Akuutti sydäninfarkti1 tapahtuu, kun verenkierto sydänlihaksen osaan vähenee tai pysähtyy vakavasti. Suuren sydäninfarktin jälkeen eloonjääneillä on suuri riski sairastua krooniseen sydämen vajaatoimintaan, jonka ennuste on huono. Sydämen vajaatoiminta on kliininen oireyhtymä, joka alkaa sydämen toimintahäiriöstä ja jota seuraa kompensoivien mekanismien, kuten sympathoadrenaali- ja reniini-angiotensiini-aldosteronijärjestelmän, aktivoituminen. Ilmeisesti kompensoivien mekanismien aktivoituminen CHF:n varhaisvaiheessa auttaa sydäntä kompensoimaan pumppaustoiminnan heikkenemistä. Liiallisella jatkuvalla aktivoinnilla on kuitenkin haitallisia vaikutuksia sydämen toimintaan. Kun tällainen liiallinen aktivoituminen päinvastoin huonontaa sydämen toimintaa, se käynnistää näiden kompensoivien mekanismien lisäaktivoitumisen, mikä puolestaan huonontaa sydämen toimintaa entisestään. Tämä positiivinen takaisinkytkentämekanismi johtaa sydämen dekompensoivaan sydämen rakennemuutokseen ja loppuvaiheessa vajaatoimintaan. Siksi sopeutumishäiriöprosessi on keskeinen osa CHF:n patofysiologiaa.

Sopeutumishäiriöprosessissa myös sydämen autonomisella hermostolla2,3 on tärkeä rooli. Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction -tutkimuksesta (ATRAMI)4 ja Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II -tutkimuksesta (CIBIS II)5 saadut kliiniset todisteet osoittavat, että vähentynyt sydämen vagusaktiivisuus ja kohonnut syketaajuus ennustavat CHF:n korkeaa kuolleisuutta. Tämän tietämyksen perusteella olisi loogista selvittää, ehkäiseekö vagusaktiivisuuden lisääminen sydämen uudelleenmuodostusta ja kuolemaa. Hengenvaarallisten rytmihäiriöiden esiintymisestä akuutissa iskemiassa on raportoitu, että vagusstimulaation vaikutus ehkäisee kammiovärinää koirilla.6 Vagusstimulaation antiangulaarinen vaikutus on osoitettu myös sepelvaltimotautipotilailla.7 Sen vaikutusta CHF:hen ei kuitenkaan tunneta. Siksi tässä tutkimuksessa selvitimme vagusstimulaation vaikutuksia sydämen remodelingiin suuren sydäninfarktin jälkeen ja CHF:n pitkäaikaisennusteeseen rotilla.

Menetelmät

Kokeellinen sydämen vajaatoiminta

Eläinten hoito ja käyttö oli tiukasti Japanin fysiologisen seuran ohjaavien periaatteiden mukaista. Vasemman kammion sydäninfarkti aiheutettiin sepelvaltimon ligaatiolla 8 viikkoa vanhoilla urospuolisilla Sprague-Dawley-rotilla (SLC, Hamamatsu, Japani). Sydäninfarktin saaneiden eläinten kuolleisuus oli ≈60 % ensimmäisten 24 tunnin aikana. Viikkoa myöhemmin tarkistimme infarktin koon kaikukardiografialla (SSA-380A, Toshiba), kuten aiemmin on kuvattu.8 Rotat, joiden infarktin pinta-ala oli >40 % vasemman kammion seinämästä, otettiin mukaan tähän tutkimukseen. Sham-operoitujen rottien kohdalla sidoimme löyhästi ompeleen sepelvaltimon tukkeutumisen välttämiseksi. Vahvistimme infarktin koon post mortem -tutkimuksella.

Vagushermon stimulaatio

Vagushermon stimuloimiseksi ja verenpaineen ja sykkeen seuraamiseksi vapaasti liikkuvilla rotilla kehitimme tietokoneella ohjattavan etäjärjestelmän (kuva 1). Tietokone ohjaa implantoitavaa ja radio-ohjattua pulssigeneraattoria (ISE1010C, Unimec) stimuloimaan vagushermoa ja samalla mittaamaan verenpainetta ja sykettä implantoitavan lähettimen (TA11PA-C40, Data Sciences International) avulla. Pienoispulssigeneraattori ja lähetin istutettiin ihon alle vatsaan 7 päivää sydäninfarktin jälkeen. Teflonpäällysteiset ruostumattomasta teräksestä valmistetut sähköstimulaatiolangat pujotettiin oikean vagushermon ympärille kaulassa; verenpaineen rekisteröintiin tarkoitettu teflonputki asetettiin vatsa-aorttaan.

