseguir uma iluminação uniforme nem sempre é fácil devido à curvatura da superfície epicárdica. Nos nossos estudos, imagem fNADH por filtragem de luz (350 ± 25 nm) a partir de uma lâmpada de mercúrio. A bifurcada fibra óptica guia de luz é usada para direcionar a luz UV para a superfície epicárdica. Iluminação uniforme pode ser conseguido através do posicionamento adequado dos dois virolas de saída. UV fontes de luz LED poderia também ser usado, como já demonstrado na Figura 3. Fontes de LED são relativamente baratos para múltiplas fontes poderia ser incorporada um sistema de imagem. LEDs podem também ser reciclados e desligar a taxas elevadas para sincronizar luz de excitação com a aquisição de imagem.
Fotobranqueamento de NADH deve ser minimizada 29, reduzindo o tempo de iluminação do tecido. Isto pode ser feito por bicicleta a iluminação e desligado usando um electrãoic do obturador e uma lâmpada ou com um sistema de iluminação de LED e um controlador. Se a iluminação é sincronizado com o ciclo cardíaco, em seguida, a aquisição da imagem fNADH poderia ser confinada a diástole, o que reduziria artefacto movimento nos sinais de fluorescência. Trigging iluminação e aquisição de imagem usando um sinal de pressão, tais como pressão do VE, seria uma maneira de fazer isso.
Nos nossos estudos observou-se que alterações na fNADH por unidade de tempo pode ser mais do que 5X superior a 400 batimentos por minuto do que a 200 batimentos por minuto. Isto indica que os ritmos rápidos elevar o estado redox do coração. Seja ou não este é causado por hipóxia ou a incapacidade de miócitos para oxidar NADH a NAD + com rapidez suficiente para evitar o acúmulo de NADH é ainda uma questão sem resposta.
O desempenho de uma preparação cardíaca biventricular de trabalho é subordinada múltiplos fatores. Um dos mais importante é definir pressões adequadas de pré-carga e pós-carga para imitar o fisiológicocondições que estão sob investigação. Em particular, a pós-carga LV (pressão aórtica) deve ser ajustada para representar a pressão sistémica. Se for demasiado elevada, a VE não será capaz de ultrapassar a pressão, resultando em regurgitação. Pressão muito baixa afetará adversamente a perfusão coronária. A pressão de pré-carga LV (pressão do átrio esquerdo) deve também ser ajustada para proporcionar um volume final diastólica, que é apropriado para o protocolo experimental.
fNADH imagiologia de tecido vivo é um modo estabelecido de fluorescência de imagem 13. Sua aplicação em tecido cardíaco foi ilustrado por Barlow e Chance quando relataram elevações marcantes da fNADH no tecido regional isquêmico após a ligadura de um vaso coronário 14. Suas imagens fNADH foram registrados em filme usando uma câmera osciloscópio Fairchild e fotografia com flash UV. Coremans et al. expandida este conceito usando o NADH rácio de reflectância de fluorescência / UV para measure no estado metabólico do epicárdio do coração de Langendorff sangue-perfundidos de rato 30. Um videofluorimeter foi usado para geração de imagens e os dados foram registados usando um gravador de vídeo. Mais tarde, Scholz et ai. utilizado um espectrógrafo de matriz e fotodiodo para medir fNADH média a partir de uma grande área de VE. Essa abordagem reduz os efeitos de heterogeneidades epicárdicos fluorescência e variações locais em circulação, enquanto revelando macroscópicas relacionadas ao trabalho variações de fNADH 31. Esta abordagem é semelhante aos níveis médios de computação fNADH para uma região de interesse em todos os quadros de um conjunto de dados de imagem fNADH, como ilustrado na Figura 2. Como já apresentado neste artigo, a tecnologia de hoje oferece câmeras de alta velocidade controlada digitalmente CCD e holofotes de alta potência UV. Essas tecnologias permitem que a dinâmica espaço-temporais de fNADH e metabolismo cardíaco a ser estudado a partir de muitas perspectivas novas. O custo relativamente baixo das ópticas e fonte de luz faz com que fNADH a imagem de um acessório útil para cardíacos convencionais sistemas de mapeamento ópticos. 9, 32
Não há conflitos de interesse declarados.
Este trabalho foi financiado por uma subvenção do NIH (R01-HL095828 para Kay MW).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Químico | Companhia | Número de Catálogo | |
NaCl | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | S-3014 | |
KCl | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | P3911-500G | |
CaCl 2 | Fisher Scientific, Fair Lawn, NJ | C77-500 | |
MgSO4 | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | M-7506 | |
De NaHCO3 | Fisher Scientific, Fair Lawn, NJ | 233-S | |
KH 2 PO 4 | Fisher Scientific, Fair Lawn, NJ | 423-316 | |
Glicose | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | 158.968-500G | |
NaPyruvate | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | P2256-25G | |
Albumina | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | A9418-100G |
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