Acuut myocardinfarct1 treedt op wanneer de bloedtoevoer naar een deel van de hartspier sterk verminderd of gestopt is. Overlevenden na een groot myocardinfarct hebben een hoog risico op chronisch hartfalen (CHF), met een slechte prognose. Hartinsufficiëntie is een klinisch syndroom dat wordt geïnitieerd door hartdysfunctie en gevolgd door activering van compensatoire mechanismen zoals het sympathoadrenale en het renine-angiotensine-aldosteronsysteem. Blijkbaar helpt activering van compensatiemechanismen tijdens de vroege fase van hartinsufficiëntie het hart om de verslechterende pompfunctie te compenseren. Overmatige aanhoudende activering heeft echter nadelige gevolgen voor de hartfunctie. Zodra een dergelijke overmatige activering de hartfunctie juist verslechtert, leidt dit tot verdere activering van die compensatiemechanismen, die op hun beurt de hartfunctie verder verslechteren. Dit positieve terugkoppelingsmechanisme leidt het hart tot decompensatoire cardiale remodellering en falen in het eindstadium. Daarom is het maladaptatie proces een sleutel van de pathofysiologie van CHF.

In het maladaptatie proces speelt het cardiale autonome zenuwstelsel2,3 ook een belangrijke rol. Klinisch bewijs uit de Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction studie (ATRAMI)4 en de Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II (CIBIS II)5 geeft aan dat verminderde cardiale vagale activiteit en verhoogde hartslag een hoog sterftecijfer van CHF voorspellen. Op basis van deze kennis zou het logisch zijn om na te gaan of verhoging van de vagale activiteit de cardiale remodellering en het overlijden voorkomt. Wat betreft het optreden van levensbedreigende aritmieën bij acute ischemie, is het effect van vagale stimulatie gerapporteerd om ventrikelfibrilleren bij honden te voorkomen.6 Het antianginale effect van vagale stimulatie is ook aangetoond bij patiënten met coronaire hartziekte.7 Echter, het effect op CHF blijft onbekend. Daarom onderzochten we in de huidige studie de effecten van vagale stimulatie op de cardiale remodellering na een groot myocardinfarct en op de lange-termijn prognose van hartinsufficiëntie bij ratten.

Methoden

Experimenteel hartfalen

De verzorging en het gebruik van de dieren waren in strikte overeenstemming met de richtlijnen van de Physiological Society of Japan. Links ventrikel myocardiaal infarct werd geïnduceerd door kransslagader ligatie bij 8 weken oude mannelijke Sprague-Dawley ratten (SLC, Hamamatsu, Japan). Het sterftecijfer bij dieren met myocardinfarct was ≈60% binnen de eerste 24 uur. Een week later controleerden we de infarctgrootte door echocardiografie (SSA-380A, Toshiba), zoals eerder beschreven.8 De ratten met geïnfarcteerde gebied >40% van de linker ventrikelwand werden ingeschreven in de huidige studie. In sham-geopereerde ratten, we losjes gebonden een hechtdraad om kransslagader occlusie te voorkomen. We bevestigden de infarctgrootte door postmortaal onderzoek.

Vagale zenuwstimulatie

Om de nervus vagus te stimuleren en de bloeddruk en hartslag te controleren in vrij bewegende ratten, ontwikkelden we een systeem op afstand bestuurd door een computer (figuur 1). De computer beveelt een implanteerbare en radiogestuurde pulsgenerator (ISE1010C, Unimec) om de nervus vagus te stimuleren, terwijl de bloeddruk en de hartslag worden gemeten via een implanteerbare zender (TA11PA-C40, Data Sciences International). De miniatuur pulsgenerator en zender werden subcutaan geïmplanteerd in de buik op 7 dagen na myocardinfarct. Een paar met teflon beklede roestvrijstalen draden voor elektrische stimulatie werden in een lus rond de rechter nervus vagus in de hals gelegd; een teflon buisje voor bloeddrukregistratie werd in de abdominale aorta geplaatst.

