Akut hjärtinfarkt1 inträffar när blodtillförseln till en del av hjärtmuskeln minskar kraftigt eller upphör. Överlevande efter stor hjärtinfarkt har en hög risk för kronisk hjärtsvikt (CHF), med dålig prognos. Hjärtinfarkt är ett kliniskt syndrom som inleds av hjärtats dysfunktion och som följs av aktivering av kompensationsmekanismer, t.ex. sympatokadrenalsystemet och renin-angiotensin-aldosteronsystemet. Det verkar som om aktivering av kompensatoriska mekanismer under den tidiga fasen av hjärtinfarkt hjälper hjärtat att kompensera för den försämrade pumpfunktionen. En alltför långvarig aktivering har dock skadliga effekter på hjärtfunktionen. När en sådan överdriven aktivering tvärtom försämrar hjärtfunktionen utlöser den ytterligare aktivering av dessa kompensationsmekanismer, vilket i sin tur försämrar hjärtfunktionen ytterligare. Denna positiva återkopplingsmekanism leder till en dekompensatorisk ombyggnad av hjärtat och till hjärtsvikt i slutskedet. Därför är missanpassningsprocessen en nyckel till patofysiologin vid hjärtinfarkt.

I missanpassningsprocessen spelar också hjärtats autonoma nervsystem2,3 en viktig roll. Kliniska bevis från studien Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction (ATRAMI)4 och Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II (CIBIS II)5 visar att minskad vagal aktivitet i hjärtat och ökad hjärtfrekvens förutspår en hög dödlighet vid hjärtinfarkt. Utifrån denna kunskapsmassa skulle det vara logiskt att klargöra om ökning av vagal aktivitet förhindrar kardiell remodellering och död. När det gäller förekomsten av livshotande arytmier vid akut ischemi har effekten av vagal stimulering rapporterats förhindra ventrikelflimmer hos hundar.6 Den antianginösa effekten av vagal stimulering har också visats hos patienter med kranskärlssjukdom.7 Effekten av vagal stimulering är dock fortfarande okänd när det gäller CHF. I den här studien undersökte vi därför effekterna av vagal stimulering på kardiell remodellering efter stor hjärtinfarkt och på långtidsprognosen för CHF hos råttor.

Metoder

Experimentell hjärtsvikt

Hanteringen och användningen av djuren skedde i strikt överensstämmelse med de vägledande principerna från Physiological Society of Japan. Vänsterkammarhjärtinfarkt inducerades genom kranskärlsligering hos 8 veckor gamla manliga Sprague-Dawley-råttor av hankön (SLC, Hamamatsu, Japan). Dödligheten hos djur med hjärtinfarkt var ≈60 % inom de första 24 timmarna. En vecka senare kontrollerade vi infarktstorleken med ekokardiografi (SSA-380A, Toshiba) enligt tidigare beskrivning.8 Råttor med infarktområde >40 % av vänster kammarvägg ingick i den aktuella studien. I shamopererade råttor knöt vi löst en sutur för att undvika kranskärlsocklusion. Vi bekräftade infarktstorleken genom postmortal undersökning.

Vagal nervstimulering

För att stimulera vagalnerven och övervaka blodtryck och hjärtfrekvens hos fritt rörliga råttor utvecklade vi ett fjärrstyrt system som styrs av en dator (figur 1). Datorn styr en implanterbar och radiostyrd pulsgenerator (ISE1010C, Unimec) för att stimulera vagalnerven samtidigt som blodtrycket och hjärtfrekvensen mäts via en implanterbar sändare (TA11PA-C40, Data Sciences International). Minipulsgeneratorn och sändaren implanterades subkutant i buken 7 dagar efter hjärtinfarkten. Ett par teflonbelagda trådar av rostfritt stål för elektrisk stimulering slingades runt den högra vagala nerven i nacken; ett teflonsrör för blodtrycksregistrering placerades i bukaorta.

Experimentella protokoll

För 14 dagar efter hjärtinfarkten randomiserades de överlevande i grupper som behandlades med sken- och aktiv stimulering. I den aktivt behandlade gruppen stimulerade vi den vagala nerven med elektriska rektangulära pulser av 0,2 ms varaktighet vid 20 Hz i 10 sekunder varje minut i 6 veckor. Den elektriska strömmen av pulserna justerades för varje råtta, så att hjärtfrekvensen sänktes med 20 till 30 slag per minut. Detta resulterade i intervall på 0,1 till 0,13 mA. Det genomsnittliga blodtrycket och hjärtfrekvensen registrerades varje minut under 6 veckor. I en preliminär studie bekräftade vi att kronisk vagalstimulering med denna intensitet inte förändrade ätbeteendet och inte framkallade några tecken på smärtreaktion, t.ex. en ökning av plasma-adrenalinhalten.