Kokeelliset protokollat

14 päivää sydäninfarktin jälkeen eloonjääneet satunnaistettiin ryhmiin, joita hoidettiin näennäis- ja aktiivisella stimulaatiolla. Aktiivisesti hoidetussa ryhmässä stimuloimme vagushermoa 0,2 ms:n kestoisilla suorakulmaisilla sähköpulsseilla 20 Hz:n taajuudella 10 sekunnin ajan minuutin välein 6 viikon ajan. Pulssien sähkövirta säädettiin kullekin rotalle siten, että syke laski 20-30 lyöntiä minuutissa. Tämä johti 0,1-0,13 mA:n vaihteluväleihin. Keskimääräinen verenpaine ja syke rekisteröitiin minuutin välein 6 viikon ajan. Alustavassa tutkimuksessa vahvistimme, että krooninen vagaalinen stimulaatio tällä intensiteetillä ei muuttanut ruokintakäyttäytymistä eikä aiheuttanut merkkejä kipureaktiosta, kuten plasman adrenaliinipitoisuuden nousua.

Hemodynaaminen ja remodeling-tutkimus

Arvioidaksemme vagaalisen stimulaation vaikutusta sydämen remodelingiin mittasimme 6 viikon stimulaatiojakson lopussa hemodynamiikan ja sydämen painon sham-operoitujen ja sham-stimuloitujen rottien, hoitamattomien CHF-rottien ja hoidettujen CHF-rottien osalta. Anestesiaa ylläpidettiin käyttämällä 1,2 % halotaania kirurgisten toimenpiteiden aikana ja 0,6 % halotaania tietojen tallennuksen aikana. Vasemman kammion ja valtimoiden paineet mitattiin 2F-katetrilla varustetulla mikromanometrillä (SPC-320, Millar Instruments). Painesignaalit digitoitiin 1 kHz:n taajuudella 5 minuutin ajan. Hemodynaamisen mittauksen jälkeen sydän leikattiin pois infarktin koon myöhempää määrittämistä varten.

Prognoosi- ja neurohormonitutkimus

Tutkittaessa 6 viikon vagaalisen stimulaation vaikutusta ennusteeseen havaitsimme 20 viikon eloonjäämisprosentin hoidetuilla ja hoitamattomilla CHF-rotilla. Istutettavan pulssigeneraattorin pariston käyttöiän vuoksi hoitojakso rajoitettiin 6 viikkoon. Jokainen häkki tarkastettiin päivittäin kuolleiden rottien varalta. Kuolleesta eläimestä poistettiin sydän, jotta infarktin koko voitiin myöhemmin määrittää.

Havaintojakson lopussa otettiin verinäyte neurohormonimäärityksiä varten. Eloonjäänyt rotta asetettiin lasipurkkiin, jossa se hengitti 1,2-prosenttista halotaaniseosta hapella rikastetussa ilmassa 5-10 minuutin ajan. Välttääksemme neurohumoraalisten tilojen muuttamisen invasiivisella manipuloinnilla, otimme välittömästi anestesian induktion jälkeen nopeasti 3 ml:n verinäytteen vasemman kammion ontelosta transthorakaalisen lähestymistavan kautta mittaamatta hemodynamiikkaa. Verinäytteenoton jälkeen sydän leikattiin pois infarktin koon myöhempää määrittämistä varten.

Noradrenaliinin pitoisuudet plasmassa mitattiin korkean suorituskyvyn nestekromatografialla, jossa oli sähkökemiallinen tunnistus. Aivojen natriureettisen peptidin pitoisuudet plasmassa määritettiin radioimmunomäärityksellä.

Infarktin koon määrittäminen

Kuten aiemmin on kuvattu,9 oikea kammio ja vasen kammio, mukaan lukien kammioväliseinä, leikattiin, erotettiin toisistaan ja punnittiin. Sydän kiinnitettiin 10-prosenttiseen puskuroituun formaliiniin. Vasen kammio leikattiin kärkipisteestä pohjaan neljäksi poikittaiseksi viipaleeksi. Leikattiin 4 μm paksuisia leikkeitä, jotka värjättiin Massonin trikromimenetelmällä. Histologiset kuvat digitoitiin kuvankaappauslaitteella ja analysoitiin. Infarktin koko laskettiin 4 viipaleesta jakamalla infarktin saaneiden alueiden endokardiaalisten pituuksien summa endokardiaalisten kokonaisympärysmittojen summalla.