Experimentele Protocollen

Op 14 dagen na het myocardinfarct werden de overlevenden gerandomiseerd in groepen die werden behandeld met sham- en actieve stimulatie. In de actief behandelde groep stimuleerden we de nervus vagus met elektrische rechthoekige pulsen van 0,2 ms duur bij 20 Hz gedurende 10 seconden elke minuut gedurende 6 weken. De elektrische stroom van de pulsen werd aangepast voor elke rat, zodat de hartslag werd verlaagd met 20 tot 30 slagen per minuut. Dit resulteerde in een bereik van 0,1 tot 0,13 mA. Gemiddelde bloeddruk en hartslag werden elke minuut geregistreerd gedurende 6 weken. In een voorlopige studie bevestigden we dat de chronische vagale stimulatie bij deze intensiteit het eetgedrag niet veranderde en geen tekenen van pijnreactie opriep, zoals een verhoging van het plasma epinefrine niveau.

Hemodynamische en Remodeling Studie

Om het effect van vagale stimulatie op cardiale remodellering te evalueren, hebben we aan het eind van de 6 weken durende stimulatieperiode de hemodynamiek en het hartgewicht gemeten van sham-geopereerde en sham-gestimuleerde ratten, onbehandelde CHF ratten, en behandelde CHF ratten. Anesthesie werd gehandhaafd door het gebruik van 1,2% halothaan tijdens chirurgische procedures en 0,6% halothaan tijdens het opnemen van gegevens. Linker ventrikel en arteriële druk werden gemeten met een 2F katheter getipte micromanometer (SPC-320, Millar Instruments). Druksignalen werden gedigitaliseerd met een snelheid van 1 kHz gedurende 5 minuten. Na hemodynamische meting, werd het hart uitgesneden voor de daaropvolgende bepaling van infarctgrootte.

Prognose en Neurohormoon Studie

Om het effect van 6-weekse vagale stimulatie op de prognose te onderzoeken, observeerden we een 20-weekse overleving in behandelde en onbehandelde CHF ratten. Vanwege de levensduur van de batterij van de implanteerbare pulsgenerator, werd de behandelingsperiode beperkt tot 6 weken. Elke kooi werd dagelijks geïnspecteerd op de rat die was overleden. Het hart werd verwijderd van het dode dier voor de daaropvolgende bepaling van de grootte van het infarct.

Aan het einde van de observatieperiode werd bloed voor neurohormoonbepalingen bemonsterd. De overlevende rat werd geplaatst in een glazen pot, waar het inspireerde een mengsel van 1,2% halothaan in zuurstof-verrijkte lucht gedurende 5 tot 10 minuten. Om de wijziging van neurohumorale toestanden door invasieve manipulatie te voorkomen, onmiddellijk na de inductie van anesthesie, we snel verzameld 3 mL van een bloedmonster van de linker ventrikel holte door middel van een transthoracale benadering zonder het meten van hemodynamica. Na de bloedafname, werd het hart uitgesneden voor de daaropvolgende bepaling van de infarctgrootte.

Plasmaconcentraties van noradrenaline werden gemeten door middel van high-performance vloeistofchromatografie met elektrochemische detectie. Plasma niveaus van de hersenen natriuretisch peptide werden bepaald door radio-immunoassay.

Bepaling van de infarctgrootte

Zoals eerder beschreven,9 de rechter ventrikel en de linker ventrikel met inbegrip van de interventriculaire septum werden ontleed, gescheiden, en gewogen. Het hart werd gefixeerd in 10% gebufferde formaline. De linker ventrikel werd gesneden van apex naar basis in 4 transversale plakjes. Secties 4 pm dik werden gesneden en gekleurd door Masson trichroom methode. Histologische beelden werden gedigitaliseerd door middel van een frame grabber en geanalyseerd. Infarctgrootte werd berekend uit de 4 plakjes door de som van de endocardiale lengte van de geïnfarcteerde regio’s delen door de som van de totale endocardiale circumferences.

