L’infarto miocardico acuto1 si verifica quando l’apporto di sangue a parte del muscolo cardiaco è gravemente ridotto o interrotto. I sopravvissuti dopo un grande infarto del miocardio hanno un alto rischio di insufficienza cardiaca cronica (CHF), con una prognosi sfavorevole. L’insufficienza cardiaca è una sindrome clinica iniziata dalla disfunzione cardiaca e seguita dall’attivazione di meccanismi compensatori come i sistemi simpatico-adrenale e renina-angiotensina-aldosterone. Apparentemente, l’attivazione dei meccanismi di compensazione durante la fase iniziale di CHF aiuta il cuore a compensare il deterioramento della funzione di pompaggio. Tuttavia, un’eccessiva attivazione sostenuta ha effetti deleteri sulla funzione cardiaca. Una volta che tale attivazione eccessiva, al contrario, peggiora la funzione cardiaca, scatena un’ulteriore attivazione di quei meccanismi compensatori, che, a sua volta, deteriora ulteriormente la funzione cardiaca. Questo meccanismo di feedback positivo porta il cuore al rimodellamento cardiaco decompensativo e all’insufficienza nella fase finale. Pertanto, il processo di disadattamento è una chiave della fisiopatologia di CHF.

Nel processo di disadattamento, il sistema nervoso autonomo cardiaco2,3 gioca anche un ruolo importante. L’evidenza clinica dello studio Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction (ATRAMI)4 e del Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II (CIBIS II)5 indica che la diminuzione dell’attività vagale cardiaca e l’aumento della frequenza cardiaca predicono un alto tasso di mortalità dell’CHF. Sulla base di questo corpus di conoscenze, sarebbe logico chiarire se l’aumento dell’attività vagale previene il rimodellamento cardiaco e la morte. Sul verificarsi di aritmie pericolose per la vita in ischemia acuta, l’effetto della stimolazione vagale è stato segnalato per prevenire la fibrillazione ventricolare nei cani.6 L’effetto antianginoso di stimolazione vagale è stato dimostrato anche in pazienti con malattia coronarica.7 Tuttavia, il suo effetto su CHF rimane sconosciuto. Pertanto, nel presente studio, abbiamo esaminato gli effetti della stimolazione vagale sul rimodellamento cardiaco dopo l’infarto miocardico di grandi dimensioni e sulla prognosi a lungo termine di CHF nei ratti.

Metodi

Infarto cardiaco sperimentale

La cura e l’uso degli animali erano in stretta conformità con i principi guida della Physiological Society of Japan. L’infarto miocardico del ventricolo sinistro è stato indotto dalla legatura dell’arteria coronaria in ratti maschi Sprague-Dawley di 8 settimane (SLC, Hamamatsu, Giappone). Il tasso di mortalità negli animali con infarto miocardico era ≈60% entro le prime 24 ore. Una settimana dopo, abbiamo controllato le dimensioni dell’infarto mediante ecocardiografia (SSA-380A, Toshiba), come descritto in precedenza.8 I ratti con area infartuata >40% della parete ventricolare sinistra sono stati arruolati nel presente studio. In sham-operato ratti, abbiamo legato debolmente una sutura per evitare l’occlusione dell’arteria coronaria. Abbiamo confermato la dimensione dell’infarto con l’esame post mortem.

Stimolazione del nervo vagale

Per stimolare il nervo vagale e per monitorare la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca nei ratti in movimento libero, abbiamo sviluppato un sistema remoto controllato da un computer (Figura 1). Il computer comanda un generatore di impulsi impiantabile e radiocontrollato (ISE1010C, Unimec) per stimolare il nervo vagale mentre rileva la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca attraverso un trasmettitore impiantabile (TA11PA-C40, Data Sciences International). Il generatore di impulsi in miniatura e il trasmettitore sono stati impiantati per via sottocutanea nell’addome 7 giorni dopo l’infarto miocardico. Un paio di fili di acciaio inossidabile rivestiti di teflon per la stimolazione elettrica sono stati avvolti intorno al nervo vagale destro nel collo; un tubo di teflon per la registrazione della pressione sanguigna è stato posizionato nell’aorta addominale.

