Methodenartikel

Optisches System zur Beurteilung der atrialen und ventrikulären Mechanik in Langendorff-perfundierten Mäuseherzen

DOI:

10.3791/72264

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14. August 2026

 , 
1Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Unidad Monterrey

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren zur Entnahme und Kanülierung des Mausherzens sowie die Vorbereitung und Konfiguration des Langendorff-Rückwärts-Perfusionssystems. Der experimentelle Aufbau ist mit einem hochauflösenden optischen System gekoppelt, das darauf ausgelegt ist, die mechanischen Reaktionen der Vorhöfe und Ventrikel zu bewerten, während deren natürliche Dynamik erhalten bleibt.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das Mausherz dient in der kardiovaskulären Forschung als weit verbreitetes Modell, was durch Fortschritte in der Ingenieurtechnik erleichtert wird. Die Beurteilung der Vorhof- und Ventrikelkontraktilität bleibt jedoch aufgrund der geringen Größe des Mausherzens herausfordernd. Diese Studie stellt eine neuartige Methodik zur Bewertung der Kontraktilität und Herzfrequenz in einem intakten, isolierten Herzen vor. Die Kombination eines Langendorff-perfunden Mausherzens mit einem hochauflösenden optischen System ermöglicht die Beurteilung der Vorhof- und Ventrikelkontraktilität. Der experimentelle Aufbau begegnet den Herausforderungen, die mit der geringen Herzgröße und hohen Kontraktionsfrequenzen verbunden sind, und ermöglicht gleichzeitig die Erfassung hochauflösender Signale. Die Synchronisation zwischen Stimulationsfrequenz und Herzkontraktionsfrequenz im Bereich von 420 bis 660 Schlägen pro Minute (bpm) stimmte mit den Ergebnissen der auxotonen Methode überein. Zudem erlauben Messungen der ventrikulären Verkürzung und der dynamischen atrialen Signale die Bestimmung der atrioventrikulären Kontraktion. Diese Methode eignet sich zur Beurteilung der Kontraktilität und Herzfrequenz in einem intakten, isolierten Herzen ohne pharmakologische oder systemische Einflüsse. Diese Ergebnisse zeigen, dass das optische System die Messung der ventrikulären und atrialen Verkürzungsreaktionen ermöglicht.

Einleitung

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In der Herzphysiologie gibt es noch viel zu entdecken; zentrale Vorgänge wie die Schrittmacheraktivität des Herzens und die Erregungs-Kontraktions-Kopplung sind grundlegende Prinzipien, die kontinuierlich erforscht werden1. Obwohl die Auswirkungen biologischen Rauschens auf die herzliche Kontraktilität2 und die Schrittmacheraktivität noch wenig verstanden sind1, haben neue optische Bildgebungsverfahren die Vorstellung neuer Paradigmen ermöglicht3,4.

Zwei experimentelle Methoden unter Verwendung des Langendorff-Systems haben wertvolle Beiträge zur Messung der Herzfunktion geleistet. Erstens die isovolumetrische Kontraktionsmethode, bei der ein Signal von einem kleinen Ballon abgeleitet wird, der in den linken Ventrikel eingeführt ist5,6,7. Zweitens die auxotonische Registrierungsmethode, bei der ein Signal gewonnen wird, indem ein Ende eines Fadens am Herzapex vernäht und das andere Ende mit einem mechanischen Aufzeichnungsgerät verbunden wird, um auxotonische Kontraktionen entlang der Herzachse zu messen2,8. Die Beurteilung der Kontraktilität von Vorhof und Ventrikel im Mausherzen ist jedoch aufgrund der geringen Größe des Organs herausfordernd. Außerdem erfordert die Präparation eine gewisse Sorgfalt, da das Herz verletzungsanfällig ist9,10,11,12,13.

Das optische System zur Beurteilung der mechanischen Dynamik von Mäuseherzen weist mehrere neuartige Merkmale und Vorteile auf. Erstens eignet sich diese Methode zur Bewertung der Kontraktilität und der Herzfrequenz in einem intakten, isolierten Herz ohne pharmakologische oder systemische Einflüsse. Das Protokoll könnte außerdem effektiv in Experimenten zur Untersuchung von Ischämie-Reperfusionsschäden eingesetzt werden, wenn pharmakologische, zellregenerative oder auf Sauerstofftherapie basierende Behandlungen untersucht werden.

In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll zur Aufzeichnung biophysikalischer Parameter der kontraktilen Funktion der Maus-Herzmuskulatur mittels eines hochauflösenden optischen Systems vor. Diese Methode ermöglicht die Beurteilung der Kontraktilität und der Herzfrequenz an einem intakten, isolierten Herzen. Darüber hinaus erlaubt sie die Bewertung der Vorhof- und Ventrikelkontraktilität. Die Langendorff-Präparation am Mauseherz stellt eine Weiterentwicklung dar, die eine geringfügige Modifikation einschließt, um den Verlust der Perfusattemperatur und Bewegungsartefakte zu minimieren, ohne die Muskelkontraktionen zu beeinträchtigen.

Protokoll

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Alle Tierversuche wurden gemäß den bundesweiten Vorschriften für Tierversuche und Tierversuchstierhaltung durchgeführt und von dem Ausschuss für Tierversuchstierhaltung des CINVESTAV (CINVESTAV Zacatenco, D.F., Mexiko) genehmigt. In dieser Studie wurden männliche C57BL/6J-Mäuse verwendet, die 28–34 g wogen und 8–14 Wochen alt waren. Alle im Protokoll verwendeten Materialien und Geräte sind in der Tabelle der Materialien aufgeführt. Die Zusatzdateien 1–11 enthalten ergänzende Abbildungen, Software-Anleitungen, Analyseprogramme, Stimulationsdaten und Anwendungsdateien für das Protokoll.

1. Herstellung der Stammlösungen

  1. Bereiten Sie zwei Stammlösungen im Voraus vor und lagern Sie sie bei 4 °C im Kühlschrank: (1) Stamm I, 1 L (in entionisiertem Wasser; in g/L: 76,13 NaCl, 4,02 KCl, 1 MgCl2(6H2O), 0,4 NaH2PO4) und (2) Stamm II, 0,1 L (in entionisiertem Wasser; in g/L: 73,5 CaCl2(2H2O)).
    ANMERKUNG: Die Lösungen können bis zu 30 Tage nach der Herstellung verwendet werden. Lagern Sie sie bei 4 °C.

