Ostry zawał mięśnia sercowego1 występuje wtedy, gdy dopływ krwi do części mięśnia sercowego zostaje poważnie zmniejszony lub zatrzymany. U osób, które przeżyły duży zawał mięśnia sercowego, istnieje wysokie ryzyko wystąpienia przewlekłej niewydolności serca (CHF), co wiąże się ze złym rokowaniem. CHF jest zespołem klinicznym, który rozpoczyna się dysfunkcją serca, a następnie aktywacją mechanizmów kompensacyjnych, takich jak układ sympatyczno-nadnerczowy i renina-angiotensyna-aldosteron. Wydaje się, że aktywacja mechanizmów kompensacyjnych we wczesnej fazie CHF pomaga sercu skompensować pogarszającą się funkcję pompowania. Jednak nadmierna, utrzymująca się aktywacja ma niekorzystny wpływ na czynność serca. Gdy taka nadmierna aktywacja, przeciwnie, pogorszy czynność serca, wyzwala dalszą aktywację tych mechanizmów kompensacyjnych, co z kolei powoduje dalsze pogorszenie funkcji serca. Ten mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego prowadzi serce do dekompensacyjnego remodelingu i w końcowym etapie do niewydolności. Dlatego proces nieprzystosowania jest kluczowym elementem patofizjologii CHF.

W procesie nieprzystosowania ważną rolę odgrywa również autonomiczny układ nerwowy serca2,3 . Wyniki badań klinicznych Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction study (ATRAMI)4 oraz Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II (CIBIS II)5 wskazują, że zmniejszona aktywność błędnika sercowego i zwiększona częstość akcji serca prognozują wysoką śmiertelność w CHF. W oparciu o tę wiedzę logiczne byłoby wyjaśnienie, czy zwiększenie aktywności wagalnej zapobiega przebudowie serca i zgonowi. Jeśli chodzi o występowanie zagrażających życiu zaburzeń rytmu serca w ostrym niedokrwieniu, wykazano, że stymulacja wagalna zapobiega migotaniu komór u psów.6 Przeciwdławicowy efekt stymulacji wagalnej wykazano również u pacjentów z chorobą wieńcową.7 Jednak jej wpływ na CHF pozostaje nieznany. Dlatego w obecnym badaniu sprawdzono wpływ stymulacji wagalnej na przebudowę serca po dużym zawale serca oraz na długoterminowe rokowanie w CHF u szczurów.

Metody

Doświadczalna niewydolność serca

Opieka nad zwierzętami i ich wykorzystanie były ściśle zgodne z wytycznymi Japońskiego Towarzystwa Fizjologicznego. Zawał mięśnia sercowego lewej komory był wywoływany przez podwiązanie tętnicy wieńcowej u 8-tygodniowych samców szczurów Sprague-Dawley (SLC, Hamamatsu, Japonia). Śmiertelność zwierząt z zawałem mięśnia sercowego wynosiła ≈60% w ciągu pierwszych 24 godzin. Tydzień później sprawdziliśmy wielkość zawału za pomocą echokardiografii (SSA-380A, Toshiba), jak opisano wcześniej.8 Szczury z obszarem zawału >40% ściany lewej komory zostały włączone do obecnego badania. U szczurów sham-operowanych luźno zawiązaliśmy szew, aby uniknąć okluzji tętnicy wieńcowej. Wielkość zawału potwierdziliśmy badaniem pośmiertnym.

Stymulacja nerwu błędnego

Aby stymulować nerw błędny oraz monitorować ciśnienie krwi i częstość akcji serca u swobodnie poruszających się szczurów, opracowaliśmy zdalny system kontrolowany przez komputer (rysunek 1). Komputer steruje wszczepialnym i sterowanym radiowo generatorem impulsów (ISE1010C, Unimec) w celu stymulacji nerwu błędnego, jednocześnie wykrywając ciśnienie krwi i częstość akcji serca poprzez wszczepialny nadajnik (TA11PA-C40, Data Sciences International). Miniaturowy generator impulsów i nadajnik zostały wszczepione podskórnie w brzuch w 7 dniu po zawale serca. Para pokrytych teflonem drutów ze stali nierdzewnej do stymulacji elektrycznej została zapętlona wokół prawego nerwu błędnego na szyi; rurka teflonowa do rejestracji ciśnienia krwi została umieszczona w aorcie brzusznej.