Protocolli sperimentali

A 14 giorni dall’infarto miocardico, i sopravvissuti sono stati randomizzati in gruppi trattati con sham e stimolazione attiva. Nel gruppo trattato attivamente, abbiamo stimolato il nervo vagale con impulsi elettrici rettangolari della durata di 0,2ms a 20 Hz per 10 secondi ogni minuto per 6 settimane. La corrente elettrica degli impulsi è stata regolata per ogni ratto, in modo che la frequenza cardiaca fosse abbassata da 20 a 30 battiti al minuto. Questo ha portato a intervalli da 0,1 a 0,13 mA. La pressione sanguigna media e la frequenza cardiaca sono state registrate ogni minuto per 6 settimane. In uno studio preliminare, abbiamo confermato che la stimolazione vagale cronica a questa intensità non ha alterato il comportamento alimentare e non ha evocato alcun segno di reazione al dolore come un aumento del livello di epinefrina nel plasma.

Studio emodinamico e di rimodellamento

Per valutare l’effetto della stimolazione vagale sul rimodellamento cardiaco, alla fine del periodo di stimolazione di 6 settimane abbiamo misurato l’emodinamica e il peso del cuore dei ratti sottoposti a sham e sham-stimolati, dei ratti CHF non trattati e dei ratti CHF trattati. L’anestesia è stata mantenuta attraverso l’uso di 1.2% alotano durante le procedure chirurgiche e 0.6% alotano durante la registrazione dei dati. Ventricolare sinistro e pressioni arteriose sono state misurate con un 2F catetere con punta micromanometro (SPC-320, Millar Instruments). I segnali di pressione sono stati digitalizzati ad una velocità di 1 kHz per 5 minuti. Dopo la misurazione emodinamica, il cuore è stato escisso per la successiva determinazione delle dimensioni dell’infarto.

Prognosi e Studio Neurohormone

Per esaminare l’effetto della stimolazione vagale 6 settimane sulla prognosi, abbiamo osservato un tasso di sopravvivenza 20 settimane in ratti CHF trattati e non trattati. A causa della durata della batteria del generatore di impulsi impiantabile, il periodo di trattamento è stato limitato a 6 settimane. Ogni gabbia è stata ispezionata ogni giorno per il ratto che era morto. Il cuore è stato rimosso dall’animale morto per la successiva determinazione delle dimensioni dell’infarto.

Al termine del periodo di osservazione, il sangue per i saggi neuro-ormonali è stato campionato. Il ratto sopravvissuto è stato messo in un vaso di vetro, dove ha ispirato una miscela di alotano 1,2% in aria arricchita di ossigeno per 5-10 minuti. Per evitare la modifica degli stati neuroumorali da manipolazioni invasive, subito dopo l’induzione dell’anestesia, abbiamo raccolto rapidamente 3 mL di un campione di sangue dalla cavità ventricolare sinistra attraverso un approccio transtoracico senza misurare l’emodinamica. Dopo il prelievo di sangue, il cuore è stato escisso per la successiva determinazione delle dimensioni dell’infarto.

Le concentrazioni plasmatiche di norepinefrina sono state misurate mediante cromatografia liquida ad alte prestazioni con rilevamento elettrochimico. Livelli plasmatici di peptide natriuretico del cervello sono stati determinati da radioimmunodosaggio.

Determinazione delle dimensioni dell’infarto

Come descritto in precedenza,9 il ventricolo destro e il ventricolo sinistro compreso il setto interventricolare sono stati sezionati, separati e pesati. Il cuore è stato fissato in 10% di formalina tamponata. Il ventricolo sinistro è stato tagliato dall’apice alla base in 4 fette trasversali. Sezioni di 4 μm di spessore sono state tagliate e colorate con il metodo tricromico di Masson. Le immagini istologiche sono state digitalizzate attraverso un frame grabber e analizzate. La dimensione dell’infarto è stata calcolata dalle 4 fette dividendo la somma delle lunghezze endocardiche delle regioni infartuate per la somma delle circonferenze endocardiche totali.