Statistische analyse

Voor gegevens van de hemodynamische en remodeling studie, werden verschillen tussen 3 groepen getest door ANOVA, met een Scheffé multiple vergelijking test. Verschillen in hartfrequentie voor en tijdens de behandeling in elke groep werden onderzocht door een 1-weg ANOVA met herhaalde maatregelen, gevolgd door een post hoc Dunnett test.

Voor neurohormonale gegevens werden verschillen tussen twee groepen onderzocht door een Mann-Whitney U test. Overlevingsgegevens worden gepresenteerd als Kaplan-Meier curven; het effect van de behandeling op de 140-dagen overleving werd geanalyseerd met een Fisher exact test. Verschillen werden als significant beschouwd bij een waarde van P<0.05.

Results

Hemodynamic and Remodeling Study

Hoewel CHF ratten (onbehandeld, n=13; behandeld, n=11) een hogere hartslag hadden dan sham-geopereerde ratten (n=9) vóór de behandeling, vertraagde vagale stimulatie de hartslag van CHF ratten aanzienlijk (figuur 2). Het verschil in hartslag tussen onbehandelde en behandelde CHF ratten bereikte ≈40 slagen per minuut aan het einde van de behandeling (P<0,05). De CHF-ratten hadden een significant lagere bloeddruk, maar de vagale stimulatie had geen invloed op de bloeddruk gedurende de behandelingsperiode van 6 weken (tabel).

Vergeleken met sham-geopereerde ratten, onbehandelde CHF ratten hadden een lage bloeddruk (figuur 3a), hoge linker ventrikel end-diastolische druk (LVEDP) (figuur 3b), een gedeprimeerde maximale dp / dt van de linker ventrikel druk (LV + dp / dtmax) (figuur 3c), en een verhoogd hartgewicht (figuur 3d). Aan de andere kant hadden CHF ratten die behandeld werden met nervus vagus stimulatie een significant lagere LVEDP (17.1±5.9 versus 23.5±4.2 mm Hg, P<0.05) en een hogere LV+dp/dtmax (4152±237 versus 2987±192 mm Hg/s, P<0.05) dan onbehandelde CHF ratten. Verbetering van de pompfunctie in behandelde CHF-ratten ging gepaard met een significante afname van het genormaliseerde biventriculaire gewicht (2,75±0,25 versus 3,14±0,22 g/kg, P<0,01). Er was geen significant verschil in infarctgrootte tussen behandelde en onbehandelde CHF-ratten (53±7% versus 53±6%).

Prognose en neurohormoonstudie

Hoewel 60 ratten met CHF na een groot myocardinfarct werden ingeschreven voor de prognosestudie, werden 8 van de 30 ratten die werden toegewezen aan de behandelde groep uitgesloten van de resultaten vanwege het afbreken van de elektrodedraden tijdens vagale stimulatie gedurende 6 weken. Vagale zenuwstimulatie onderdrukte duidelijk het sterftecijfer van CHF ratten (figuur 4); er waren slechts 3 sterfgevallen onder de 22 behandelde ratten versus 15 sterfgevallen onder de 30 onbehandelde ratten (14% versus 50%, P = 0,008). Vagale stimulatie therapie bereikte een 73% reductie in een relatieve risicoratio van overlijden.

Zo te zien in figuur 5, ging de verbetering van de overleving bij behandelde CHF-ratten gepaard met een significante afname van het genormaliseerde biventriculaire gewicht (2,63±0,38 versus 3,17±0,42 g/kg, P<0,01). In vergelijking met onbehandelde CHF-ratten hadden behandelde CHF-ratten lagere niveaus van plasma noradrenaline (426±102 versus 1182±260 pg/mL, P<0.01) en hersen natriuretisch peptide (251±31 versus 363±82 pg/mL, P<0.01). Er was geen significant verschil in infarctgrootte tussen behandelde en onbehandelde CHF-ratten (54±8% versus 53±7%).