2. Anschluss und Reinigung des Langendorff-Systems

  1. Verbinden Sie das Reservoir (1), das Reservoir-Heizbad (2), die Perfusionspumpe (3), die Serpentine (4), den Serpentinerezirkulator (5), das Überwachungssystem (6) und das Drainagesystem (8) wie in Abbildung 1A dargestellt.
    HINWEIS: Die Verbindung zwischen dem Überwachungssystem und dem Drainagesystem ist in ergänzender Datei 1 detaillierter dargestellt.
  2. Füllen Sie das Langendorff-System mit 1 L entionisiertem Wasser bei 50 °C, starten Sie anschließend die Perfusions- und Drainagepumpen (ergänzende Datei 1, Drainagesystem). Entfernen Sie nach etwa 20–30 Minuten die Flüssigkeit aus dem System und fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort.
    HINWEIS: Überprüfen Sie, ob im System keine Leckagen oder Druckabfälle auftreten. Falls dies der Fall ist, setzen Sie das Experiment nicht fort.
  3. Füllen Sie das System mit 1 L 1 %iger Essigsäure (in entionisiertem Wasser gelöst), schalten Sie dann die Perfusions- und Drainagepumpen aus und warten Sie 60 Minuten. Schalten Sie danach die Pumpen wieder ein, um die Flüssigkeit zu entfernen.
  4. Wiederholen Sie Schritt 2.2 zweimal.
  5. Füllen Sie das System mit 70 %igem Ethanol (in entionisiertem Wasser gelöst), um die Adhäsion von Lösungskomponenten zu verhindern.
    HINWEIS: Das Langendorff-Perfusionssystem muss alle zehn Experimente oder monatlich gereinigt werden. Das Reinigungsprotokoll vor dem Experiment wird in Abschnitt 4 erläutert. Das Reinigungsprotokoll nach dem Experiment ist in Abschnitt 8 beschrieben.

3. Herstellung der Tyrode-Lösung während des Experiments

  1. Bereiten Sie 1 L der Lösung in mM vor: 130,25 NaCl, 5,4 KCl, 0,53 MgCl2(6H2O), 0,33 NaH2PO4, 1,8 CaCl2(2H2O), 10 D-Glucose, 10 HEPES, eingestellt auf pH 7,35 ± 0,05 mit NaOH.
    1. Mischen Sie 100 mL der Stammlösung I mit 700 mL entionisiertem Wasser unter ständigem Rühren, erhöhen Sie dann die Temperatur der Lösung auf 37 °C; halten Sie die Sauerstoffversorgung der Lösung aufrecht, indem Sie den O2-Behälter mit dem Luftsauerstoffstein wie in Abbildung 1A (1) gezeigt verbinden.
    2. Geben Sie 3,6 mL der Stammlösung II und 96,4 mL entionisiertes Wasser hinzu, um 1,8 mM CaCl2(2H2O) zu erhalten, und fügen Sie anschließend NaOH hinzu, um den pH-Wert auf 7,35 ± 0,05 einzustellen.
    3. Füllen Sie mit entionisiertem Wasser auf, um 1 L Tyrode-Lösung zu erhalten.
      HINWEIS: Es wird empfohlen, 100 mL der Lösung im Kühlschrank bei 4 °C aufzubewahren; dieses Volumen wird später in Schritt 6 benötigt.

4. Vorbereitung des Langendorff-Systems

HINWEIS: Falls das Langendorff-System am Tag des Experiments nicht mit Ethanol gefüllt ist, wird davon abgeraten, das Verfahren fortzusetzen; stattdessen wiederholen Abschnitt 2.

  1. Schalten Sie die Perfusions- und Drainagepumpe ein. Stellen Sie die Flussrate der Perfusionspumpe auf 3 mL/min und die der Drainagepumpe auf 10 mL/min ein. Leeren Sie das System.
  2. Füllen Sie das System mit 1 L deionisiertem Wasser bei 37 °C und lassen Sie das Wasser anschließend ab.
  3. Füllen Sie das System mit der zuvor hergestellten Tyrode-Lösung Schritt 3 und halten Sie die Lösung bei physiologischer Temperatur und konstanter Sauerstoffversorgung.
  4. Schalten Sie die Reservoir-Thermbäder und den Serpentinen-Rezirkulator ein. Stellen Sie die Temperatur des Reservoirs (Abbildung 1A (2)) auf 38 °C ein, um die Lösung unter physiologischen Bedingungen zu halten. Stellen Sie die Temperatur der Serpentine einAbbildung 1A (5)) bei 40 °C. Dies kompensiert den Temperaturverlust in der Lösung des Langendorff-Systems.
    HINWEIS: Falls die Temperatur der Tyrode-Lösung am Systemausgang nicht physiologisch ist (37 ± 0,5 °C), stellen Sie die Temperatur des serpentinenförmigen Rezirkulators entsprechend ein. Es wird nicht empfohlen, mit Schritt 6 fortzufahren, bis die Temperatur den richtigen Wert stabil erreicht hat.
  5. Schalten Sie den Druckmonitor ein (Zusatzdatei 1, Überwachungssystem) und kalibrieren Sie im Bereich von 0–200 mmHg. Die Überwachungs- und Schrittmacher-Software steht zur Kalibrierung des Systems zur Verfügung (Zusatzdatei 3 und Zusatzdatei 11).
    HINWEIS: Es ist unbedingt erforderlich, sicherzustellen, dass im System kein Druckverlust und keine Blasen vorhanden sind. Falls sich Blasen im System befinden, vorübergehend den unteren Auslass des Spiralrohres verschließen und das obere Ventil öffnen; dadurch füllt sich die Säule und die Blasen können nach außen entweichen. Es wird nicht empfohlen, das Experiment fortzusetzen, bis diese Bedingung überprüft wurde.

5. Optisches System14

  1. Bauen Sie die CMOS-Kamera (Abbildung 1A, 10), das verstellbare Kameraobjektiv (LC) und das Beleuchtungssystem zusammen.
    ANMERKUNG: Das Beleuchtungssystem besteht aus zwei LEDs (Abbildung 1A, 9), zwei plan-konvexen Beleuchtungslinsen (LI), einer Beleuchtungssteuerung (Abbildung 1A, 11), einer Aufnahmekarte (Supplementary File 1, Überwachungssystem) und 3D-gedruckten Haltestücken (Supplementary File 1).
  2. Platzieren Sie ein Referenzobjekt mit einem Volumen von etwa 1.000 mm3 in einem Abstand von 100–200 mm zur Objektivmitte der Kamera (Mitte von Abbildung 1A).
    ANMERKUNG: Das Objekt muss an der Position des Herzens im Langendorff-System platziert werden. Diese Position ist in Abbildung 1B erkennbar, insbesondere im Zentrum des Bildes, wo die Lichtstrahlen auftreffen.
  3. Starten Sie die Kamera-Aufnahmesoftware und stellen Sie die Kamera auf eine Untertastung von 4x ein (4 Pixel = 1 Unterpixel). Legen Sie einen interessierenden Bildbereich (ROI) von 200 × 200 Unterpixeln fest (Supplementary File 2).
    ANMERKUNG: Mit dieser Konfiguration ist eine zeitliche Auflösung von 750 Bildern pro Sekunde (fps) möglich.
  4. Schalten Sie das Beleuchtungssystem ein (Supplementary File 1), justieren Sie die Lichtstrahlen so, dass sie auf das Referenzobjekt fokussiert sind, und erzielen Sie eine homogene Beleuchtung (Abbildung 1B).
  5. Stellen Sie die Lichtintensität am Referenzobjekt so ein, dass eine Überbelichtung des Bildes vermieden wird.
    ANMERKUNG: Das Bild sollte wie in Abbildung 2A (oder Abbildung 1C, Steuer-PC) aussehen. Reflexionen auf der Oberfläche des Objekts (Herz) müssen so weit wie möglich reduziert werden, ohne die Konturdefinition einzubüßen. Dies kann durch Anpassung der Leistung der Beleuchtungssteuerung oder durch Verringerung der Belichtungszeit in den Kameraeinstellungen erreicht werden.
  6. Justieren Sie das Kameraobjektiv, um ein scharfes Bild des Referenzobjekts zu erhalten (Abbildung 1C, Steuer-PC). Stellen Sie sicher, dass das Referenzobjekt 80 % des Sichtfelds einnimmt (Abbildung 2A), um eine Umrechnungsskala von etwa 61 µm pro Unterpixel zu erhalten.
    ANMERKUNG: Das optische System aktiviert das Beleuchtungssystem automatisch, sobald die Kamera in den Aufnahmemodus geschaltet wird (Abbildung 1A und Supplementary File 2). Es wird empfohlen, die Kamera im Standby-Modus zu belassen, sodass das Beleuchtungssystem ausgeschaltet bleibt und nur während der experimentellen Datenaufnahme aktiviert wird, um eine Überhitzung zu vermeiden.