Analisi statistica

Per i dati dello studio emodinamico e di rimodellamento, le differenze tra 3 gruppi sono stati testati da ANOVA, con un test di confronto multiplo Scheffé. Le differenze nella frequenza cardiaca prima e durante il trattamento in ogni gruppo sono state esaminate da un ANOVA a 1 via con misure ripetute, seguita da un test Dunnett post hoc.

Per i dati neuro-ormonali, le differenze tra due gruppi sono state esaminate da un test Mann-Whitney U. I dati di sopravvivenza sono presentati come curve di Kaplan-Meier; l’effetto del trattamento sulla sopravvivenza a 140 giorni è stato analizzato con un test esatto di Fisher. Le differenze sono state considerate significative ad un valore di P<0.05.

Risultati

Studio emodinamico e di rimodellamento

Anche se i ratti CHF (non trattati, n=13; trattati, n=11) avevano una frequenza cardiaca più alta dei ratti sham-operated (n=9) prima del trattamento, la stimolazione vagale ha rallentato significativamente la frequenza cardiaca dei ratti CHF (Figura 2). La differenza nella frequenza cardiaca tra ratti CHF non trattati e trattati ha raggiunto ≈40 battiti al minuto alla fine del trattamento (P<0.05). I ratti CHF avevano una pressione sanguigna significativamente più bassa, ma la stimolazione vagale non ha influenzato la pressione sanguigna durante il periodo di trattamento di 6 settimane (tabella).

In confronto ai ratti sham-operated, ratti CHF non trattati avevano bassa pressione sanguigna (Figura 3a), alta pressione end-diastolica ventricolare sinistra (LVEDP) (Figura 3b), un depresso massimo dp/dt della pressione ventricolare sinistra (LV + dp/dtmax) (Figura 3c), e un peso cardiaco aumentato (Figura 3d). D’altra parte, i ratti CHF trattati con stimolazione del nervo vagale aveva LVEDP significativamente inferiore (17.1±5.9 contro 23.5±4.2 mm Hg, P<0.05) e più alto LV + dp/dtmax (4152±237 contro 2987±192 mm Hg/s, P<0.05) rispetto ai ratti CHF non trattati. Il miglioramento della funzione di pompaggio nei ratti CHF trattati è stato accompagnato da una significativa diminuzione del peso biventricolare normalizzato (2,75±0,25 contro 3,14±0,22 g/kg, P<0,01). Non c’era una differenza significativa nelle dimensioni dell’infarto tra i ratti trattati e non trattati con CHF (53±7% contro 53±6%).

Studio di prognosi e neuroormone

Anche se 60 ratti con CHF dopo un grande infarto miocardico sono stati arruolati nello studio di prognosi, 8 dei 30 ratti assegnati al gruppo trattato sono stati esclusi dai risultati a causa della rottura dei fili degli elettrodi durante la stimolazione vagale per 6 settimane. La stimolazione del nervo vagale ha notevolmente soppresso il tasso di mortalità dei ratti con CHF (Figura 4); c’erano solo 3 morti tra i 22 ratti trattati contro 15 morti tra i 30 ratti non trattati (14% contro 50%, P=0,008). La terapia di stimolazione vagale ha ottenuto una riduzione del 73% del rapporto di rischio relativo di morte.

Visualizzato nella Figura 5, il miglioramento della sopravvivenza nei ratti CHF trattati è stato accompagnato da una significativa diminuzione del peso biventricolare normalizzato (2,63±0,38 contro 3,17±0,42 g/kg, P<0,01). Rispetto ai ratti CHF non trattati, i ratti CHF trattati avevano livelli inferiori di norepinefrina plasmatica (426±102 contro 1182±260 pg/mL, P<0.01) e peptide natriuretico cerebrale (251±31 contro 363±82 pg/mL, P<0.01). Non c’era alcuna differenza significativa nella dimensione dell’infarto tra i ratti trattati e non trattati CHF (54±8% contro 53±7%).