Protokoły eksperymentalne

W 14 dni po zawale mięśnia sercowego, osoby, które przeżyły, zostały randomizowane do grup leczonych pozorowaną i aktywną stymulacją. W grupie leczonej aktywnie stymulowano nerw błędny elektrycznymi impulsami prostokątnymi o czasie trwania 0,2 ms przy częstotliwości 20 Hz przez 10 sekund co minutę przez 6 tygodni. Prąd elektryczny impulsów był dostosowywany dla każdego szczura tak, aby obniżyć częstość akcji serca o 20 do 30 uderzeń na minutę. Uzyskano w ten sposób zakresy od 0,1 do 0,13 mA. Średnie ciśnienie krwi i częstość akcji serca były rejestrowane co minutę przez 6 tygodni. We wstępnym badaniu potwierdzono, że przewlekła stymulacja wagalna o tej intensywności nie zmieniała zachowań związanych z karmieniem i nie wywoływała żadnych objawów reakcji bólowej, takich jak wzrost poziomu epinefryny w osoczu.

Badanie hemodynamiczne i remodelingu

Aby ocenić wpływ stymulacji wagalnej na remodeling serca, pod koniec 6-tygodniowego okresu stymulacji zmierzyliśmy hemodynamikę i masę serca szczurów poddanych i stymulowanych metodą sham, szczurów z CHF nieleczonych i szczurów z CHF leczonych. Znieczulenie utrzymywano za pomocą 1,2% halotanu podczas zabiegów chirurgicznych i 0,6% halotanu podczas rejestracji danych. Ciśnienie w lewej komorze i ciśnienie tętnicze mierzono za pomocą mikromanometru 2F zakończonego cewnikiem (SPC-320, Millar Instruments). Sygnały ciśnieniowe były digitalizowane z częstotliwością 1 kHz przez 5 minut. Po pomiarze hemodynamicznym serce zostało wycięte w celu późniejszego określenia wielkości zawału.

Prognoza i badanie neurohormonów

Aby zbadać wpływ 6-tygodniowej stymulacji wagalnej na rokowanie, obserwowaliśmy 20-tygodniowe przeżycie u leczonych i nieleczonych szczurów z CHF. Ze względu na czas życia baterii wszczepialnego generatora impulsów okres leczenia ograniczono do 6 tygodni. Codziennie sprawdzano każdą klatkę w poszukiwaniu szczura, który zmarł. Z martwego zwierzęcia usuwano serce w celu późniejszego określenia wielkości zawału.

Na koniec okresu obserwacji pobierano próbki krwi do oznaczeń neurohormonów. Ocalały szczur został umieszczony w szklanym słoju, gdzie przez 5 do 10 minut inspirował się mieszaniną 1,2% halotanu w powietrzu wzbogaconym tlenem. Aby uniknąć modyfikacji stanów neurohumoralnych przez inwazyjne manipulacje, natychmiast po indukcji znieczulenia, szybko pobraliśmy 3 mL próbki krwi z jamy lewej komory przez przezklatkowe podejście bez pomiaru hemodynamiki. Po pobraniu krwi serce zostało wycięte w celu późniejszego określenia wielkości zawału.

Stężenia noradrenaliny w osoczu mierzono za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej z detekcją elektrochemiczną. Stężenie mózgowego peptydu natriuretycznego w osoczu oznaczono metodą radioimmunologiczną.

Określanie wielkości zawału

Jak opisano wcześniej,9 prawa komora i lewa komora, w tym przegroda międzykomorowa, zostały rozcięte, oddzielone i zważone. Serce utrwalono w 10% zbuforowanej formalinie. Lewą komorę przecięto od koniuszka do podstawy na 4 poprzeczne plastry. Wycinano skrawki o grubości 4 μm i barwiono metodą trichromową Massona. Obrazy histologiczne digitalizowano za pomocą frame grabbera i poddawano analizie. Wielkość zawału obliczano na podstawie 4 skrawków, dzieląc sumę długości wsierdzia obszarów objętych zawałem przez sumę całkowitych obwodów wsierdzia.