Statistinen analyysi

Hämodynaamisen ja remodeling-tutkimuksen tietojen osalta 3 ryhmän väliset erot testattiin ANOVA-menetelmällä, jossa käytettiin Scheffén moninkertaisen vertailun testiä. Eroja sykkeissä ennen hoitoa ja hoidon aikana kussakin ryhmässä tutkittiin 1-suuntaisella ANOVA:lla toistetuilla mittauksilla, jota seurasi post hoc Dunnettin testi.

Neurohormonaalisten tietojen osalta kahden ryhmän välisiä eroja tutkittiin Mann-Whitneyn U-testillä. Eloonjäämistiedot esitetään Kaplan-Meierin käyrinä; hoidon vaikutus 140 päivän eloonjäämiseen analysoitiin Fisherin tarkalla testillä. Erot katsottiin merkitseviksi arvolla P<0.05.

Tulokset

Hemodynaaminen ja remodeling-tutkimus

Vaikka CHF-rottien (käsittelemättömät, n=13; käsitellyt, n=11) sydämen lyöntitiheys oli korkeampi kuin näennäisleikattujen rottien (n=9) ennen hoitoa, vagaalinen stimulaatio hidasti merkitsevästi CHF-rottien sydämen lyöntitiheyttä (kuva 2). Ero hoitamattomien ja hoidettujen CHF-rottien välisessä sykkeessä oli ≈40 lyöntiä minuutissa hoidon lopussa (P<0,05). CHF-rottien verenpaine oli huomattavasti alhaisempi, mutta vagaalinen stimulaatio ei vaikuttanut verenpaineeseen 6 viikon hoitojakson aikana (taulukko).

Vertailtuina näennäisleikattuihin rottiin, hoitamattomilla CHF-rotilla oli matala verenpaine (kuva 3a), korkea vasemman kammion loppudiastolinen paine (LVEDP) (kuva 3b), vasemman kammion paineen dp/dt-maksimi (LV+dp/dtmax) oli alentunut (kuva 3c) ja sydämen paino oli kasvanut (kuva 3d). Toisaalta vagushermostimulaatiolla hoidetuilla CHF-rotilla oli merkittävästi alhaisempi LVEDP (17,1±5,9 vs. 23,5±4,2 mm Hg, P<0,05) ja korkeampi LV+dp/dtmax (4152±237 vs. 2987±192 mm Hg/s, P<0,05) kuin hoitamattomilla CHF-rotilla. Hoidettujen CHF-rottien pumppaustoiminnan paranemiseen liittyi merkittävä normalisoidun biventrikulaarisen painon väheneminen (2,75±0,25 vs. 3,14±0,22 g/kg, P<0,01). Infarktin koossa ei ollut merkittävää eroa hoidettujen ja käsittelemättömien CHF-rottien välillä (53±7 % vs. 53±6 %).

Prognoosi- ja neurohormonitutkimus

Vaikka ennustetutkimukseen osallistui 60 rottaa, joilla oli CHF suuren sydäninfarktin jälkeen, hoidettuun ryhmään määrätyistä 30 rotasta 8 jätettiin pois tuloksista, koska elektrodijohdot katkeilivat vagaalisen stimulaation aikana 6 viikon ajan. Vagushermostimulaatio vähensi huomattavasti CHF-rottien kuolleisuutta (kuva 4); 22 hoidetun rotan joukossa oli vain 3 kuolemantapausta, kun taas 30 käsittelemättömän rotan joukossa oli 15 kuolemantapausta (14 % verrattuna 50 %:iin, P=0,008). Vagusstimulaatiohoidolla saavutettiin 73 %:n vähennys kuoleman suhteellisessa riskisuhteessa.

Kuvasta 5 nähdään, että hoidettujen CHF-rottien eloonjäämisen paranemiseen liittyi merkitsevä normalisoidun biventrikulaarisen painon väheneminen (2,63±0,38 vs. 3,17±0,42 g/kg, P<0,01). Verrattuna käsittelemättömiin CHF-rottiin, käsitellyillä CHF-rotilla oli alhaisemmat plasman noradrenaliinipitoisuudet (426±102 vs. 1182±260 pg/ml, P<0.01) ja aivojen natriureettisen peptidin pitoisuudet (251±31 vs. 363±82 pg/ml, P<0.01). Infarktin koossa ei ollut merkittävää eroa hoidettujen ja hoitamattomien CHF-rottien välillä (54±8 % vs. 53±7 %).

