Entwicklung und Charakterisierung eines Vierkammer-Working-Hearts zur Untersuchung eines neuen Verfahrens des EKG-Mappings

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines isolierten Herzmodells und das Erstellen von Rahmenbedingungen für eine Perfusion mit möglichst physiologischer Herzaktivität im Rahmen des DFG-Forschungsprojektes „Verfahren zur Darstellung von EKG-Maps auf der mit Ultraschallmessungen definierten Herzoberfläche“ (He 1669/11). Zur Validierung einer klinisch eingesetzten Mappinganlage sollte ein selbstständig schlagendes, isoliert perfundiertes Tierherzmodell entwickelt werden, das die reproduzierbare Aufzeichnung von Erregungsabläufen am vollständig gefüllten Herzen in einem elektrisch homogenen Medium ermöglicht. Für die Charakterisierung und Evaluation des konstruierten Systems wurden sieben Schweineherzen unter OP-Bedingungen explantiert und für maximal 280 Minuten unter Betrachtung hämodynamischer, biochemischer und elektrophysiologischer Parameter im Vierkammer-Working- Heart-Modus perfundiert. Das als Perfusat verwendete Blutgemisch gewährleistete einen physiologischen Sauerstofftransport und einen im Vergleich zu kristalloiden Perfusaten höheren onkotischen Druck, der einer Ödematisierung des Myokards entgegen wirkt. Das Perfusat wurde oxygeniert, dialysiert und temperiert. Nach erfolgreicher Reperfusion konnten die Schweineherzen in einen mit Wasser gefüllten und mit 75 Elektroden versehenen Kugelbehälter abgesenkt werden, der die Aufzeichnung von EKG-Maps in einem elektrisch homogenen Medium ermöglichte. Die explantierten Schweineherzen wurden nach Präparation und Anschluss an das System zunächst im Langendorff- Modus perfundiert und nach Stabilisierung der Herzaktion über beide Vorhöfe antegrad gefüllt. In diesem Working-Heart-Modus schlugen die Herzen selbstständig (HF im Mittel 70-81 min-1) und verrichteten Druck-Volumen- Arbeit. Während der Perfusion wurden regelmäßig eine Oximetrie und Blutgasanalyse des Perfusats durchgeführt sowie Laborparameter zur Qualitätsbeurteilung des Präparates und der Perfusion bestimmt. Die mittleren Vorlasten links (3,7-7,4 mmHg) und der Median der Aortennachlasten (55,1-57,4 mmHg) resultierten in einem mittleren Einstrom ins linke Atrium zwischen 848-1085 ml/min. Der mittlere Aortenfluss änderte sich während der ersten 80 min der Perfusion relativ gering (576-600 ml/min) und nahm danach kontinuierlich ab. Durch die Isolierung des Herzens und die dadurch bedingte Ausschaltung neuronaler und humoraler Steuerungsmechanismen konnten nicht für alle Parameter physiologische Werte erzielt werden. Besonders die hämodynamischen Werte lagen – wie auch bei anderen Arbeitsgruppen beschrieben – unterhalb des Referenzbereiches. Eine zunehmende Schädigung der Herzen, die bei isolierter Perfusion bekannt ist, zeigte sich in erhöhten Werten unter anderem von LDH (MW: 1029 U/l nach 120 min Perfusion im Steady State) und GOT (MW: 279 U/l nach 120 min Perfusion). Das beschriebene Modell wurde für die Untersuchung eines neuen Verfahrens des EKG-Mappings entwickelt und es zeigte sich, dass während der Dauer der Perfusion gut vergleichbare, gleichförmige EKG-Kurven aufgezeichnet werden konnten. Diese bieten die Möglichkeit, regionale Veränderungen der Herzaktivität unabhängig von anatomischen Besonderheiten und Wechselwirkungen zwischen Elektroden und Herzoberfläche zu zeigen. Die P-Wellen-Dauer (85±27 ms – 120±41 ms) liegt während des Versuchszeitraumes ebenso um den Referenzbereich wie das PQ-Intervall (159±56 ms – 190±43 ms). Die QRS-Dauer (115±14 ms – 129±11 ms) war im Vergleich zu Ergebnissen anderer Untersuchungen an isolierten Herzen ähnlich, wohingegen die QT-Dauer (417±85ms – 462±58 ms) sowohl im Vergleich zu anderen Arbeitsgruppen als auch zu in-vivo-Bedingungen erhöht war. Die QRS- (988±409 µV – 1549±759 µV) und T-Amplitudenhöhen (535±222 µV – 885±335 µV) zeigten tendenziell in der ersten Hälfte der Perfusion eine Zunahme mit nachfolgender Abnahme zum Ende der Perfusion hin. Die EKG-Voltagen und -Intervalldauern werden durch eine Vielzahl an Faktoren beeinflusst. Während der Perfusion bei gleich bleibenden Versuchsbedingungen spielen aber insbesondere sich verändernde Leitungseigenschaften des Myokards, z.B. durch die Entstehung eines myokardialen Ödems oder einer myokardialen Ischämie eine Rolle. Die verwendete Perfusionsmethode ermöglichte entsprechend der Zielvorgabe die Ableitung von EKG-Maps ohne Kontakt der Elektroden mit der Herzoberfläche in einem elektrisch homogenen Medium bei vollständiger Füllung der Herzkammern. Es konnten Messungen zum EKG-Mapping-Verfahren durchgeführt werden, die Grundlage für die Validierung der EKG-Mapping-Anlage im klinischen Einsatz sowie die Optimierung und Weiterentwicklung des Modells bildeten. Weiterhin konnten im Rahmen eines physikalischen Dissertationsvorhabens fluorometrische Messungen zur Charakterisierung der Stoffwechsellage von ex vivo perfundierten Herzen gemacht werden. Bei der Evaluation des Modells zeigten sich sowohl technische als auch versuchsbedingte Grenzen, die durch die hohe Komplexität des Modells bedingt sind. Für die Durchführung der Untersuchungen im Rahmen des DFG-Projekts war diese hohe Komplexität erforderlich und gefordert. Für weitere Untersuchungen sollte entsprechend den jeweiligen Versuchsanforderungen ein geeignetes, weniger komplexes und an die jeweilige Fragestellung angepasstes Modell ausgewählt werden. In der Literatur sind hierzu zahlreiche Perfusionsmodelle beschrieben, die auch in ökonomischer Sicht praktikabler erscheinen.