Analiza statystyczna

W przypadku danych z badania hemodynamicznego i remodelingu różnice między 3 grupami testowano metodą ANOVA, z testem wielokrotnych porównań Scheffégo. Różnice w częstości akcji serca przed i podczas leczenia w każdej grupie badano za pomocą 1-kierunkowej ANOVA z powtarzanymi środkami, a następnie testem post hoc Dunnetta.

Dla danych neurohormonalnych różnice między dwiema grupami badano testem U Manna-Whitneya. Dane dotyczące przeżycia są przedstawione jako krzywe Kaplana-Meiera; wpływ leczenia na 140-dniowe przeżycie analizowano za pomocą dokładnego testu Fishera. Różnice uznano za istotne przy wartości P<0,05.

Wyniki

Badanie hemodynamiczne i remodelingu

Chociaż przed leczeniem szczury z CHF (nieleczone, n=13; leczone, n=11) miały wyższą częstość akcji serca niż szczury poddane operacji sham (n=9), stymulacja wagalna znacząco spowolniła częstość akcji serca szczurów z CHF (ryc. 2). Różnica w częstości akcji serca między nieleczonymi i leczonymi szczurami z CHF osiągnęła ≈40 uderzeń na minutę pod koniec leczenia (P<0,05). Szczury z CHF miały znacząco niższe ciśnienie krwi, ale stymulacja wagalna nie miała wpływu na ciśnienie krwi podczas 6-tygodniowego okresu leczenia (tabela).

W porównaniu ze szczurami poddanymi sham-operacji, nieleczone szczury z CHF miały niskie ciśnienie krwi (ryc. 3a), wysokie ciśnienie końcoworozkurczowe lewej komory (LVEDP) (ryc. 3b), obniżone maksymalne dp/dt ciśnienia w lewej komorze (LV+dp/dtmax) (ryc. 3c) i zwiększoną masę serca (ryc. 3d). Z drugiej strony, szczury z CHF leczone stymulacją nerwu błędnego miały istotnie niższe LVEDP (17,1±5,9 vs 23,5±4,2 mm Hg, P<0,05) i wyższe LV+dp/dtmax (4152±237 vs 2987±192 mm Hg/s, P<0,05) niż nieleczone szczury z CHF. Poprawie funkcji pompowania u leczonych szczurów z CHF towarzyszyło istotne zmniejszenie znormalizowanej masy obu komór (2,75±0,25 vs. 3,14±0,22 g/kg, P<0,01). Nie stwierdzono istotnej różnicy w wielkości zawału między leczonymi i nieleczonymi szczurami z CHF (53±7% versus 53±6%).

Badanie rokowania i neurohormonów

Pomimo że do badania rokowania włączono 60 szczurów z CHF po dużym zawale mięśnia sercowego, 8 z 30 szczurów przypisanych do grupy leczonej wykluczono z wyników z powodu zerwania przewodów elektrod podczas stymulacji wagalnej przez 6 tygodni. Stymulacja nerwu błędnego znacząco zmniejszyła śmiertelność szczurów z CHF (ryc. 4); odnotowano tylko 3 zgony wśród 22 leczonych szczurów w porównaniu z 15 zgonami wśród 30 nieleczonych szczurów (14% w porównaniu z 50%, P=0,008). Terapia stymulacji waginalnej osiągnęła 73% redukcję względnego wskaźnika ryzyka zgonu.

Wykazane na rycinie 5, poprawie przeżywalności u leczonych szczurów z CHF towarzyszyło istotne zmniejszenie znormalizowanej masy przedsionkowej (2,63±0,38 vs. 3,17±0,42 g/kg, P<0,01). W porównaniu z nieleczonymi szczurami z CHF, leczone szczury z CHF miały niższe poziomy noradrenaliny w osoczu (426±102 versus 1182±260 pg/mL, P<0,01) i mózgowego peptydu natriuretycznego (251±31 versus 363±82 pg/mL, P<0,01). Nie stwierdzono istotnej różnicy w wielkości zawału między leczonymi i nieleczonymi szczurami z CHF (54±8% vs 53±7%).