6. Chirurgische und Kanülierungsverfahren

  1. Heparinisierung und Anästhesie
    1. Stellen Sie eine anästhetische Mischung aus Tiletamin-Zolazepam (40 mg/kg Körpergewicht der Maus) und Xylazin (10 mg/kg Körpergewicht der Maus) her und verdünnen Sie diese mit physiologischer Kochsalzlösung auf 200 µL.
    2. Spritzen Sie die anästhetische Mischung intraperitoneal mit einer 27-G-Nadel ein. Lassen Sie die Maus in eine tiefe Anästhesie eintreten.
      HINWEIS: Überprüfen Sie das Fehlen eines Reflexes auf einen Reiz an den Gliedmaßen oder am Schwanz (üblicherweise sind 10 Minuten ausreichend).
    3. Injizieren Sie 200 IE unfraktioniertes Heparin intraperitoneal mit einer 27-G-Nadel und warten Sie etwa 5 Minuten, bevor Sie mit dem Experiment fortfahren.
  2. Entnahme und Kanülierung
    1. Platzieren Sie die Maus in Rückenlage, entfernen Sie das Fell und die Haut im Brustbereich mit einer chirurgischen Schere.
    2. Führen Sie einen Bauchschnitt unterhalb des Zwerchfells durch und achten Sie darauf, dessen Integrität zu bewahren.
    3. Fahren Sie mit einem quer verlaufenden Schnitt im Zwerchfell fort und führen Sie schnell eine beidseitige aufsteigende Thorakotomie durch die Rippen durch, anschließend entfernen Sie die Rippenwand.
      HINWEIS: Achten Sie darauf, das Herz nicht zu beschädigen. Falls das Herz während des Eingriffs beeinträchtigt oder beschädigt wird, sollte das Experiment nicht fortgesetzt werden.
    4. Halten Sie die oberen Strukturen des Herzens vorsichtig mit feinen Pinzetten, dem Aortenbogen und den angrenzenden Gefäßen. Heben Sie diese sanft an, um darunter und nach oben einen Schnitt zu setzen, und entfernen Sie Herz und Lunge gemeinsam.
    5. Überführen Sie das Herz schnell in eine Petrischale mit 50 mL Tyrode-Lösung bei 4 °C zur ersten Spülung.
      HINWEIS: Ab dem Zeitpunkt des Zwerchfell-Schnitts beginnt das Tier Atemnot zu entwickeln; ab diesem Zeitpunkt beträgt das Zeitfenster 60 Sekunden, um die Schritte 6.2.3–6.2.6 durchzuführen. Die Überschreitung dieser Zeitspanne kann ischämische Schäden verursachen.
    6. Entfernen Sie Lunge und überschüssiges Fettgewebe, um den Aortenbogen unter dem Stereomikroskop mit feiner Schere freizulegen.
      HINWEIS: Während der Gewebereinigung sicherstellen, dass der Aortenbogen nicht beschädigt wird. Falls die Aorta unterhalb der Arteria brachiocephalica durchtrennt wird, erschwert dies die Kanülierung und kann zu Drucklecks führen.
    7. Überführen Sie das Herz in die eigens angefertigte Kanülierungsunterlage mit 50 mL Tyrode-Puffer bei 4 °C und führen Sie das aortale Ende in die aus einer 20-G-Nadel hergestellte, speziell angefertigte Kanüle ein (Supplementary File 1).
      HINWEIS: Achten Sie darauf, die Aortenklappe nicht zu beschädigen. Falls die Klappe beeinträchtigt ist, schwillt das Herz an und die koronare Durchspülung funktioniert nicht ordnungsgemäß.
    8. Binden Sie zwei Kanülierungsknoten mit 4/0-Seidenfaden: den ersten in der Vertiefung distal zur Kanülenspitze und den zweiten vor dem Truncus brachiocephalicus (Supplementary File 1).
    9. Tragen Sie langsam Tyrode-Lösung mit einer 1-mL-Spritze, gefüllt mit Puffer bei Raumtemperatur, auf. Überprüfen Sie, ob das koronare Gewebe klar wird, um eine erfolgreiche Kanülierung zu bestätigen.
    10. Entfernen Sie Fettgewebe, um Zugang zu Ventrikeln und Vorhöfen zu erhalten.
      HINWEIS: Vermeiden Sie, dass die Kanülierung länger als 5 Minuten dauert, um die Lebensfähigkeit des Herzens zu erhalten.
    11. Überführen Sie das Herz in ein Langendorff-System und lassen Sie es sich 30 Minuten lang stabilisieren.
      HINWEIS: Das Herz wird in der Mitte des Systems platziert (Abbildung 1A,B), vertikal aufgehängt. Beim Aufhängen des Herzens ist äußerste Vorsicht geboten, um die Bildung von Luftblasen zu vermeiden. Sollte dies geschehen, steigt der Druck über 140 mmHg, das Herz beginnt anzuschwellen und ist nicht mehr lebensfähig.
      HINWEIS: Die Langendorff-Montage ist abgeschlossen, wenn das Herz eine mechanisch stabile Reaktion zeigt, eine natürliche Oszillationsfrequenz von etwa 360 Schlägen pro Minute (BPM) aufweist und ein Perfusionsdruck zwischen 60 und 110 mmHg vorliegt.