Discussie

De prognose van patiënten met hartinsufficiëntie is nog steeds slecht, ook al zijn er momenteel verschillende therapeutische benaderingen met een β-adrenerge receptorblokker,10,11 angiotensine-converterende enzymremmer,12 angiotensine-receptorblokker,13 aldosteronantagonist,14 en implanteerbare defibrillator15 beschikbaar. Daarom wordt een meer effectieve modaliteit van therapie verwacht.

De huidige resultaten geven aan dat nervus vagus stimulatie de lange termijn overleving van CHF ratten duidelijk verbeterde door preventie van de progressie van pompfalen en cardiale remodellering. Het hoofddoel van de huidige studie was het testen van de werkhypothese dat lange-termijn vagale stimulatie de overleving van hartinsufficiëntie ratten na een groot myocardinfarct kan verbeteren, niet om het mechanisme op te helderen. Toch zijn enkele overwegingen over deze kwestie gerechtvaardigd.

Het is denkbaar dat vagale stimulatie de vicieuze cirkel die leidt tot de dood effectief kan doorbreken door een remmend effect op presynaptische noradrenaline afgifte en onderdrukkende effecten op adrenerge signalering cascade via G-eiwit interacties.16 In het menselijk hart en dat van verschillende andere diersoorten zijn muscarine-receptoren overwegend van het M2-subtype, dat koppelt via een pertussis toxine-gevoelig GI-eiwit om adenyl cyclase te remmen. In het atrium veroorzaakt stimulatie van muscarine M2-receptoren directe negatieve inotropische en chronotropische effecten; in de ventrikel daarentegen kan het negatieve inotrope effect alleen worden bereikt wanneer het basale niveau van cAMP wordt verhoogd door β-adrenoceptor agonisten. Deze mechanismen staan bekend als geaccentueerd antagonisme.

Vagale stimulatie wordt ook verondersteld de ventriculaire efficiëntie te verbeteren door de hartfrequentie te vertragen.17 Burkhoff et al18 toonden aan dat de ventriculaire efficiëntie, d.w.z. de verhouding tussen ventriculaire slagarbeid en ventriculair zuurstofverbruik, is aangepast om maximaal te zijn onder fysiologische omstandigheden en dat de efficiëntie van het falende hart gevoeliger is voor veranderingen in de hartfrequentie dan die van het normale hart. Preventie van tachycardie na myocardinfarct door vagale stimulatie zou de efficiëntie van het falende hart optimaliseren en zo het hart beschermen tegen remodellering.

Aangenomen wordt dat vagale efferente stimulatie op het ventrikel van hartinsufficiëntie werkt als een β-adrenerge blokker. Bij ratten echter had een therapie met β-blokkade geen gunstig effect op de cardiale remodellering of hemodynamiek na een myocardinfarct (voor bespreking, zie Gaballa en Goldman19). Litwin et al20 toonden aan dat chronische behandeling met propranolol de cardiale remodellering niet verbeterde en de pompfunctie verslechterde bij ratten met hartinsufficiëntie na een infarct. Wei et al21 toonden ook aan dat metoprolol de ventriculaire remodellering in ratten met hartinsufficiëntie verslechterde. Daarom zouden, naast antagonisme tegen sympatische effecten, unieke acties van vagale stimulatie belangrijk zijn in het verschaffen van de gunstige uitkomst voor CHF ratten. Een faciliterend effect van vagale stimulatie op stikstofmonoxide afgifte van het coronaire endotheel zou ook een antiremodellerende werking kunnen hebben door verbetering van levensvatbare myocardiale condities.22

