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新冠状动脉支架的设计和材料必须在相关临床前模型中临床使用前进行测试。在这里,我们描述了一种动脉粥样硬化的兔主动脉模型和一种猪冠状动脉模型,用于 体内和组织 学分析的支架研究。
冠状动脉疾病是全球发病率和死亡率的主要因素。虽然生活方式的改变和药物治疗是治疗的基石,但冠状动脉球囊血管成形术和支架置入术常规用于急性冠脉综合征和慢性冠状动脉疾病患者,这些患者在接受光学药物治疗后仍有症状。近几十年来,已经开发了几代冠状动脉支架。球囊血管成形术和支架置入术通过使用涂抹在球囊和支架表面的药物来支持,以提高干预后动脉的愈合特性或防止再狭窄的形成。新器械在被接受用于临床实践之前需要经过严格的安全性和有效性测试;因此,持续需要可靠且可重复的支架评估临床前方法。我们在这里描述了用于冠状动脉支架研究的猪冠状动脉模型和动脉粥样硬化兔模型,并描述了血管内成像和支架组织学的基本步骤。
动脉粥样硬化性冠状动脉疾病给全球各国的医疗保健系统造成了沉重的负担1。冠状动脉球囊血管成形术和支架置入术常规用于急性冠状动脉综合征患者以及有症状的稳定冠状动脉疾病患者2。球囊血管成形术是一项革命性的发明,用于使狭窄甚至闭塞的冠状动脉血运重建。冠状动脉支架通过防止球囊血管成形术后动脉急性回缩,进一步改善了经皮冠状动脉介入治疗 (PCIs) 的结果3。通过引入药物洗脱支架 (DES) 或涂有抗增殖药物的支架来对抗支架内再狭窄 (ISR) - 先前部署的支架的重新狭窄,PCI 的结果进一步改善。DES 已被进一步开发为具有更薄但更耐用的支架支柱和用于药物释放的可生物降解聚合物。从概念上讲,支架的刚性平台只需要几周到几个月,以防止动脉回缩。这导致了完全可生物降解的新一代脚手架设备。早期的可生物降解支架和支架遇到了一些挫折,因为研究报告了支架血栓形成的发生率增加4。因此,可生物降解支架并未得到广泛使用。
仅在美国,每年就进行近 100 万例 PCI。随着越来越多的患者接受血管内治疗,新的支架材料和设计的开发将继续进行。新设备的评估需要在生物相关环境中进行测试,这需要使用适当的动物模型。在研究可生物降解设备时,临床前动物模型更为重要,因为这些设备的降解特性可能无法预测。应在大型动物模型中进行评估,其中可以研究足够大以供患者使用的设备。
我们在这里描述了用于临床前支架评估的猪冠状动脉模型和动脉粥样硬化兔主动脉模型 5,6。两种型号都可以容纳专为临床使用而设计的装置和设备。我们提出了用于评估支架性能、支架血栓形成和 ISR 的体内成像方式。此外,我们还展示了塑料包埋组织的组织学分析方法,包括免疫组织学7。
所有动物实验均已获得芬兰动物实验委员会的批准。成年 3.0-4.0 kg 新西兰白兔 (NZW) 用于动脉粥样硬化兔模型。对于猪冠状动脉研究,动物在实验开始时体重为 30-40 公斤。兔动脉粥样硬化模型和猪冠状动脉模型的方案分别描述,然后描述如何对不可降解的冠状动脉支架进行组织学检查,而不管使用何种 体内 模型。
1. 兔动脉粥样硬化模型
注意:为了诱导主动脉的快速动脉粥样硬化变化,给动物喂食高胆固醇饮食,并且在支架植入前主动脉进行去内皮化。通过颈动脉进行支架置入术和成像,并如下所述对支架进行组织学处理。血管内超声 (IVUS) 比光学相干断层扫描 (OCT) 更适合兔主动脉,因为不需要动脉冲洗。
2. 猪冠状动脉模型
注意:猪的心脏在解剖学和生理学上与人的心脏相似。冠状动脉也很相似——它们沿心外膜走行并形成三个主要的冠状动脉分支(右冠状动脉 (RCA) 和左冠状动脉 (LCA),进一步分为左升冠状动脉 (LAD) 和左回旋支动脉 (LCX))。这是一个对自体猪冠状动脉进行支架置入术和使用 OCT 进行血管内成像的模型。猪在麻醉前禁食过夜。
3. 支架组织学
注意:不可降解金属支架的支架组织学需要使用塑料包埋系统和使用专用切片机进行样品切片。包埋系统是市售的,但为了实现基于抗体的免疫组织学,需要对方案进行一些修改。无论使用何种动物模型,所有样品的包埋方案都是相同的。使用塑料包埋系统进行包埋过程。在引擎盖内工作,进行所有包埋和组织学程序。
支架扩张成功必须通过血管造影确认,最好通过血管内成像(图3、A、B)。猪冠状动脉模型允许多次成像,OCT 可用于创建具有频繁成像的随访数据。ISR 和支架扩张以及可能的支柱骨折可以通过血管造影和 OCT 成像轻松评估。与组织学不同,血管内成像还可以沿整个支架的长度生成数据,组织学通常只能沿支架进行到几个节段。
使用上述组织学方法,尤其是量身定制的包埋方案,甚至可以从支架段进行免疫组织学检查。常规试剂盒组织学,如苏木精和伊红 (HE) 也很容易应用(图 4A)。然而,即使是基于抗体的方案也可以与该方法一起使用,以检测内皮细胞和炎症细胞并鉴定其他细胞类型(图 4B)。
图 1:6 周随访兔主动脉粥样硬化模型研究的时间表。 介绍了高胆固醇血症饮食的关键作和大纲。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 2:兔颈动脉的手术视图和兔主动脉支架的 X 射线。 (A) 兔模型手术部位的照片,在引入器放置前准备颈动脉后颈部解剖结构。(B) 植入支架的兔主动脉造影剂造影(箭头标记支架边缘)。缩写: CA = 颈动脉;VN = 迷走神经。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:猪冠状动脉造影和 OCT 成像。 (A) 植入支架的猪右冠状动脉血管造影(箭头标记支架边缘)。(B) 来自支架冠状动脉段的 OCT 图像。虚线沿着支架边缘和管腔,从中计算支架内再狭窄的百分比。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 4:来自标准组织学和免疫组织学的代表性图像。 (A) 植入后 6 周猪冠状动脉可生物降解支架的 HE 染色和 (B) 6 周前植入兔主动脉的裸金属支架的兔巨噬细胞的 RAM-11 染色。空框表示在染色过程中被冲刷掉的支架支柱。(B) 中的深棕色表示巨噬细胞。误差线 = 200 μm。 请单击此处查看此图的较大版本。