Discussione

La prognosi dei pazienti con CHF è ancora scarsa, anche se vari approcci terapeutici con un bloccante del recettore β-adrenergico,10,11 inibitore dell’enzima di conversione dell’angiotensina,12 bloccante del recettore dell’angiotensina,13 antagonista dell’aldosterone,14 e defibrillatore impiantabile15 sono attualmente disponibili. Pertanto, più efficace modalità di terapia è previsto.

I presenti risultati indicano che la stimolazione del nervo vagale notevolmente migliorato la sopravvivenza a lungo termine dei ratti CHF attraverso la prevenzione della progressione di insufficienza di pompaggio e rimodellamento cardiaco. L’obiettivo principale del presente studio era quello di testare l’ipotesi di lavoro che la stimolazione vagale a lungo termine può migliorare la sopravvivenza dei ratti CHF dopo un grande infarto miocardico, non di chiarire il meccanismo. Tuttavia, alcune considerazioni su questo tema sono garantiti.

E ‘concepibile che la stimolazione vagale può effettivamente interrompere il circolo vizioso che porta alla morte attraverso un effetto inibitorio sui rilasci di norepinefrina presinaptica e gli effetti soppressivi sulla cascata di segnalazione adrenergica attraverso interazioni G-proteine.16 Nei cuori umani, così come in quelli di diverse altre specie, i recettori muscarinici sono prevalentemente del sottotipo M2, che si accoppia attraverso una proteina G sensibile alla tossina pertussis per inibire l’adenil ciclasi. Nell’atrio, la stimolazione dei recettori muscarinici M2 causa effetti inotropi e cronotropi negativi diretti; nel ventricolo, d’altra parte, l’effetto inotropo negativo può essere raggiunto solo quando il livello basale di cAMP è elevato da agonisti β-adrenocettori. Questi meccanismi sono noti come antagonismo accentuato.

La stimolazione vagale è anche postulata per migliorare l’efficienza ventricolare rallentando la frequenza cardiaca.17 Burkhoff et al18 hanno dimostrato che l’efficienza ventricolare, cioè il rapporto tra il lavoro di corsa ventricolare e il consumo di ossigeno ventricolare, è regolata per essere massima in condizioni fisiologiche e che l’efficienza del cuore in crisi è più sensibile alle variazioni della frequenza cardiaca rispetto a quella del cuore normale. La prevenzione della tachicardia dopo l’infarto miocardico con la stimolazione vagale ottimizzerebbe l’efficienza del cuore in crisi e quindi proteggerebbe il cuore dal rimodellamento.

Apparentemente, la stimolazione vagale efferente è considerata agire sul ventricolo della CHF come un bloccante β-adrenergico. Tuttavia, nei ratti, la terapia di β-blocco piuttosto non è riuscito a esercitare un effetto benefico sul rimodellamento cardiaco o emodinamica dopo infarto miocardico (per la revisione, vedere Gaballa e Goldman19). Litwin et al20 hanno dimostrato che il trattamento cronico con propranololo non ha migliorato il rimodellamento cardiaco e ha peggiorato la funzione di pompaggio nei ratti con CHF postinfarto. Wei et al21 hanno anche dimostrato che il metoprololo ha peggiorato il rimodellamento ventricolare nei ratti CHF. Pertanto, oltre all’antagonismo contro gli effetti simpatici, azioni uniche di stimolazione vagale sarebbe importante nel fornire il risultato favorevole per i ratti CHF. Un effetto facilitatore della stimolazione vagale sul rilascio di ossido nitrico dall’endotelio coronarico potrebbe anche avere un’azione antiremodeling attraverso il miglioramento delle condizioni miocardiche vitali.22