Dyskusja

Rokowanie u pacjentów z CHF jest nadal złe, mimo że obecnie dostępne są różne metody leczenia z zastosowaniem blokera receptora β-adrenergicznego,10,11 inhibitora konwertazy angiotensyny,12 blokera receptora angiotensyny,13 antagonisty aldosteronu,14 i wszczepialnego defibrylatora15. Dlatego oczekuje się bardziej skutecznych metod terapii.

Prezentowane wyniki wskazują, że stymulacja nerwu błędnego istotnie poprawiła długoterminowe przeżycie szczurów z CHF poprzez zapobieganie progresji niewydolności pompowania i remodelingu serca. Głównym celem niniejszego badania było sprawdzenie hipotezy roboczej, że długotrwała stymulacja nerwu błędnego może poprawić przeżycie szczurów z CHF po dużym zawale mięśnia sercowego, a nie wyjaśnienie mechanizmu. Jednak pewne rozważania na ten temat są uzasadnione.

Można sobie wyobrazić, że stymulacja wagalna może skutecznie przerwać błędne koło prowadzące do śmierci poprzez hamujący wpływ na presynaptyczne uwalnianie noradrenaliny i hamujący wpływ na kaskadę sygnalizacji adrenergicznej poprzez interakcje białek G.16 W sercu ludzkim, jak również u kilku innych gatunków, receptory muskarynowe są głównie podtypu M2, który sprzęga się poprzez wrażliwe na toksynę krztuścową białko GI w celu zahamowania cyklazy adenylowej. W przedsionku pobudzenie receptorów muskarynowych M2 wywołuje bezpośredni ujemny efekt inotropowy i chronotropowy; Z kolei w komorze efekt inotropowy ujemny może być osiągnięty tylko wtedy, gdy podstawowy poziom cAMP jest podwyższony przez agonistów β-adrenoreceptorów. Mechanizmy te określa się mianem antagonizmu akcentowanego.

Postuluje się również, że stymulacja wagalna poprawia wydolność komór poprzez zwolnienie częstości akcji serca.17 Burkhoff i wsp.18 wykazali, że wydolność komór, czyli stosunek pracy wyrzutowej komór do komorowego zużycia tlenu, jest dostosowana tak, aby była maksymalna w warunkach fizjologicznych, oraz że wydolność niewydolnego serca jest bardziej wrażliwa na zmiany częstości akcji serca niż serca prawidłowego. Zapobieganie tachykardii po zawale serca przez stymulację wagalną optymalizowałoby wydajność niewydolnego serca, a tym samym chroniłoby serce przed przebudową.

Podobno uważa się, że eferentna stymulacja wagalna działa na komorę serca w CHF jak bloker β-adrenergiczny. Jednak u szczurów terapia β-blokadą raczej nie wywierała korzystnego wpływu na przebudowę serca lub hemodynamikę po zawale mięśnia sercowego (przegląd, patrz Gaballa i Goldman19). Litwin i wsp.20 wykazali, że przewlekłe leczenie propranololem nie poprawiało przebudowy serca i pogarszało funkcję pompy u szczurów z pozawałową CHF. Również Wei i wsp.21 wykazali, że metoprolol pogarsza przebudowę komór u szczurów z CHF. W związku z tym, oprócz antagonizmu w stosunku do efektów współczulnych, istotne znaczenie dla uzyskania korzystnego wyniku leczenia u szczurów z CHF miałyby unikalne działania stymulacji wagalnej. Ułatwiający wpływ stymulacji waginalnej na uwalnianie tlenku azotu ze śródbłonka naczyń wieńcowych mógłby również mieć działanie antyremodelingowe poprzez poprawę warunków żywotności mięśnia sercowego.22

