Akut myokardieinfarkt1 opstår, når blodtilførslen til en del af hjertemusklen er stærkt reduceret eller stoppet. Overlevende efter et stort myokardieinfarkt har en høj risiko for kronisk hjertesvigt (CHF) med dårlig prognose. CHF er et klinisk syndrom, der indledes af hjertedysfunktion og efterfølges af aktivering af kompensationsmekanismer såsom sympathoadrenal- og renin-angiotensin-aldosteronsystemet. Tilsyneladende hjælper aktivering af kompenserende mekanismer i den tidlige fase af hjerteinsufficiens hjertet med at kompensere for den forringede pumpefunktion. Overdreven vedvarende aktivering har imidlertid skadelige virkninger på hjertefunktionen. Når en sådan overdreven aktivering tværtimod forværrer hjertefunktionen, udløser den yderligere aktivering af disse kompenserende mekanismer, hvilket igen forværrer hjertefunktionen yderligere. Denne positive feedback-mekanisme fører til dekompensatorisk remodellering af hjertet og til hjertesvigt i slutfasen. Derfor er maladaptationsprocessen en nøgle til patofysiologien ved hjerteinsufficiens.

I maladaptationsprocessen spiller det hjertets autonome nervesystem2,3 også en vigtig rolle. Klinisk dokumentation fra undersøgelsen Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction (ATRAMI)4 og Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II (CIBIS II)5 viser, at nedsat vagal aktivitet i hjertet og øget hjertefrekvens forudsiger en høj dødelighed ved hjerteinsufficiens. På baggrund af denne viden ville det være logisk at afklare, om en forøgelse af den vagale aktivitet forhindrer kardiel remodellering og død. Ved forekomsten af livstruende arytmier ved akut iskæmi er effekten af vagal stimulation blevet rapporteret til at forhindre ventrikelflimmer hos hunde.6 Den antianginale effekt af vagal stimulation er også blevet påvist hos patienter med koronararteriesygdom.7 Effekten på CHF er imidlertid fortsat ukendt. Derfor undersøgte vi i den foreliggende undersøgelse virkningerne af vagal stimulation på hjertemodellering efter stort myokardieinfarkt og på langtidsprognosen for CHF hos rotter.

Metoder

Experimentel hjertesvigt

Pleje og brug af dyrene var i nøje overensstemmelse med de vejledende principper fra Physiological Society of Japan. Venstre ventrikulær myokardieinfarkt blev induceret ved koronararterieligation hos 8 uger gamle han Sprague-Dawley-rotter (SLC, Hamamatsu, Japan). Dødeligheden hos dyr med myokardieinfarkt var ≈60% inden for de første 24 timer. En uge senere kontrollerede vi infarktstørrelsen ved ekkokardiografi (SSA-380A, Toshiba), som tidligere beskrevet.8 Rotterne med infarktområde >40% af venstre ventrikelvæg blev indskrevet i den nuværende undersøgelse. I sham-opererede rotter bandt vi løst en sutur for at undgå koronararterieokklusion. Vi bekræftede infarktstørrelsen ved post mortem-undersøgelse.

Vagal nervestimulering

For at stimulere den vagale nerve og overvåge blodtryk og hjertefrekvens hos frit bevægelige rotter udviklede vi et fjernstyret system, der styres af en computer (Figur 1). Computeren kommanderer en implantabel og radiostyret pulsgenerator (ISE1010C, Unimec) til at stimulere den vagale nerve, samtidig med at blodtryk og hjertefrekvens registreres via en implantabel sender (TA11PA-C40, Data Sciences International). Miniatureimpulsgeneratoren og senderen blev subkutant implanteret i maven 7 dage efter myokardieinfarktet. Et par teflonbelagte rustfrie ståltråde til elektrisk stimulering blev sløjfet omkring den højre vagale nerve i nakken; et teflonrør til blodtryksregistrering blev anbragt i den abdominale aorta.

Eksperimentelle protokoller

14 dage efter myokardieinfarkt blev de overlevende randomiseret i grupper, der blev behandlet med sham- og aktiv stimulering. I den aktivt behandlede gruppe stimulerede vi den vagale nerve med elektriske rektangulære impulser af 0,2 ms varighed ved 20 Hz i 10 sekunder hvert minut i 6 uger. Den elektriske strøm af pulserne blev justeret for hver enkelt rotte, således at hjertefrekvensen blev sænket med 20 til 30 slag pr. minut. Dette resulterede i intervaller på 0,1 til 0,13 mA. Gennemsnitligt blodtryk og hjertefrekvens blev registreret hvert minut i 6 uger. I en foreløbig undersøgelse bekræftede vi, at kronisk vagalstimulering ved denne intensitet ikke ændrede fodringsadfærd og ikke fremkaldte tegn på smertereaktion som f.eks. en stigning i plasma-epinefrinniveauet.