Naast de effecten van elektrische stimulatie van vagale efferenten op het hart, worden vagale afferente effecten7,23 ook overwogen omdat afferente stimulatie de cardiopulmonaire reflex zou oproepen en neuronale activiteit in verschillende hypothalamische kernen die betrokken zijn bij cardiovasculaire regulatie zou moduleren. Zoals blijkt uit figuur 5c, vagale stimulatie verlaagde het plasma noradrenaline niveau. Daarom zou vagale stimulatie therapie de vicieuze cirkel van maladaptatie in CHF beëindigen door de onderdrukking van chronische overmatige activering van het sympathische zenuwstelsel.24,25

Een meer recente studie door Guarini et al26 heeft aangetoond dat efferente vagale vezelstimulatie de activering van de nucleaire factor-κB in de lever door nicotinereceptoren onderdrukt en vervolgens de leverproductie en het plasma niveau van tumor necrose factor-α vermindert tijdens acute hemorragische shock. Er is gerapporteerd dat deze factoren ook betrokken zijn bij cardiale remodellering en de slechte prognose van CHF.27 Daarom zou het levereffect van vagale stimulatie cardiale remodellering voorkomen en de overleving van CHF verbeteren.

Er is ook opgemerkt dat kortdurende vagale stimulatie gedurende 6 weken na myocardinfarct cardiale remodellering op lange termijn voorkwam (figuur 5a) en de overleving op lange termijn verbeterde. Mogelijk is er een kritische periode waarin kortdurende behandeling tegen hartdysfunctie en remodellering de lange-termijn overleving van CHF verzekert.

Een pionierswerk van Pfeffer et al28 onderzocht het effect van langdurige therapie met captopril bij CHF ratten na myocardinfarct. Evenals vagale stimulatie in deze studie, begon orale toediening van captopril op 14 dagen na ligatie van de linker kransslagader. Pfeffer et al. observeerden de 1-jaars overleving en vonden dat de mediane overleving 146 en 181 dagen was voor respectievelijk onbehandelde en behandelde CHF ratten met grote infarcten. Dus, de overlevingscurve van onbehandelde hartinsufficiëntie ratten met grote infarcten in hun studie was vrij gelijkaardig aan ons resultaat van onbehandelde hartinsufficiëntie ratten. Aan de andere kant bleek het effect van captopril op de overleving in CHF ratten met grote infarcten veel anders te zijn dan dat van vagale stimulatie. Ongeveer 40% van de met captopril behandelde CHF ratten met grote infarcten stierven na 140 dagen; vagale stimulatie verminderde het sterftecijfer tot <20%. Daarom kan vagale stimulatie therapie veelbelovend zijn voor ernstige hartinsufficiëntie na een groot myocardinfarct.

Limitaties

De gunstige effecten van vagale stimulatie op de hartfunctie, remodellering, en overleving van hartinsufficiëntie ratten werden aangetoond in de huidige studie. Echter, de veiligheid en nadelige effecten blijven onduidelijk. Het geschikte protocol voor de behandeling is ook nog niet duidelijk en moet worden onderzocht. Om de therapeutische strategie die in deze studie is aangetoond vast te stellen, zijn grootschalige, langdurige trials van vagale zenuwstimulatie met een diermodel van CHF nodig.

Clinische Implicaties

Onze eerdere studies9,29 gaven aan dat een farmacologische interventie in het centrale zenuwstelsel van CHF ratten de progressie van cardiale disfunctie en remodellering voorkwam. De therapeutische modaliteit gebruikt in de huidige studie bracht ook een gunstige prognose van hartinsufficiëntie door manipulatie van de autonome tonus via vagale efferente en/of afferente mechanismen. Wij stellen daarom de neurale interface benadering voor om de autonome tonus van het hart te optimaliseren voor de behandeling van CHF. Technologieën om deze neurale interface-strategie te materialiseren30 met behulp van volledig implanteerbare geminiaturiseerde systemen zijn gemakkelijk beschikbaar.31,32

Footnotes