Oltre agli effetti della stimolazione elettrica degli efferenti vagali sul cuore, gli effetti afferenti vagali7,23 sono anche considerati perché la stimolazione afferente sarebbe evocare riflesso cardiopolmonare e modulare l’attività neuronale in diversi nuclei ipotalamici coinvolti nella regolazione cardiovascolare. Come mostrato nella Figura 5c, la stimolazione vagale ha abbassato il livello di norepinefrina nel plasma. Pertanto, la terapia di stimolazione vagale terminerebbe il circolo vizioso del disadattamento nell’insufficienza cardiaca attraverso la soppressione dell’eccessiva attivazione cronica del sistema nervoso simpatico.24,25

Uno studio più recente di Guarini et al26 ha dimostrato che la stimolazione delle fibre vagali efferenti smorza l’attivazione del fattore nucleare-κB nel fegato attraverso i recettori nicotinici e quindi riduce la produzione epatica e il livello plasmatico di fattore di necrosi tumorale-α durante lo shock emorragico acuto. È stato riportato che questi fattori sono anche coinvolti nel rimodellamento cardiaco e nella cattiva prognosi dell’CHF.27 Pertanto, l’effetto epatico della stimolazione vagale impedirebbe il rimodellamento cardiaco e migliorerebbe la sopravvivenza dell’CHF.

Si è anche notato che la stimolazione vagale a breve termine per 6 settimane dopo l’infarto miocardico ha impedito il rimodellamento cardiaco a lungo termine (Figura 5a) e migliorato la sopravvivenza a lungo termine. Ci può essere un periodo critico durante il quale il trattamento a breve termine contro la disfunzione cardiaca e il rimodellamento garantirà la sopravvivenza a lungo termine di CHF.

Un lavoro pionieristico di Pfeffer et al28 ha esaminato l’effetto della terapia a lungo termine con captopril in ratti CHF dopo infarto miocardico. Oltre alla stimolazione vagale nel presente studio, la somministrazione orale di captopril è iniziata a 14 giorni dopo la legatura dell’arteria coronaria sinistra. Pfeffer et al hanno osservato la sopravvivenza di 1 anno e hanno scoperto che la sopravvivenza mediana era 146 e 181 giorni per i ratti CHF non trattati e trattati con grandi infarti, rispettivamente. Così, la curva di sopravvivenza dei ratti CHF non trattati con grandi infarti nel loro studio era abbastanza simile al nostro risultato di ratti CHF non trattati. D’altra parte, l’effetto del captopril sulla sopravvivenza nei ratti CHF con grandi infarti sembrava essere molto diverso da quello della stimolazione vagale. Circa il 40% dei ratti CHF trattati con captopril con grandi infarti sono morti a 140 giorni; la stimolazione vagale ha ridotto il tasso di mortalità a <20%. Pertanto, la terapia di stimolazione vagale può essere promettente per grave CHF dopo grande infarto miocardico.

Limitazioni

Gli effetti benefici della stimolazione vagale sulla funzione cardiaca, rimodellamento, e la sopravvivenza dei ratti CHF sono stati dimostrati nel presente studio. Tuttavia, la sua sicurezza e gli effetti avversi rimangono da chiarire. Il protocollo appropriato di trattamento è anche ancora incerto e dovrebbe essere studiato. Per stabilire la strategia terapeutica mostrato in questo studio, su larga scala, prove a lungo termine di stimolazione del nervo vagale con un modello animale di CHF sono necessari.

Implicazioni cliniche

I nostri studi precedenti9,29 indicato che un intervento farmacologico nel sistema nervoso centrale di ratti CHF impedito la progressione della disfunzione cardiaca e rimodellamento. La modalità terapeutica utilizzata nel presente studio ha anche portato una prognosi favorevole di CHF attraverso la manipolazione del tono autonomo attraverso meccanismi vagali efferenti e/o afferenti. Proponiamo quindi l’approccio dell’interfaccia neurale per ottimizzare il tono autonomo cardiaco per il trattamento dell’insufficienza cardiaca. Le tecnologie per materializzare questa strategia di interfaccia neurale30 utilizzando sistemi miniaturizzati totalmente impiantabili sono facilmente disponibili.31,32

Note