Oprócz wpływu elektrycznej stymulacji eferentnych włókien nerwu błędnego na serce rozważa się również wpływ aferentnych włókien nerwu błędnego7,23 , ponieważ stymulacja aferentna wywoływałaby odruch krążeniowo-oddechowy i modulowała aktywność neuronów w kilku jądrach podwzgórza zaangażowanych w regulację układu sercowo-naczyniowego. Jak pokazano na rycinie 5c, stymulacja wagalna obniżyła poziom noradrenaliny w osoczu. Dlatego terapia stymulacją wagalną mogłaby przerwać błędne koło nieprzystosowania w CHF poprzez tłumienie przewlekłej nadmiernej aktywacji współczulnego układu nerwowego.24,25

Najnowsze badanie przeprowadzone przez Guarini i wsp.26 wykazało, że eferentna stymulacja włókien wagalnych tłumi aktywację czynnika jądrowego-κB w wątrobie przez receptory nikotynowe, a następnie zmniejsza wątrobową produkcję i stężenie czynnika martwicy nowotworów-α w osoczu podczas ostrego wstrząsu krwotocznego. Donoszono, że czynniki te są również zaangażowane w remodeling serca i złe rokowanie w CHF.27 Dlatego wątrobowy efekt stymulacji wagalnej mógłby zapobiegać remodelingowi serca i poprawiać przeżycie w CHF.

Odnotowano również, że krótkotrwała stymulacja wagalna przez 6 tygodni po zawale serca zapobiegała długotrwałemu remodelingowi serca (ryc. 5a) i poprawiała długoterminowe przeżycie. Może istnieć okres krytyczny, w którym krótkotrwałe leczenie zapobiegające dysfunkcji i przebudowie serca zapewni długotrwałe przeżycie chorych z CHF.

W pionierskiej pracy Pfeffera i wsp.28 badano wpływ długotrwałej terapii kaptoprilem u szczurów z CHF po zawale mięśnia sercowego. Podobnie jak w przypadku stymulacji wagalnej w omawianym badaniu, doustne podawanie kaptoprilu rozpoczęto po 14 dniach od podwiązania lewej tętnicy wieńcowej. Pfeffer i wsp. obserwowali przeżycie 1 roku i stwierdzili, że mediana przeżycia wynosiła 146 i 181 dni odpowiednio dla nieleczonych i leczonych szczurów z CHF z dużym zawałem. Tak więc krzywa przeżycia nieleczonych szczurów z CHF z dużymi zawałami w ich badaniu była dość podobna do naszych wyników dotyczących nieleczonych szczurów z CHF. Z drugiej strony, wpływ kaptoprilu na przeżywalność szczurów z CHF z dużymi zawałami wydawał się znacznie różnić od wpływu stymulacji waginalnej. Około 40% leczonych kaptoprilem szczurów z CHF z dużymi zawałami zmarło po 140 dniach; stymulacja wagalna zmniejszyła śmiertelność do <20%. Dlatego terapia stymulacją wagalną może być obiecująca w przypadku ciężkiej CHF po dużym zawale mięśnia sercowego.

Ograniczenia

W niniejszym badaniu wykazano korzystny wpływ stymulacji wagalnej na czynność serca, przebudowę i przeżywalność szczurów z CHF. Jednak jej bezpieczeństwo i działania niepożądane pozostają niejasne. Właściwy protokół leczenia jest również nadal nierozstrzygnięty i powinien zostać zbadany. Aby ustalić strategię terapeutyczną przedstawioną w niniejszym badaniu, konieczne są szeroko zakrojone, długoterminowe badania stymulacji nerwu błędnego na zwierzęcym modelu CHF.

Wskazania kliniczne

Nasze wcześniejsze badania9,29 wykazały, że interwencja farmakologiczna w ośrodkowym układzie nerwowym szczurów z CHF zapobiegała postępowi dysfunkcji i przebudowy serca. Metoda terapeutyczna zastosowana w niniejszym badaniu przyniosła również korzystne rokowanie w CHF poprzez manipulację tonusem autonomicznym za pośrednictwem mechanizmów wagalnych eferentnych i/lub aferentnych. Proponujemy zatem podejście oparte na interfejsie neuronalnym w celu optymalizacji tonu autonomicznego serca w leczeniu CHF. Technologie umożliwiające zastosowanie tej strategii interfejsu neuronalnego30 przy użyciu całkowicie wszczepialnych, zminiaturyzowanych systemów są łatwo dostępne.31,32

Przypisy

.