Hemodynamisk og remodelleringsundersøgelse

For at evaluere effekten af vagal stimulation på hjertemodellering målte vi ved afslutningen af den 6 ugers stimulationsperiode hæmodynamikken og hjertevægten hos sham-opererede og sham-stimulerede rotter, ubehandlede CHF-rotter og behandlede CHF-rotter. Anæstesi blev opretholdt ved brug af 1,2 % halothan under kirurgiske procedurer og 0,6 % halothan under dataregistrering. Venstre ventrikulært og arterielt tryk blev målt med et 2F kateterspidset mikromanometer (SPC-320, Millar Instruments). Tryksignalerne blev digitaliseret med en hastighed på 1 kHz i 5 minutter. Efter hæmodynamisk måling blev hjertet udskåret til efterfølgende bestemmelse af infarktstørrelse.

Prognose og neurohormonundersøgelse

For at undersøge effekten af 6 ugers vagal stimulation på prognosen observerede vi en 20 ugers overlevelsesrate hos behandlede og ubehandlede CHF rotter. På grund af batteriets levetid i den implanterbare pulsgenerator var behandlingsperioden begrænset til 6 uger. Hvert bur blev inspiceret dagligt for at finde den rotte, der var død. Hjertet blev fjernet fra det døde dyr med henblik på efterfølgende bestemmelse af infarktstørrelsen.

I slutningen af observationsperioden blev der udtaget blodprøver til neurohormonanalyser. Den overlevende rotte blev anbragt i en glaskrukke, hvor den indåndede en blanding af 1,2 % halothan i iltberiget luft i 5 til 10 minutter. For at undgå ændring af neurohumorale tilstande ved invasiv manipulation indsamlede vi umiddelbart efter induktion af anæstesi hurtigt 3 mL af en blodprøve fra venstre ventrikelhule gennem en transthorakal tilgang uden at måle hæmodynamikken. Efter blodprøvetagning blev hjertet udskåret med henblik på efterfølgende bestemmelse af infarktstørrelse.

Plasmakoncentrationer af noradrenalin blev målt ved højtryksvæskekromatografi med elektrokemisk detektion. Plasmakoncentrationerne af hjernenatriuretisk peptid blev bestemt ved radioimmunoassay.

Bestemmelse af infarktstørrelse

Som tidligere beskrevet9 blev højre ventrikel og venstre ventrikel, herunder det interventrikulære septum, dissekeret, adskilt og vejet. Hjertet blev fikseret i 10 % buffered formalin. Venstre ventrikel blev skåret fra apex til base i 4 tværgående skiver. Der blev skåret 4 μm tykke snit, som blev farvet med Masson-trichrom-metoden. Histologiske billeder blev digitaliseret ved hjælp af en frame grabber og analyseret. Infarktstørrelsen blev beregnet ud fra de 4 skiver ved at dividere summen af de infarkte regioners endokardiale længder med summen af de samlede endokardiale omkredse.

Statistisk analyse

For data fra den hæmodynamiske og remodelleringsundersøgelse blev forskelle mellem 3 grupper testet ved ANOVA med en Scheffé multiple sammenligningstest. Forskelle i hjertefrekvenser før og under behandlingen i hver gruppe blev undersøgt ved en 1-vejs ANOVA med gentagne målinger, efterfulgt af en post hoc Dunnett-test.

For en neurohormonal data blev forskelle mellem to grupper undersøgt ved en Mann-Whitney U-test. Overlevelsesdata er præsenteret som Kaplan-Meier-kurver; effekten af behandlingen på 140-dages-overlevelsen blev analyseret ved en Fisher exact-test. Forskelle blev betragtet som signifikante ved en værdi på P<0,05.

Resultater

Hemodynamisk og remodelleringsundersøgelse

Selv om CHF-rotter (ubehandlede, n=13; behandlede, n=11) havde en højere hjertefrekvens end sham-opererede rotter (n=9) før behandlingen, sænkede vagal stimulation signifikant hjertefrekvensen hos CHF-rotterne (Figur 2). Forskellen i hjertefrekvens mellem ubehandlede og behandlede CHF-rotter nåede ≈40 slag pr. minut ved afslutningen af behandlingen (P<0,05). CHF-rotter havde et betydeligt lavere blodtryk, men den vagale stimulering påvirkede ikke blodtrykket i løbet af den 6 ugers behandlingsperiode (tabel).