7. Pulsprotokoll und Videokameraaufnahme

  1. Herzvitalität
    1. Überprüfen Sie, ob der koronare Druck im Bereich von 60–110 mmHg bei einer Perfusionspumpe mit 3 mL/min liegt. Wenn der koronare Perfusionsdruck unter 60 mmHg fällt, erhöhen Sie leicht die Flussrate der Perfusionspumpe (niedriger Druck führt dazu, dass das Herz blass und schlaff wird). Umgekehrt verringern Sie bei einem Druck über 110 mmHg die Flussrate der Pumpe leicht (übermäßiger Druck verursacht Gewebeödeme und einen progressiven Druckanstieg bis zum Herzstillstand).}
      HINWEIS: Eine längere Aufrechterhaltung des Perfusionsdrucks außerhalb des oben genannten optimalen Bereichs beeinträchtigt die Herzvitalität irreversibel.
    2. Platzieren Sie das Herz in frontaler Position, sodass eine vollständig frontale Ansicht in der Kamera sichtbar ist. Passen Sie die Position so an, dass beide Vorhöfe in der Kamera sichtbar sind (Abbildung 2A).
    3. Platzieren Sie die Platinelektroden vorsichtig oberflächlich auf dem rechten Vorhof am Sinusknoten. Nutzen Sie das Kamerabild als Orientierungshilfe, um die Elektroden in das Sichtfeld zu bringen. Positionieren Sie die Elektrode so, dass sie den rechten Vorhof nicht verdeckt. Bewegen Sie die Elektrode unter Beobachtung des Live-Kamerabilds langsam vorwärts, bis sie das Vorhofgewebe berührt, und achten Sie darauf, keinen übermäßigen Druck auszuüben (da dies den rechten Vorhof im Bild abflachen würde).
      HINWEIS: Bei korrekter Durchführung entspricht die Kameraansicht Abbildung 2A.
    4. Starten Sie die Überwachungs- und Stimulationsanwendung (Zusatzdatei 11) und schalten Sie die Erfassungskarte ein (Abbildung 1A (6)). Stellen Sie die Stimulationsparameter ein: Amplitude bei 2 V, Frequenz bei 420, 540 und 720 Impulsen pro Minute (IPM) mit einem rechteckförmigen Puls und einer Einschaltdauer von 7 ms (Einschub in Abbildung 2A).
    5. Wenden Sie die Vitalitätsstimulation beginnend mit der niedrigsten Frequenz an, wobei jede Stimulation 20 s dauert, gefolgt von einer 20-s-Erholungsphase (Ruhezeit) zwischen den einzelnen Reizen.
      HINWEIS: Beurteilen Sie die Herzvitalität anhand der Kameraüberwachung. Ist das Organ physiologisch funktionsfähig, wird eine Synchronisation zwischen dem applizierten Reiz und der Herzantwort beobachtet, begleitet von einer ordnungsgemäßen Koordination zwischen den Herzkammern. Umgekehrt zeigt sich ein Mangel an Vitalität durch Verlust der Kammerkoordination oder durch das alleinige Auftreten isolierter Vorhofkontraktionen.
    6. Schließen Sie die Kammer, da das Experiment empfindlich gegenüber Raumlicht und thermischen Schwankungen ist (Abbildung 1C).
      HINWEIS: Die Kammertür muss während der gesamten Versuchsdauer geschlossen bleiben. Überwachen Sie die Herzvitalität mittels Kamera und Perfusionsdruck.
  2. Datenaufzeichnung
    1. Wenden Sie den Stimulationsprotokoll an, bestehend aus 30 s langen Rechteckpulszügen, gefolgt von 30 s ohne Signal. Stellen Sie die Stimulationsparameter für jeden Stimulationszug ein: Amplitude bei 2 V, Einschaltdauer von 7 ms und Frequenz im Bereich von 360 bis 720 IPM.
      HINWEIS: Das Stimulationsprotokoll beginnt bei 360 IPM und erhöht sich in jedem Zeitpunkt um 60 IPM (Einschub von Abbildung 2A).
    2. Nehmen Sie kontinuierlich Videos der Dynamik der frontalen Herzansicht im .avi-Format mit der Kameraerfassungssoftware auf (Zusatzdatei 2). Erstellen Sie eine 20-s-Videosequenz für jeden Stimulationszug. Beginnen Sie die 20-s-Aufnahme 5 s nach Start der Stimulation. Eine repräsentative Rohaufnahme ist in Zusatzfilm 1 enthalten.
      HINWEIS: Ein Computer zeichnet gleichzeitig den applizierten Stimulationszug (.xls, Zusatzdatei 9) für jedes aufgezeichnete Video (.avi) auf, die jeweils von der Überwachungs- und Stimulationsanwendung sowie der Kameraerfassungssoftware generiert werden (Zusatzdatei 2 und Zusatzdatei 3).
    3. Überprüfen Sie die Herzvitalität, indem Sie das erste Video, das vor Beginn des Stimulationsprotokolls aufgezeichnet wurde, mit dem zweiten Video, das nach Anwendung des Protokolls aufgezeichnet wurde, vergleichen (Abbildung 2B).

8. Nachbereinigung des Langendorff-Perfusionsystems nach dem Experiment

  1. Entfernen Sie den Stimulator und die EKG-Platinelektroden. Entnehmen Sie das Herz aus dem System und lassen Sie alle restlichen Tyrode-Lösungen ablaufen.
  2. Schalten Sie das optische System aus und schließen Sie das O2-Ventil.
  3. Spülen Sie das System mit 1 L entionisiertem Wasser bei 37 °C durch und lassen Sie es anschließend ablaufen.
  4. Wiederholen Sie die Schritte 2.4 und 2.5.
  5. Schalten Sie alle Systeme und Geräte aus.