Hemodynamisk och remodelleringsstudie

För att utvärdera effekten av vagal stimulering på hjärtremodellering mätte vi i slutet av stimuleringsperioden på 6 veckor hemodynamiken och hjärtvikten hos shamopererade och shamstimulerade råttor, obehandlade CHF-råttor och behandlade CHF-råttor. Anestesi upprätthölls genom användning av 1,2 % halotan under kirurgiska ingrepp och 0,6 % halotan under dataregistrering. Vänster ventrikeltryck och arteriellt tryck mättes med en 2F kateterspetsad mikromanometer (SPC-320, Millar Instruments). Trycksignalerna digitaliserades med en hastighet av 1 kHz i 5 minuter. Efter hemodynamisk mätning exciderades hjärtat för efterföljande bestämning av infarktstorlek.

Prognos och neurohormonstudie

För att undersöka effekten av 6 veckors vagal stimulering på prognosen observerade vi en 20 veckors överlevnad hos behandlade och obehandlade CHF-råttor. På grund av batteriets livslängd i den implanterbara pulsgeneratorn begränsades behandlingsperioden till 6 veckor. Varje bur inspekterades dagligen för att hitta råttor som hade dött. Hjärtat avlägsnades från det döda djuret för efterföljande bestämning av infarktstorlek.

I slutet av observationsperioden togs blodprov för neurohormonanalyser. Den överlevande råttan placerades i en glasburk, där den inspirerade en blandning av 1,2 % halotan i syreberikad luft i 5-10 minuter. För att undvika ändring av neurohumorala tillstånd genom invasiv manipulation samlade vi omedelbart efter induktion av anestesi snabbt 3 ml av ett blodprov från den vänstra ventrikelhålan genom ett transthorakalt tillvägagångssätt utan att mäta hemodynamiken. Efter blodprovstagningen exciderades hjärtat för efterföljande bestämning av infarktstorlek.

Plasmakoncentrationer av noradrenalin mättes med högpresterande vätskekromatografi med elektrokemisk detektion. Plasmanivåerna av natriuretisk peptid i hjärnan bestämdes med radioimmunoassay.

Bestämning av infarktstorlek

Som tidigare beskrivits9 , dissekerades, separerades och vägdes den högra kammaren och den vänstra kammaren inklusive interventrikelseptum. Hjärtat fixerades i 10 % buffrat formalin. Vänster kammare skars från topp till bas i fyra tvärgående skivor. Sektioner med en tjocklek på 4 μm skars ut och färgades med Masson trichrome-metoden. Histologiska bilder digitaliserades med hjälp av en bildgrävare och analyserades. Infarktstorleken beräknades från de 4 skivorna genom att dividera summan av de infarkta regionernas endokardiella längder med summan av de totala endokardiella omkretsarna.

Statistisk analys

För data från studien av hemodynamik och remodellering testades skillnaderna mellan de 3 grupperna med ANOVA, med ett Scheffé-test för multipel jämförelse. Skillnader i hjärtfrekvens före och under behandling i varje grupp undersöktes med en 1-vägs ANOVA med upprepade åtgärder, följt av ett post hoc Dunnett-test.

För en neurohormonella data undersöktes skillnader mellan två grupper med ett Mann-Whitney U-test. Överlevnadsdata presenteras som Kaplan-Meier-kurvor; effekten av behandlingen på 140-dagarsöverlevnad analyserades med ett exakta Fisher-test. Skillnader betraktades som signifikanta vid ett värde av P<0,05.

Resultat

Hemodynamisk och ombildningsstudie

Och även om CHF-råttor (obehandlade, n=13; behandlade, n=11) hade en högre hjärtfrekvens än sham-opererade råttor (n=9) före behandlingen, saktar vagal stimulering signifikant ner hjärtfrekvensen hos CHF-råttor (figur 2). Skillnaden i hjärtfrekvens mellan obehandlade och behandlade CHF-råttor nådde ≈40 slag per minut i slutet av behandlingen (P<0,05). CHF-råttorna hade betydligt lägre blodtryck, men den vagala stimuleringen påverkade inte blodtrycket under den sex veckor långa behandlingsperioden (tabell).

Vid jämförelse med skenopererade råttor, hade obehandlade råttor med hjärtinfarkt ett lågt blodtryck (figur 3a), ett högt slutdiastoliskt tryck i vänster kammare (LVEDP) (figur 3b), en sänkt maximal dp/dt för trycket i vänster kammare (LV+dp/dtmax) (figur 3c) och en ökad hjärtvikt (figur 3d). Å andra sidan hade CHF-råttor som behandlades med vagal nervstimulering signifikant lägre LVEDP (17,1±5,9 jämfört med 23,5±4,2 mm Hg, P<0,05) och högre LV+dp/dtmax (4152±237 jämfört med 2987±192 mm Hg/s, P<0,05) än obehandlade CHF-råttor. Förbättringen av pumpfunktionen hos behandlade CHF-råttor åtföljdes av en signifikant minskning av den normaliserade biventrikulära vikten (2,75±0,25 mot 3,14±0,22 g/kg, P<0,01). Det fanns ingen signifikant skillnad i infarktstorlek mellan behandlade och obehandlade CHF-råttor (53±7 % mot 53±6 %).