Ved sammenligning med sham-opererede rotter, ubehandlede CHF-rotter havde lavt blodtryk (figur 3a), højt venstre ventrikulært endediastolisk tryk (LVEDP) (figur 3b), et nedtrykt maksimalt dp/dt af venstre ventrikulært tryk (LV+dp/dtmax) (figur 3c) og en øget hjertevægt (figur 3d). På den anden side havde CHF-rotter, der blev behandlet med vagal nervestimulering, signifikant lavere LVEDP (17,1±5,9 versus 23,5±4,2 mm Hg, P<0,05) og højere LV+dp/dtmax (4152±237 versus 2987±192 mm Hg/s, P<0,05) end ubehandlede CHF-rotter. Forbedring af pumpefunktionen hos behandlede CHF-rotter blev ledsaget af et signifikant fald i den normaliserede biventrikulære vægt (2,75±0,25 versus 3,14±0,22 g/kg, P<0,01). Der var ingen signifikant forskel i infarktstørrelse mellem behandlede og ubehandlede CHF-rotter (53±7% versus 53±6%).

Prognose- og neurohormonundersøgelse

Og selv om 60 rotter med CHF efter stort myokardieinfarkt blev indskrevet i prognosestudiet, blev 8 af de 30 rotter, der blev tildelt den behandlede gruppe, udelukket fra resultaterne på grund af nedbrydning af elektrodetrådene under vagal stimulation i 6 uger. Vagal nervestimulering undertrykte markant dødeligheden hos CHF-rotterne (figur 4); der var kun 3 dødsfald blandt de 22 behandlede rotter mod 15 dødsfald blandt de 30 ubehandlede rotter (14 % mod 50 %, P=0,008). Vagal stimulationsbehandling opnåede en 73% reduktion i en relativ risikokvotient for død.

Vejlet i figur 5 var forbedring af overlevelsen hos behandlede CHF-rotter ledsaget af et signifikant fald i den normaliserede biventrikulære vægt (2,63±0,38 mod 3,17±0,42 g/kg, P<0,01). Sammenlignet med ubehandlede CHF-rotter havde behandlede CHF-rotter lavere niveauer af plasma-norepinephrin (426±102 versus 1182±260 pg/mL, P<0.01) og brain natriuretic peptide (251±31 versus 363±82 pg/mL, P<0.01). Der var ingen signifikant forskel i infarktstørrelse mellem behandlede og ubehandlede CHF-rotter (54±8% mod 53±7%).

Diskussion

Prognosen for patienter med CHF er stadig dårlig, selv om forskellige terapeutiske tilgange med en β-adrenerge receptorblokker,10,11 angiotensin-konverterende enzym-hæmmer,12 angiotensinreceptorblokker,13 aldosteronantagonist,14 og implantabel defibrillator15 i øjeblikket er til rådighed. Der forventes derfor en mere effektiv behandlingsform.

De foreliggende resultater tyder på, at vagal nervestimulering markant forbedrede langtidsoverlevelsen af CHF-rotter gennem forebyggelse af progressionen af pumpesvigt og kardiel remodellering. Hovedformålet med den foreliggende undersøgelse var at teste arbejdshypotesen om, at langvarig vagal stimulation kan forbedre overlevelsen af CHF-rotter efter stort myokardieinfarkt, ikke at klarlægge mekanismen. Det er dog berettiget at gøre sig nogle overvejelser om dette spørgsmål.

Det er tænkeligt, at vagal stimulation effektivt kan afbryde den onde cirkel, der fører til døden, gennem en hæmmende virkning på presynaptisk noradrenalinfrigivelse og undertrykkende virkninger på den adrenerge signalkaskade gennem G-proteininteraktioner.16 I menneskets hjerte såvel som i flere andre arters hjerter er muskarinreceptorer overvejende af M2-subtypen, som via et pertussistoksin-følsomt GI-protein kobler sig til at hæmme adenylcyklase. I atrium forårsager stimulering af muscariniske M2-receptorer direkte negative inotropiske og kronotropiske virkninger; I ventriklen kan den negative inotrope effekt derimod kun opnås, når basalniveauet af cAMP forhøjes af β-adrenoceptoragonister. Disse mekanismer er kendt som accentueret antagonisme.

Vagal stimulering postuleres også at forbedre den ventrikulære effektivitet ved at sænke hjertefrekvensen.17 Burkhoff et al18 viste, at den ventrikulære effektivitet, dvs. forholdet mellem ventrikulært slagarbejde og ventrikulært iltforbrug, er tilpasset til at være maksimal under fysiologiske forhold, og at effektiviteten af det svigtende hjerte er mere følsom over for ændringer i hjertefrekvensen end det normale hjertes effektivitet. Forebyggelse af takykardi efter myokardieinfarkt ved vagal stimulation ville optimere det svigtende hjertes effektivitet og dermed beskytte hjertet mod remodellering.