Keskustelu

Kammiovärinää sairastavien potilaiden ennuste on edelleen huono, vaikka erilaisia terapeuttisia lähestymistapoja, joissa käytetään β-adrenergisen reseptorin salpaajaa10,11 , angiotensiinikonvertaasientsyymin estäjää12 , angiotensiinireseptorin salpaajaa13 , aldosteroniantagonistia14 ja implantoitavaa defibrillaattoria15 , on tällä hetkellä saatavilla. Siksi odotetaan tehokkaampia hoitomuotoja.

Tämänhetkiset tulokset osoittavat, että vagushermostimulaatio paransi selvästi CHF-rottien pitkäaikaista eloonjäämistä ehkäisemällä pumppaushäiriön etenemistä ja sydämen uudelleenmuodostusta. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli testata työhypoteesia, jonka mukaan pitkäaikainen vagusstimulaatio voi parantaa CHF-rottien eloonjäämistä suuren sydäninfarktin jälkeen, ei selvittää mekanismia. Joitakin pohdintoja tästä asiasta on kuitenkin aiheellista esittää.

On ajateltavissa, että vagaalinen stimulaatio voi tehokkaasti katkaista kuolemaan johtavan noidankehän estävän vaikutuksen kautta presynaptisiin noradrenaliinipäästöihin ja tukahduttavien vaikutusten kautta adrenergiseen signalointikaskadiin G-proteiini-interaktioiden kautta.16. Ihmisen ja useiden muiden lajien sydämissä muskariinireseptorit ovat pääasiassa M2-alatyyppiä, joka kytkeytyy pertussistoksiinille herkän GI-proteiinin kautta estämään adenyylisyklaasia. Eteisessä muskariinisten M2-reseptorien stimulaatio aiheuttaa suoria negatiivisia inotrooppisia ja kronotrooppisia vaikutuksia; kammiossa negatiivinen inotrooppinen vaikutus voidaan toisaalta saavuttaa vain, kun β-adrenoseptoriagonistit nostavat cAMP:n perustasoa. Näitä mekanismeja kutsutaan korostuneeksi antagonismiksi.

Vagaalisen stimulaation oletetaan myös parantavan kammiotehokkuutta hidastamalla sykettä.17 Burkhoff ym.18 osoittivat, että kammiotehokkuus eli kammion iskutyön ja kammion hapenkulutuksen suhde on fysiologisissa olosuhteissa säädetty maksimaaliseksi ja että vajaatoimintahäiriöisen sydämen tehokkuus on herkempi sykkeen muutoksille kuin normaalin sydämen. Sydäninfarktin jälkeisen takykardian ehkäisy vagaalisella stimulaatiolla optimoisi vajaatoimintaisen sydämen hyötysuhteen ja suojaisi siten sydäntä uudelleenmuotoilulta.

Vagaalisen efferentin stimulaation katsotaan ilmeisesti vaikuttavan CHF:n kammioon β-adrenergisen salpaajan tavoin. Rotilla β-salpaajahoidolla ei kuitenkaan pikemminkin onnistuttu vaikuttamaan suotuisasti sydämen remodelingiin tai hemodynamiikkaan sydäninfarktin jälkeen (ks. katsaus Gaballa ja Goldman19). Litwin ja muut20 osoittivat, että krooninen propranololihoito ei parantanut sydämen uudelleenmuodostusta ja huononsi pumppaustoimintaa rotilla, joilla oli infarktin jälkeinen CHF. Wei ym.21 osoittivat myös, että metoprololi huononsi kammion uudelleenmuodostusta CHF-rotilla. Siksi sympaattisten vaikutusten vastaisen antagonismin lisäksi vagusstimulaation ainutlaatuiset vaikutukset olisivat tärkeitä CHF-rottien suotuisan lopputuloksen aikaansaamiseksi. Vagaalisen stimulaation helpottavalla vaikutuksella typpioksidin vapautumiseen sepelvaltimoiden endoteelistä voisi myös olla antiremodeling-vaikutus parantamalla elinkelpoisen sydänlihaksen olosuhteita.22