9. Videobearbeitung

  1. Importieren Sie zunächst jedes Video in eine Software und wenden Sie eine Videonormalisierungsfunktion an15.
  2. Wählen Sie einen interessierenden Bereich (ROI), der den Herzbereich umfasst. Führen Sie eine Bildsegmentierung durch, um Hintergrundrauschen, Elektroden und die Kanüle zu entfernen (Supplementary File 4).
    HINWEIS: Um den korrekten Bildbereich für die Entfernung auszuwählen, ziehen Sie bitte Supplementary File 10 heran.
  3. Führen Sie eine globale Analyse der mechanischen Dynamik durch (Supplementary File 5). Beispiele zur Variabilität und zu Signalen sind in Supplementary Figure S1, Supplementary Figure S2 und Supplementary Figure S3 dargestellt.
    1. Wenden Sie morphologische Operatoren auf jeden Videorahmen an, um den Herzumriss zu erkennen, und anschließend einen Füllalgorithmus, um eine Maske zu erzeugen15.
    2. Zählen Sie die Pixel innerhalb des segmentierten Bereichs in jedem Frame und normalisieren Sie diesen Wert durch die Gesamtanzahl der Pixel im Bild, um ein dynamisches Signal zu erzeugen (Einlage in Abbildung 2B und Supplementary Figure S3).
    3. Wenden Sie einen bidirektionalen Butterworth-Filter 5. Ordnung im Frequenzbereich von 3 bis 100 Hz auf das erhaltene Signal an, um hochfrequentes Rauschen und Artefakte durch Perfusionsauftropfen zu unterdrücken15.
    4. Normalisieren Sie die Signale über alle Videos hinweg unter Verwendung der aufgezeichneten Maximal- und Minimalwerte.
    5. Bestimmen Sie die Herzfrequenz, indem Sie das Intervall zwischen zwei Werten mit maximaler Amplitude (IAA (s)) für jedes dynamische und Stimulussignal berechnen.
    6. Erhalten Sie die Frequenz in BPM mit der folgenden Formel:
      Formel zur Frequenzberechnung, Frequenz(BPM)=60/IAA, verwendet in der Herzfrequenzanalyse.
    7. Erzeugen Sie Poincaré-Diagramme aus den IAA-Daten, um die Variabilität über kurze und langfristige Zeiträume zu veranschaulichen16,17,18 (Supplementary Figure S1 und Supplementary Figure S2).
      HINWEIS: Detailliertere Informationen finden Sie in Supplementary File 10.
  4. Führen Sie eine segmentale Analyse der ventrikulären mechanischen Dynamik durch (Supplementary File 6).
    1. Wenden Sie eine Bildbinarisierung an. Nutzen Sie morphologische Operatoren, um den ventrikulären Bereich abzugrenzen, und passen Sie ihn an eine elliptische Geometrie an, ohne den ROI zu beeinträchtigen15.
    2. Passen Sie eine minimale Ellipse an den ventrikulären Bereich in jedem Frame an. Extrahieren Sie die Koordinaten einer Reihe distaler Punkte in einem Frame. Verwenden Sie 10–20 Punkte an jedem Extrem entlang der Y-Achse (Abbildung 3A). Ein repräsentativer Ausgabebeispiel zur Ellipsenschätzung ist in Supplementary Movie 2 enthalten.
    3. Berechnen Sie die ventrikuläre Verkürzung als mittleren Abstand zwischen den Extrempunkten entlang der Y-Achse in jedem Video19.
    4. Wenden Sie einen bidirektionalen Butterworth-Filter 5. Ordnung im Frequenzbereich von 3 bis 100 Hz auf das erhaltene Signal an, um hochfrequentes Rauschen und Artefakte durch Perfusionsauftropfen zu unterdrücken15.
    5. Normalisieren Sie das Signal der ventrikulären Verkürzung relativ zu allen für jede Stimulation aufgezeichneten Videos und berechnen Sie Herzfrequenz und Verzögerung wie in den Schritten 9.3.5–9.3.6.
      HINWEIS: Parameter wie ventrikuläre Zyklusdauer (DVE), Relaxationsdauer (DVW), interventrikuläres Intervall (IVV) und ventrikuläre Amplitude (VA) werden ermittelt (Abbildung 3A).
      HINWEIS: Detailliertere Informationen finden Sie in Supplementary File 10.
  5. Führen Sie eine segmentale Analyse der mechanischen Dynamik der Vorhöfe durch (Supplementary File 7).
    1. Verwenden Sie zwei ROIs, um die Vorhöfe abzugrenzen (Abbildung 3C).
    2. Analysieren Sie jeden Vorhof einzeln.
      1. Verwenden Sie morphologische Operatoren, um die Vorhöfe abzugrenzen, und passen Sie diese an, ohne den ROI zu beeinträchtigen15. Nutzen Sie einen Kontrastverstärkungs-Algorithmus, um jeden Vorhof zu umreißen20,21.
      2. Wenden Sie eine Bildbinarisierung an und quantifizieren Sie die Anzahl der von null verschiedenen Pixel pro Frame, um ein dynamisches Vorhofsignal zu erhalten.
      3. Wenden Sie einen bidirektionalen Butterworth-Filter 5. Ordnung im Frequenzbereich von 3 bis 100 Hz auf die erhaltenen Signale an, um hochfrequentes Rauschen und Artefakte durch Perfusionsauftropfen zu unterdrücken15.
      4. Berechnen Sie den Mittelwert der beiden Vorhofsignale (Abbildung 3D).
    3. Normalisieren Sie das Signal der Vorhofverkürzung relativ zu allen für jede Stimulation aufgezeichneten Videos und berechnen Sie Herzfrequenz und Verzögerung wie in den Schritten 9.3.5–9.3.6.
      HINWEIS: Parameter wie Vorhofzyklusdauer (DAE), Vorhof-Vorhof-Intervall (IAT) und Vorhofamplitude (AA) werden ermittelt (Abbildung 3D). Detailliertere Informationen finden Sie in Supplementary File 10.
  6. Führen Sie eine elektromechanische Analyse durch13,22 (Supplementary File 8).
    1. Vergleichen Sie die Stimulationsdaten mit den Vorhof- und Ventrikelsignalen (Abbildung 3D).
    2. Berechnen Sie die Ausbreitungszeit im Herzensleitungssystem, indem Sie die Verzögerung zwischen Vorhof- und Ventrikelerignissen (AVD) unter Verwendung des applizierten Stimulus als Referenz ermitteln.

Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Experimente zur kardialen mechanischen Funktion werden mit der Langendorff-Apparatur durchgeführt, wie in Abbildung 1A (oben) dargestellt. Überwachungs- und optische Systeme ermöglichen die Videoaufzeichnung, sobald die Beleuchtungssteuerung ausgelöst wird, wie in Abbildung 1A (unten) gezeigt. Abbildung 1C zeigt die Außenansicht des thermostatisch geregelten Gehäuses, das dazu konzipiert ist, das Herz vor Umgebungstemperaturschwankungen und Licht zu isolieren. Wie in Abbildung 1B dargestellt, ist das isolierte Herz als Referenzobjekt in dem experimentellen Aufbau positioniert, der aus der Langendorff-Anordnung, dem optischen System und den Stimulationsystemen besteht.

Wie in Abbildung 2A gezeigt, wurde das isolierte Herz so positioniert, dass unter retrograder Perfusion eine klare Frontalaufnahme der Vorhöfe und Ventrikel möglich war. Die Verwendung der Drainagebasis (Supplementary File 1, Drainagesystem) war entscheidend, um Bewegungsartefakte, die durch tropfende Perfusionsflüssigkeit entstehen, zu verringern und die erfassten Signale zu stabilisieren. Die Stimulationsprotokolle bestanden aus Impulsfolgen (2 V, 7 ms) bei Frequenzen zwischen 360 und 720 Schlägen pro Minute, wobei jede Folge 30 s dauerte.

Das optische System zeichnet Veränderungen im Herzbereich (HA) auf. Dieses dynamische Signal ermöglicht es ebenfalls, das Zeitintervall zwischen den Peaks (IAA) zu ermitteln (Einschub in Abbildung 2B). Die Modelltauglichkeit wurde durch den Vergleich der durchschnittlichen Herzfrequenz vor (Start) und nach (Ende) dem Stimulationsprotokoll in einer Kohorte von n = 6 Herzen bewertet. Es gab keine signifikanten Unterschiede in den durchschnittlichen Herzfrequenzen (Start: 385 ± 38 BPM vs. Ende: 372 ± 18 BPM, Students t-Test P > 0,05), was darauf hindeutet, dass das experimentelle Vorgehen die Herzfunktion nicht beeinträchtigte (Abbildung 2B).

Abbildung 2C zeigt die Frequenzantwort des Herzens auf sieben verschiedene Stimulationsfrequenzen und demonstriert einen klaren linearen Zusammenhang2 (R2 = 0,98 ± 0,01, 1:1-Modus). Der minimale Pacing-Wert wird durch die physiologischen Eigenschaften der Maus begrenzt (360 Schläge/min)22,23. Das Langendorff-perfundierte Herz weist ein tachykardes Profil auf. Repräsentative Pulsreize und die entsprechenden Antworten sind in den Einlegetafeln von Abbildung 2C dargestellt.

Anschließend werden spezifische Segmentierungstechniken angewendet, um die Dynamik der Herzkammern zu bewerten. Parameter der ventrikulären Verkürzung wurden aus optischen Aufnahmen gewonnen (Abbildung 3A). Der Ausschnitt in Abbildung 3A zeigt die normierte ventrikuläre Verkürzung. Aus diesem dynamischen Signal werden vier Parameter ermittelt: Amplitude der ventrikulären Verkürzung (VA), Zeitintervall zwischen ventrikulären Kontraktionen (IVV), Dauer der ventrikulären Kontraktion (DVE) und Dauer der ventrikulären Relaxation (DVW).