虽然当前一代药物洗脱冠状动脉支架已经证明了其优点,但正在开发新设备以更好地满足患者和医疗保健专业人员的需求。第一轮完全可生物降解的冠状动脉支架遇到了多项挑战,这进一步强调了在生物相关模型中测试新设备的重要性9。这里介绍的模型为进行支架研究提供了两种选择。应应用冠状动脉模型,并且通常适用于新的血管内冠状动脉装置,因为猪冠状动脉的解剖结构和生理学与人类非常相似。动脉粥样硬化模型为研究支架置入术对动脉壁的影响提供了机会,因为临床情况几乎总是涉及动脉粥样硬化病变。由于在猪中诱导动脉粥样硬化非常困难,因此需要两种不同的模型来研究相关冠状动脉和动脉粥样硬化病变中的支架性能。这也是所介绍模型的主要限制。
可以根据研究项目的需要修改时间点。一般来说,6 周的随访时间足以发现任一模型10 中研究组之间的变化。猪冠状动脉模型利用生长中的动物,因此冠状动脉的直径会随着时间的推移而变化。然而,我们已经使用该模型研究可生物降解设备长达 18 个月。相比之下,兔子模型提供固定大小的目标动脉,从技术上讲,随访期可能至少为 12 个月。
pig 模型允许在几乎无限数量的时间点内使用血管造影和 OCT 进行后续成像。麻醉是安全的,并且通过良好的技术,可以多次进入股动脉。也可以使用对侧股动脉。仅从颈动脉即可通过血管造影和 IVUS 轻松对兔子进行成像。除了支架放置时间之外,这只允许一个额外的成像时间点。两种模型都可以修改以研究各种血管内装置8。这些模型已经并且很容易被修改以研究新的血管内、基于导管的成像模式。其中包括 IVUS-OCT 混合系统以及功能成像,例如近红外光谱。
这些模型需要兽医麻醉和镇痛方面的专业知识,以及外科手术和血管内手术的经验。除了动物模型中这些以技术为导向的关键步骤外,硬组织(如金属冠状动脉支架)的组织学准备工作也需要小心,尤其是在使用稳定和不稳定的基本溶液时。
作者没有披露。
作者感谢东芬兰大学国家实验动物中心的 Heikki Karhunen、Minna Törrönen 和 Riikka Venäläinen 的专家协助。这项研究得到了芬兰学院旗舰资助的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Angiographic puncture needle | Cordis | 12-004943 | |
Aspirin Cardio 100 mg | Bayer | ||
Cholesterol | Sigma-Aldrich | C8667 | |
Plavix | Sanofi | Clopidogrel | |
Coronary stent (bare metal, drug eluting, biodegradable) | Stent should be selected according to the study plan. Stent length 18-25mm and diameter 2.5-3.5mm | ||
Domitor | Orion | medetomide | |
Dragonfly Optis OCT catheter | Abbott | C408646 | Use catheter compatible with available imaging system |
Enoxaparine | Sanofi | Clexane | |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 32221-M | |
Fentanyl | Biocodex | ||
Guide wire, coronary | Cordis | 507114 | |
Guide wire, J tip | Cordis | 502717 | |
Guiding catheter AR1 | Cordis | 670-110-00 | |
Guiding catheter AR2 | Cordis | 670-112-00 | |
Guiding catheter straight | Cordis | 55626090 | |
Indeflator | Medtronic | AC3200 | Indeflator for stent balloon inflation and deflation |
Introducer sheath 5F | Cordis | 504605P | |
Introducer Sheath 6F | Cordis | 504606X | |
Ketalar | Pfizer | Ketamine | |
Microsurgical set | Mediq | FBL-SET | S&T , basic lab set for example |
Paraformaldehyde | VWR | VWRRC28794.295 | Prepare 1% and 4% solutions |
Propofol | B. Braun | ||
Suture | OneMed | JOH8685H | 5-0, nonresorbable |
Suture | OneMed | JOHFH1642H | 4-0 resorbable |
Technovit 9100 | Kulzer | ||
Ultrasound with linear transducer | Philips | ||
Vacuum chamber | SP Bel-Art | F42043-0000 | |
X-Ray contrast agent | Iomeron | ||
Xylene | Sigma-Aldrich | 534056 |
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