Vagaalisten efferenttien sähköisen stimulaation vaikutusten lisäksi sydämeen otetaan huomioon myös vagaaliset afferenttivaikutukset7,23 , koska afferenttinen stimulaatio herättäisi kardiopulmonaalisen refleksin ja moduloisi neuronaalista aktiviteettiä useissa kardiovaskulaariseen säätelyyn osallistuvissa hypotalamuksen ytimissä. Kuten kuvasta 5c käy ilmi, vagaalinen stimulaatio alensi plasman noradrenaliinitasoa. Näin ollen vagaalinen stimulaatiohoito lopettaisi CHF:n sopeutumishäiriöiden noidankehän tukahduttamalla sympaattisen hermoston kroonisen liiallisen aktivaation.24,25

Uudemmassa tutkimuksessa Guarini ym.26 osoittivat, että efferentin vagaalisen kuidun stimulaatio tyrehdyttää ydintekijä-κB:n aktivaatiota maksassa nikotiinireseptoreiden välityksellä, minkä jälkeen se vähentää maksan tuotantoa ja plasman kasvaininekroositekijä-α:n tasoa akuutin verenvuotosokin aikana. On raportoitu, että nämä tekijät osallistuvat myös sydämen remodelingiin ja CHF:n huonoon ennusteeseen.27 Siksi vagaalisen stimulaation maksavaikutus estäisi sydämen remodelingia ja parantaisi CHF:n eloonjäämistä.

On myös todettu, että lyhytaikainen vagaalinen stimulaatio 6 viikon ajan sydäninfarktin jälkeen esti sydämen pitkäaikaista remodelingia (kuva 5a) ja paransi pitkäaikaista eloonjäämistä. Saattaa olla olemassa kriittinen ajanjakso, jonka aikana sydämen toimintahäiriön ja remodelingin vastainen lyhytaikainen hoito varmistaa CHF:n pitkäaikaisen selviytymisen.

Pfefferin ym.28 pioneerityössä tutkittiin pitkäaikaisen kaptopriilihoidon vaikutusta CHF-rotilla sydäninfarktin jälkeen. Samoin kuin vagusstimulaatio tässä tutkimuksessa, kaptopriilin oraalinen anto aloitettiin 14 päivän kuluttua vasemman sepelvaltimon ligatoinnista. Pfeffer et al. tarkkailivat yhden vuoden elossaoloaikaa ja havaitsivat, että elossaolon mediaani oli 146 ja 181 päivää hoitamattomilla ja hoidetuilla CHF-rotilla, joilla oli suuri infarkti. Näin ollen heidän tutkimuksessaan hoitamattomien CHF-rottien, joilla oli suuri infarkti, eloonjäämiskäyrä oli melko samanlainen kuin meidän tuloksemme hoitamattomien CHF-rottien osalta. Toisaalta kaptopriilin vaikutus eloonjäämiseen CHF-rotilla, joilla oli suuret infarktit, näytti olevan paljon erilainen kuin vagusstimulaation vaikutus. Noin 40 % kaptopriililla hoidetuista CHF-rotista, joilla oli suuri infarkti, kuoli 140 päivän kuluttua; vagaalinen stimulaatio vähensi kuolleisuutta <20 %:iin. Siksi vagusstimulaatiohoito voi olla lupaava vaikean CHF:n hoidossa suuren sydäninfarktin jälkeen.

rajoitukset

Vagusstimulaation suotuisat vaikutukset CHF-rottien sydämen toimintaan, remodelingiin ja eloonjäämiseen osoitettiin tässä tutkimuksessa. Sen turvallisuus ja haittavaikutukset ovat kuitenkin edelleen epäselviä. Myös sopiva hoitoprotokolla on vielä selvittämättä, ja sitä olisi tutkittava. Tässä tutkimuksessa osoitetun hoitostrategian vakiinnuttamiseksi tarvitaan laajamittaisia, pitkäaikaisia vagushermostimulaatiokokeita CHF:n eläinmallilla.

Kliiniset vaikutukset

Aiemmat tutkimuksemme9,29 osoittivat, että CHF-rottien keskushermostoon kohdistuva farmakologinen interventio esti sydämen toimintahäiriön ja remodelingin etenemisen. Tässä tutkimuksessa käytetty hoitomuoto toi myös CHF:n suotuisan ennusteen manipuloimalla autonomista tonusta vagaalisten efferenttien ja/tai afferenttien mekanismien kautta. Siksi ehdotamme hermorajapinnan lähestymistapaa sydämen autonomisen sävyn optimoimiseksi CHF:n hoidossa. Teknologiat tämän hermorajapintastrategian30 toteuttamiseksi täysin implantoitavissa olevien miniatyyrijärjestelmien avulla ovat helposti saatavilla.31,32

Footnotes

.