Abbildung 3B zeigt die Amplitude der ventrikulären Verkürzung für sieben Pulsfrequenzen. Die blauen Balken repräsentieren diese Studie. Die orangefarbenen Balken entsprechen den mit der auxotonen Registrierungsmethode erhaltenen Daten2. Die statistische Analyse wurde mittels zweifaktorieller ANOVA mit anschließendem Sidak-Test durchgeführt. Die Amplitude der ventrikulären Verkürzung (VA) steigt bei höheren Pulsfrequenzen, 600 PPM und 660 PPM, signifikant an (P < 0,05*, P < 0,005**), jeweils. VA (Referenz 15 vs. 360 P > 0,05, Referenz 15 vs. 420 P > 0,05, Referenz 15 vs. 480 P > 0,05, Referenz 15 vs. 540 P > 0,05, Referenz 15 vs. 600 P < 0,005, Referenz 15 vs. 660 P < 0,05, Referenz 15 vs. 720 P > 0,05).

Um die Vorhoffläche zu erhalten, werden spezielle Segmentierungstechniken angewendet (Abbildung 3C). In jedem Vorhof wird eine ROI definiert. Abbildung 3D zeigt das durchschnittliche Vorhofsignal und die ventrikuläre Verkürzung. Aus diesem dynamischen Signal werden zwei Parameter ermittelt: die Vorhofamplitude (AA) und das Zeitintervall zwischen den Vorhofkontraktionen (IAT). Durch den Vergleich der ventrikulären und vorhöflichen Signale wird die Verzögerung zwischen den Ereignissen in den Vorhöfen und der Herzkammer (AVD) bestimmt.

Schema des Langendorff-Systems und Versuchsaufbau für die kardiologische Forschung; umfasst Perfusionspumpe, optisches System.
Abbildung 1. Experimenteller Aufbau des isolierten Langendorff-Herzens mit optischem System in einem Gehäuse. (A) Schematisches Diagramm des Langendorff-Perfusionssystems mit konstantem Rückstrom, gekoppelt mit einem optischen System. Das Langendorff-System (oben) umfasst: (1) ein Reservoir mit kontinuierlich oxygenierter Tyrode-Lösung. Die Temperatur des Perfusats wird durch ein (2) Wärmewannen-Reservoir und einen (5) spiralförmigen Rezirkulator auf 37 °C gehalten. (3) Eine peristaltische Perfusionspumpe gewährleistet einen konstanten Fluss von 3 mL/min. (8) Ein Abflusssystem leitet die Lösung ab. (4) Die Kühlspule dient sowohl als Wärmetauscher als auch als Blasenfalle. Drucküberwachung und elektrische Stimulation werden über (6) das Überwachungssystem gesteuert. Das optische System (unten) beinhaltet die Synchronisation zwischen (11) der Lichtsteuerung, (10) der Hochgeschwindigkeitskamera mit telezentrischem Objektiv und zwei Lichtquellen (LEDs). Das Kameraobjektiv ermöglicht manuelle Fokussierung im Bereich von 100–200 mm. (9) Zwei LEDs, gekoppelt mit einer plan-konvexen Linse (LI), beleuchten das Herz homogen. Die Stimulationsdaten werden mithilfe der Überwachungs- und Stimulationsanwendung aufgezeichnet (Zusatzdatei 11). (7) Der Steuerungs-PC ist mit der Kamera sowie der Überwachungs- und Stimulationsanwendung verbunden, um die Daten (Video und elektrische Stimulation) simultan aufzuzeichnen. (B) Innenansicht des Gehäuses. Die vertikale Position des Herzens ist anhand des Referenzobjekts dargestellt. Weitere Bestandteile der Langendorff-Vorrichtung sind sichtbar. (C) Außenansicht des Gehäuses. Das Gehäuse ist thermisch isoliert, und die schwarzen Innen- und Außenwände minimieren Reflexionen und Umgebungslicht. Der Computer, auf dem die Überwachungs- und Videoaufnahmesoftware läuft, ist zu sehen. Abkürzungen: LC = telezentrisches Objektiv; LEDs = Leuchtdioden; LI = Beleuchtungslinse; PC = Personalcomputer. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung einzusehen.