Carried out within the project of the German Research Foundation (DFG) “ECG Mapping Proceedings on a Heart Surface Defined by Ultrasound” (He 1669/11), this study aimed at developing and characterising an isolated heart model. In particular, basic conditions for a perfusion with preferable physiological cardiac activity should be established. In order to validate a clinically used ECG mapping system, a model of an independently beating and perfused heart had to be developed, aiming at recording reproducibly the excitation cycle of a filled heart in an electrically homogeneous medium. Seven porcine hearts were surgically explanted and perfused for 280 minutes in a four-chamber working heart mode so as to make haemodynamic, biochemical and electrophysiological measurements, which were used to validate and characterise the perfusion system. A blood mixture was used as perfusate, allowing oxygen transportation to occur in a physiological way. Furthermore, a higher oncotic pressure was provided compared to crystalloid solutions, preventing thus oedema development within the myocardium. The perfusate oxygenated, dialysed and temperated. After reperfusing the porcine heart, it was inserted into a spherical bowl fitted with 75 electrodes, which allowed recording the ECG mapping data in an electrically homogeneous medium. The heart was prepared and connected to the system. First, it was perfused using the Langendorff mode. After stabilization of heart activity it was filled antegradly via the atrium while independently beating in the working-heart modus (average heart rate of 70-81 min-1) and performing pressure-volume work. While perfusing the heart, oxymetries and blood gas analyses were carried out in regular intervals, and other parameters were checked in the laboratory in order to examine the organ’s quality. A left atrial preload of 3,7-7,4 mmHg and a median aortic afterload of 55,1-57,4 mmHg lead to an average inflow of 848-1085 ml/min into the left atrium. The average aortic flow remained stable during the first 80 minutes of perfusion (576-600 ml/min), decreasing continuously thereafter. Since the heart was isolated and not subjected to neuronal or humoral control, it was not possible to attain physiological values for all parameters. Haemodynamic values did not reach the reference values, coinciding with results of other studies. Proceeding deterioration, a known issue with isolated perfusion, was indicated by increasing values of LDH (MW: 1029 U/l after 120 minutes of steady-state) and GOT (MW: 279 U/l after 120 minutes of steady-state). The presented model was developed in order to examine a new method of ECG mapping, delivering well comparable and proportionate ECG curves for the interval of perfusion, thus providing the opportunity of showing local changes in heart activity independent from anatomical features or interaction of the electrodes and the heart’s surface. During the experiment, P duration (85±27 ms – 120±41 ms) and the PQ interval (159±56 ms– 190±43 ms) remained close to reference values. The QRS interval (115±14 ms – 129±11 ms) was similar to the results presented in other studies with isolated hearts. However, the QT interval (417±85 ms – 462±58 ms) was larger than in other studies with isolated hearts and in vivo. The QRS (988±409 µV – 1549±759 µV) and T amplitudes (535±222 µV– 885± 335 µV) tended to increase during the first half of the perfusion, decreasing afterwards. ECG voltages and intervals are affected by various factors. Under constant perfusion conditions however, variating conductibility of the myocardium, which changes due to myocardial oedema or myocardial ischaemia, remains a main factor. The perfusion method applied in this study permitted the conduction of ECG maps in an electrically homogeneous medium without attaching electrodes to the surface of a completely filled heart. ECG mapping data was collected in order to validate the clinical usage of ECG mapping systems and to enhance the model. A physical doctoral thesis carried out in the same framework aimed at the fluorimetric characterisation of metabolic activity of ex vivo perfused pig hearts. At the stage of evaluation, technical as well as experimental limitations arising from the model’s complexity became evident. Complexity, however, was a requisite within the DFG project. It is advisable for further research to choose a suitable model for the respective question, which is less complex and adapted to the experimental framework. Many perfusion models are described in literature and seem more viable from an economical point of view.