Da vagal efferent stimulation tilsyneladende anses for at virke på hjertekammeret ved hjerteinsufficiens som en β-adrenerge blocker. Hos rotter har β-blokadebehandling imidlertid snarere ikke udøvet en gavnlig virkning på den kardiale remodellering eller hæmodynamikken efter myokardieinfarkt (for gennemgang, se Gaballa og Goldman19). Litwin et al20 viste, at kronisk behandling med propranolol ikke forbedrede hjertets remodellering og forværrede pumpefunktionen hos rotter med hjerteinsufficiens efter infarkt. Wei et al21 viste også, at metoprolol forværrede den ventrikulære remodellering hos CHF-rotter. Ud over antagonisme mod sympatiske virkninger ville unikke virkninger af vagal stimulering derfor være vigtige for at opnå et gunstigt resultat for CHF-rotter. En faciliterende virkning af vagal stimulation på frigivelse af nitrogenoxid fra koronarendothelet kunne også have en antiremodellerende virkning gennem forbedring af de levedygtige myokardieforhold.22

Ud over virkningerne af elektrisk stimulation af vagale efferenter på hjertet overvejes også vagale afferente virkninger7,23 , fordi afferent stimulation ville fremkalde kardiopulmonale reflekser og modulere neuronal aktivitet i flere hypothalamiske kerner, der er involveret i kardiovaskulær regulering. Som det fremgår af figur 5c, sænkede vagal stimulering plasma-norepinephrinniveauet. Derfor ville vagal stimulationsbehandling afslutte den onde cirkel af maladaptation i CHF gennem undertrykkelse af kronisk overdreven aktivering af det sympatiske nervesystem.24,25

En nyere undersøgelse af Guarini et al26 har vist, at efferent vagal fiberstimulering afbøder aktivering af nuklear faktor-κB i leveren gennem nikotinreceptorer og derefter reducerer den hepatiske produktion og plasmaniveauet af tumor necrosis factor-α under akut hæmoragisk chok. Det er blevet rapporteret, at disse faktorer også er involveret i kardiel remodellering og den dårlige prognose for CHF.27 Derfor ville den hepatiske effekt af vagal stimulation forhindre kardiel remodellering og forbedre overlevelsen af CHF.

Det er også bemærket, at kortvarig vagal stimulation i 6 uger efter myokardieinfarkt forhindrede langsigtet kardiel remodellering (Figur 5a) og forbedrede langtidsoverlevelsen. Der kan være en kritisk periode, hvor kortvarig behandling mod kardiel dysfunktion og remodellering vil sikre langtidsoverlevelsen af CHF.

Et pionerarbejde af Pfeffer et al28 undersøgte effekten af langtidsbehandling med captopril hos CHF-rotter efter myokardieinfarkt. Ligesom vagal stimulering i den foreliggende undersøgelse startede oral captopriladministration 14 dage efter ligation af venstre koronararterie. Pfeffer et al. observerede 1-årsoverlevelsen og fandt, at medianoverlevelsen var 146 og 181 dage for henholdsvis ubehandlede og behandlede CHF-rotter med store infarkter. Således var overlevelseskurven for ubehandlede CHF-rotter med store infarkter i deres undersøgelse ganske lig vores resultat for ubehandlede CHF-rotter. På den anden side syntes effekten af captopril på overlevelsen hos CHF-rotter med store infarkter at være meget forskellig fra effekten af vagal stimulering. Ca. 40 % af captoprilbehandlede CHF-rotter med store infarkter døde efter 140 dage; vagal stimulering reducerede dødeligheden til <20 %. Derfor kan vagalstimuleringsbehandling være lovende for alvorlig CHF efter stort myokardieinfarkt.

Begrænsninger

De gavnlige virkninger af vagalstimulering på hjertefunktion, remodellering og overlevelse af CHF-rotter blev vist i den foreliggende undersøgelse. Imidlertid er dens sikkerhed og negative virkninger fortsat uklare. Den passende behandlingsprotokol er også stadig uafklaret og bør undersøges. For at etablere den terapeutiske strategi, der er vist i denne undersøgelse, er der behov for omfattende langtidsforsøg med vagal nervestimulering med en dyremodel af CHF.

Kliniske implikationer

Vores tidligere undersøgelser9,29 viste, at en farmakologisk intervention i det centrale nervesystem hos CHF-rotter forhindrede progressionen af kardiel dysfunktion og remodellering. Den terapeutiske modalitet, der blev anvendt i den foreliggende undersøgelse, gav også en gunstig prognose for CHF ved manipulation af den autonome tone gennem vagale efferente og/eller afferente mekanismer. Vi foreslår derfor en tilgang med neurale grænseflader til optimering af den autonome tone i hjertet med henblik på behandling af hjerteinsufficiens. Teknologier til materialisering af denne neurale grænsefladestrategi30 ved hjælp af totalt implantable miniaturiserede systemer er let tilgængelige.31,32

Fodnoter