Versuchsaufbau zur Herzstimulation mit EKG; Antwortfrequenzdiagramm; Stimulationsfrequenzgrafik.
Abbildung 2. Am Pulsierapparat montiertes Mausherz und Validierung des optischen Systems. (A) Frontale Ansicht des Herzens mit Vorhöfen, Ventrikeln, Pulsations- und EKG-Elektroden. Das Bild entspricht einem Frame bei einer Pulsation von 420 bpm (Zusatzvideo 1). Der Ausschnitt zeigt die angewandte Pulsation. Das Video wurde zwischen 5 und 25 s des Stimulationsprotokolls aufgezeichnet. (B) Test zur Überprüfung der Herzfunktion. Zwei Videos werden aufgezeichnet, um die Oszillationsfrequenz zu ermitteln – eines vor und eines nach Anwendung des Pulsationsprotokolls. Die Antwortfrequenz wird berechnet. Es wurde ein Student’sches t-Test durchgeführt (P > 0,05). Der Unterschied zwischen den Gruppen ist nicht signifikant. Die Daten werden als Mittelwerte ± Standardabweichung dargestellt (n = 6). Der Ausschnitt zeigt die aus Schritt 9.3 des Protokolls ermittelte Herzfläche (HA) sowie die angewandte Pulsation. (C) Herzfrequenzantwort auf die angewandte Pulsation. Die blauen Balken zeigen die Herzantwort auf sieben Pulsationswerte (R² = 0,98 ± 0,01). Die orangefarbenen Balken entsprechen den von Peña-Romo2 berichteten Daten. Der Ausschnitt zeigt typische Antwortkurven. Die statistische Analyse erfolgte mittels zweifaktorieller ANOVA mit nachfolgendem Sidak-Test. Der Unterschied zwischen den Gruppen ist nicht signifikant (P > 0,05). Die Daten werden als Mittelwerte ± Standardabweichung dargestellt (n = 6). Abkürzungen: ANOVA = Varianzanalyse; BPM = Schläge pro Minute; ECG = Elektrokardiogramm; HA = Herzfläche; PPM = Impulse pro Minute. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Kardiale Bildgebung und Graphanalyse; vs/RA+LA; Amplitudendiagramm; normalisierte Ergebnisse; experimenteller Aufbau.
Abbildung 3. Analyse der mechanischen Reaktion von Vorhöfen und Ventrikeln. (A) Ventrikuläre Verkürzung. Das Bild entspricht einem Bildausschnitt bei einer Stimulation von 420 Schlägen pro Minute (Zusatzvideo 1). Eine rote Ellipse ermöglicht die Abschätzung der ventrikulären Verkürzung (VS) (Zusatzvideo 2). Die ventrikuläre Verkürzung wird berechnet, indem die maximalen und minimalen Werte über einen Satz von 10–20 Linien entlang der Hauptachse gemittelt werden (NV; orangefarbene Linien). Die normalisierte ventrikuläre Verkürzung ist im Einzelbild dargestellt. Folgende Parameter können ermittelt werden: Dauer der Verkürzung (DVE), Dauer der Relaxation (DVW), Zeitintervall zwischen ventrikulären Kontraktionen (IVV) und Amplitude der ventrikulären Verkürzung (VA). (B) Amplitude der kardialen Reaktion, VA in Abhängigkeit von der Stimulation, dargestellt. Die blauen Balken repräsentieren diese Studie. Die orangefarbenen Balken entsprechen Daten, die mit der auxotonen Registrierungsmethode2 gewonnen wurden. Die statistische Analyse erfolgte mittels zweifaktorieller ANOVA, gefolgt vom Sidak-Test. Die Amplitude der ventrikulären Verkürzung (VA) steigt bei höheren Stimulationen, 600 PPM und 660 PPM, signifikant an (P < 0,05*, P < 0,005**), jeweils. VA (Referenz 15 vs. 360 P > 0,05, Referenz 15 vs. 420 P > 0,05, Referenz 15 vs. 480 P > 0,05, Referenz 15 vs. 540 P > 0,05, Referenz 15 vs. 600 P < 0,005, Referenz 15 vs. 660 P < 0,05, Referenz 15 vs. 720 P > 0,05). Die Daten sind als Mittelwerte ± Standardabweichung dargestellt (n = 6). (C) Vorhofsegmentierung. Das Bild entspricht einem Bildausschnitt bei einer Stimulation von 420 Schlägen pro Minute (Zusatzvideo 1). Die Abbildung veranschaulicht die interessierenden Bereiche am rechten Vorhof (gelber Kreis) und am linken Vorhof (blauer Kreis). Das mechanische Signal der Vorhöfe wird durch Mittelung beider ROIs erhalten. (D) Dynamik von Vorhöfen und Ventrikeln. Die gemittelte Vorhoffläche (schwarze Linie), die normalisierten Reaktionen der ventrikulären Verkürzung (blaue Linie) und die Stimulation (rote Linie) bei 420 Schlägen pro Minute sind dargestellt. Folgende Parameter können ermittelt werden: Zeitintervall zwischen Vorhofkontraktionen (IAT), durchschnittliche Vorhofamplitude (AA) und atrioventrikuläre Verzögerung (AVD). Abkürzungen: AA = Vorhofamplitude; ANOVA = Varianzanalyse; AVD = atrioventrikuläre Verzögerung; DVE = Dauer der ventrikulären Verkürzung; DVW = Dauer der ventrikulären Relaxation; IAT = Vorhof-Vorhof-Intervall; IVV = interventrikuläres Intervall; NV = Anzahl der ventrikulären Linien; PPM = Impulse pro Minute; ROI = interessierender Bereich; VA = Amplitude der ventrikulären Verkürzung; VS = ventrikuläre Verkürzung. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Zusatzvideo 1. Video unter 420 PPM-Stimulation. Aufnahme eines isolierten Mausherzens mit einer räumlichen Auflösung von 200 × 200 Subpixeln und einer zeitlichen Auflösung von 750 Bildern pro Sekunde. Abkürzungen: fps = Bilder pro Sekunde; PPM = Impulse pro Minute.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Zusatzvideo 2. Repräsentatives Video der Ellipsenschätzung zur ventrikulären Verkürzung. Demonstration des Segmentierungsalgorithmus anhand der Aufnahme aus Zusatzvideo 1, erneut abgetastet mit 75 fps. Abkürzung: fps = Bilder pro Sekunde.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Abbildung S1. Variabilitätsanalyse der Herzflächenintervalle. (A) Basalzustand ohne Stimulation, (B) 360 PPM, (C) 420 PPM und (D) 480 PPM. Die kurzfristige und langfristige Variabilität wurden als Streuung relativ zum Datenmittelwert berechnet, wie durch die rote Ellipse dargestellt. Abkürzungen: IAA = Herzflächenintervall; PPM = Pulse pro Minute; SD1 = kurzfristige Variabilität; SD2 = langfristige Variabilität.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Abbildung S2. Variabilitätsanalyse der Herzflächenintervalle. (A) 540 PPM, (B) 600 PPM, (C) 660 PPM und (D) 720 PPM. Die kurzfristige und langfristige Variabilität wurden als Streuung relativ zum Datenmittelwert berechnet, wie durch die rote Ellipse angegeben. Abkürzungen: IAA = Herzflächenintervall; PPM = Pulse pro Minute; SD1 = kurzfristige Variabilität; SD2 = langfristige Variabilität.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Abbildung S3. Zeitlicher Verlauf der normalisierten Signale aus der kontraktilen Dynamik. Der applizierte Reiz betrug 420 PPM (rot), und die Antworten umfassen die globale Herzfläche (schwarz), die ventrikuläre Verkürzung (blau) und die dynamischen Änderungen der Vorhoffläche (gelb). Abkürzung: PPM = Impulse pro Minute.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Zusatzdateien 1–11. Algorithmen und technische Dokumentation. Komprimierter Ordner mit: 1) Abbildungen und Spezifikationen der 3D-gedruckten Teile. 2) Detaillierte Anleitungen für die Kameraaufnahmesoftware. 3) Detaillierte Anleitungen für die Überwachungs- und Stimulationsanwendungen. 4) Rechenprogramm zur Videonormalisierung und Segmentierung (Schritte 9.1–9.2). 5) Rechenprogramm zur Berechnung der globalen Herzmechanik (Schritt 9.3). 6) Rechenprogramm zur segmentierten Berechnung der Ventrikelmechanik (Schritt 9.4). 7) Rechenprogramm zur Segmentierung der Vorhofmechanik (Schritt 9.5). 8) Rechenprogramm zur Berechnung der atrioventrikulären Verzögerung (Schritt 9.6). 9) Elektrische Stimulation, angewendet auf Zusatzvideo 1. 10) Detaillierte Anleitung zum Betrieb der Rechenprogramme (Dateien 4–7). 11) Die Überwachungs- und Stimulationsanwendung. Zusätzlich enthalten sind fünf externe Funktionen (AumCont, filterPeaks, FucCordenada, FucMaskIm, FucPoincare), die für das Funktionieren der Rechenprogramme erforderlich sind.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das Mausherz ist sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen2,9,10,11,22. In diesem Experiment wurde das perfundierte Herz vertikal positioniert. Wir führten eine geringfügige Modifikation durch, um den Temperaturverlust des Perfusats und Bewegungsartefakte bei der Langendorff-Perfusionsmethode zu minimieren. Eine Rezirkulationspumpe wurde dem Serpentinsystem hinzugefügt, um den Temperaturverlust des Perfusats bei 37 ± 0,5 °C zu verringern, und eine Ablaufbasis wurde eingebaut, um Bewegungsartefakte zu reduzieren. Darüber hinaus kam ein thermisch isoliertes Gehäuse zum Einsatz, das mit einem optischen System sowie zwei beidseitig positionierten LED-Lichtquellen mit einstellbarer Intensität ausgestattet war, um das Herzgewebe gleichmäßig zu beleuchten, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Um die Durchführbarkeit der experimentellen Montage zu untersuchen, wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um die Änderungen der Herzbereichsfläche unter verschiedenen Stimulationsbedingungen zu verfolgen. Ein Synchronisationsbereich zwischen der Stimulationsfrequenz und der Frequenzantwort des Herzens wurde ermittelt, der mit dem von Peña-Romo2 berichteten Synchronisationsbereich übereinstimmt, der die auxotonische Registrierungsmethode verwendete8. Wir können schlussfolgern, dass der optische experimentelle Aufbau ausreicht, um weitere experimentelle Studien zur ventrikulären Verkürzung zu unterstützen (Abbildung 2).

Wir untersuchten weiter, ob Signale der ventrikulären Verkürzung und der dynamischen atrialen Fläche eine Analyse der elektromechanischen Kopplung des Herzens ermöglichen. Die ventrikulären und atrialen Signale erlauben die Bestimmung der Dauer der Verzögerung der Vorhof-Kammer-Kontraktion (AVD). Bei einer Stimulationsfrequenz von 420 PPM wurde ein Wert von 53 ± 14 ms (Mittelwert ± Standardabweichung) ermittelt. Dieses Ergebnis stimmt mit den von VanderBrink24 berichteten Werten überein, der ein PR-Intervall von 44 ± 6 ms, gemessen mittels Elektrokardiogramm (EKG), angibt.

Diese Methode weist jedoch auch einige Einschränkungen auf; die Ungenauigkeit der atrioventrikulären Verzögerung im Vergleich zu EKG-Techniken und die Abweichung der ventrikulären Amplitude im Vergleich zu den Ergebnissen der auxotonen Ableitungsmethode, wie in Abbildung 3B dargestellt, könnten auf externe Bewegungsartefakte zurückzuführen sein.

Diese Methode trägt zur Beurteilung der Kontraktilität und Herzfrequenz ohne pharmakologische oder systemische Einflüsse an einem intakten isolierten Herzen bei. Diese Ergebnisse zeigen, dass das optische System die Messung der Verkürzungsreaktionen von Ventrikel und Vorhof des Herzens ermöglicht und unterstreichen dessen Nützlichkeit für Studien zu Arrhythmien, die die atrioventrikuläre Koordination beeinträchtigen, oder für die Bewertung pharmakologischer Wirkungen.

Diese Methode weist jedoch auch einige Einschränkungen auf. Erstens ist es aufgrund der zweidimensionalen Annäherung nicht möglich, die Kontraktionskraft wie bei der auxotonen Methode zu messen. Diese Methode ist außerdem vorteilhaft, um Bewegungsartefakte aus Lösungstropfen zu verringern und die Temperatur der Lösung zu kontrollieren. Zweitens beeinflussen geschlechtsspezifische Unterschiede in Mausmodellen die Gültigkeit, Reproduzierbarkeit und Sicherheit biomedizinischer Forschung erheblich. Historisch gesehen bevorzugten Forscher männliche Mäuse, um die Variabilität der Daten durch den weiblichen Östruszyklus zu vermeiden – eine Annahme, die mittlerweile als weitgehend falsch erwiesen wurde25,26. Abhängig vom Studientyp kann dieses Protokoll auf Studien mit männlichen oder weiblichen Mäusen angewendet werden.

Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde durch eine Förderung der Sekretariat für Wissenschaft, Geisteswissenschaften, Technologie und Innovation (SECIHTI) mit der Nummer LN-2025-C-23 unterstützt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1-mL-SpritzeBD Plastipak302485Chirurgisches Verfahren
20-G-NadelNIPROAH-2032Aortenkanüle
25-mm-Verstelllinse mit 8x- bis 100facher VergrößerungGenericN/VKameraobjektiv des optischen Systems; allgemein als verstellbares Kameraobjektiv zitiert
27-G-NadelBD PrecisionGlide302358Chirurgisches Verfahren
3D-gedruckte HalterungselementeCINVESTAVN/VIndividuell angefertigte 3D-gedruckte Halterungselemente
4-0-SeidennahtAMERICAN SUTURETGSN0901Aortenkanüle
40-A-NetzteilSTERENPRL-25LED-Netzteil
LufsteinN/VN/VSauerstoffanreicherung der Tyrode-Lösung
CaCl2 (2H2O)Sigma-AldrichC3306Tyrode-Lösung
D-GlukoseJ.T. Baker1916-01Tyrode-Lösung
AbflusspumpeCINVESTAVN/VIndividuell angefertigte Abflusspumpe; allgemein als Abflusspumpe zitiert
F = 25,4 mm, plan-konvexe LinseTHORLABSLA1951-ABeleuchtungslinse des optischen Systems; allgemein als plan-konvexe Beleuchtungslinse zitiert
EisessigsäureSigma-Aldrich695092Reinigung des Langendorff-Systems
HeparinPiSA060M91Antikoagulans
HEPESSigma-AldrichH3375Tyrode-Lösung
Leistungsstarke LEDsLuminiusCBT-90-G-L11-C12LED-Lichtquelle
BeleuchtungssystemCINVESTAVN/VIndividuelles Beleuchtungssystem; allgemein als Beleuchtungssystem zitiert
KClCTR SCIENTIFICCTR02196Tyrode-Lösung
LabVIEW-Software Version 2018NATIONAL INSTRUMENTSN/VSoftware zur Ausführung der Überwachungs- und Stimulationsanwendung; allgemein als Überwachungs- und Stimulationsanwendung zitiert
MATLAB-SoftwareThe MathWorksN/VSoftware zur Berechnung, Normalisierung, Segmentierung und Analyse von Videos; allgemein als Berechnungssoftware zitiert
Sauerstoff medizinischer QualitätGRUPO INFRAN/VSauerstoffanreicherung der Tyrode-Lösung
MgCl2 (6H2O)CTR SCIENTIFICCTR02104Tyrode-Lösung
Mini-Pumpe mit variabler DurchflussrateCONTROL COMPANY3385Perfusionspumpe
Maus-Chirurgie-SetKent ScientificINSMOUSEKITChirurgisches Verfahren
NaClSigma-AldrichS5886Tyrode-Lösung
NaH2PO4DEQDEQF290400250Tyrode-Lösung
NaOHCTR SCIENTIFICCTR03108pH-Einstellung
NI USB-6009NATIONAL INSTRUMENTS779026-01Aufnahmekarte
Platinelektroden, Durchmesser 0,25 mmSigma-Aldrich349402Elektrische Stimulations-Elektroden
Netzteil (12 V, 30 A)KarnickPTA-12V30ANetzteil für Rezirkulator
DruckmessgerätCINVESTAVN/VIndividuelles Druckmessgerät; allgemein als Druckmessgerät zitiert
DruckaufnehmerLA BOUVETB17295Druckmessgerät des Langendorff-Systems
Reiner EthylalkoholSigma-Aldrich493511Äthanol zur Systemreinigung
Wiederholender Thermostatenbehälter (LXC)PolyScienceL113A0412Behälter-Rezirkulator
SalzlösungPiSA1118480,9-%ige Natriumchlorid-(NaCl)-Lösung
Schlangenförmiger ThermostatenbehälterCINVESTAVN/VIndividueller schlangenförmiger Rezirkulator/Thermostatenbehälter
StereomikroskopN/VN/VChirurgisches Verfahren
Beleuchtung für StereomikroskopN/VN/VChirurgisches Verfahren
uEye Cockpit-SoftwareIDS Imaging Development System GmBHN/VKamera-Aufnahmesoftware; allgemein als Kamera-Aufnahmesoftware zitiert
UI-3360CP-NIR-GL Rev.2IDSAB00624Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera; allgemein als CMOS-Kamera zitiert
XylazinPiSA4001211Anästhetikum
Zoletil 100Virbac83048907Tiletamin-Zolazepam-Anästhetikum; allgemein als Anästhetikum-Mischung zitiert

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