Prognos- och neurohormonstudie

Om 60 råttor med CHF efter stor hjärtinfarkt deltog i prognosstudien, uteslöts 8 av de 30 råttor som tilldelades den behandlade gruppen från resultaten på grund av att elektrodtrådarna bröts sönder under vagalstimulering i 6 veckor. Vagal nervstimulering minskade markant dödligheten hos CHF-råttorna (figur 4); det fanns endast 3 dödsfall bland de 22 behandlade råttorna jämfört med 15 dödsfall bland de 30 obehandlade råttorna (14 % jämfört med 50 %, P=0,008). Vagalstimuleringsbehandling uppnådde en 73 % minskning av en relativ riskkvot för dödsfall.

Som framgår av figur 5 åtföljdes förbättrad överlevnad hos behandlade CHF-råttor av en signifikant minskning av den normaliserade biventrikulära vikten (2,63±0,38 jämfört med 3,17±0,42 g/kg, P<0,01). Jämfört med obehandlade CHF-råttor hade behandlade CHF-råttor lägre nivåer av norepinefrin i plasma (426±102 mot 1182±260 pg/mL, P<0,01) och natriuretisk peptid i hjärnan (251±31 mot 363±82 pg/mL, P<0,01). Det fanns ingen signifikant skillnad i infarktstorlek mellan behandlade och obehandlade CHF-råttor (54±8 % mot 53±7 %).

Diskussion

Prognosen för patienter med CHF är fortfarande dålig, trots att olika terapeutiska tillvägagångssätt med en β-adrenergreceptorblockerare,10,11 en angiotensinkonverterande enzymhämmare,12 en angiotensinreceptorblockerare,13 en aldosteronantagonist,14 och en implanterbar defibrillator15 för närvarande är tillgängliga. Därför förväntas effektivare behandlingsmetoder.

Dessa resultat tyder på att vagal nervstimulering markant förbättrade långtidsöverlevnaden hos råttor med hjärtinfarkt genom att förhindra progressionen av pumpsvikt och kardiell remodellering. Huvudsyftet med denna studie var att testa arbetshypotesen att långvarig vagal stimulering kan förbättra överlevnaden hos CHF-råttor efter stor hjärtinfarkt, inte att klargöra mekanismen. Vissa överväganden i denna fråga är dock motiverade.

Det är tänkbart att vagal stimulering effektivt kan bryta den onda cirkel som leder till döden genom en hämmande effekt på presynaptisk noradrenalinfrisättning och undertryckande effekter på den adrenerga signalkaskaden genom G-proteininteraktioner.16 I människans hjärta liksom i flera andra arters hjärtan är muskarinreceptorerna huvudsakligen av M2-subtypen, som via ett kikhosta-toxinkänsligt GI-protein kopplar ihop sig för att hämma adenylcyklas. I förmaket orsakar stimulering av muskariniska M2-receptorer direkta negativa inotropa och kronotropa effekter; I ventrikeln kan den negativa inotropa effekten däremot endast uppnås när basalnivån av cAMP höjs av β-adrenoceptoragonister. Dessa mekanismer är kända som accentuerad antagonism.

Vagal stimulering postuleras också förbättra den ventrikulära effektiviteten genom att sänka hjärtfrekvensen.17 Burkhoff et al18 visade att den ventrikulära effektiviteten, det vill säga förhållandet mellan det ventrikulära slagarbetet och den ventrikulära syreförbrukningen, anpassas så att den är maximal under fysiologiska förhållanden och att effektiviteten hos ett sviktande hjärta är mer känslig för förändringar i hjärtfrekvensen än hos det normala hjärtat. Förebyggande av takykardi efter hjärtinfarkt genom vagal stimulering skulle optimera det sviktande hjärtats effektivitet och därmed skydda hjärtat mot remodellering.

Tydligen anses vagal efferent stimulering verka på ventrikeln vid hjärtinfarkt på samma sätt som en β-adrenerg blockerare. Hos råttor misslyckades dock β-blockadbehandling snarare med att utöva en gynnsam effekt på hjärtats remodellering eller hemodynamik efter hjärtinfarkt (för en översikt, se Gaballa och Goldman19). Litwin et al20 visade att kronisk propranololbehandling inte förbättrade hjärtmodelleringen och försämrade pumpfunktionen hos råttor med hjärtinfarkt efter hjärtinfarkt. Wei et al21 visade också att metoprolol försämrade den ventrikulära remodelleringen hos CHF-råttor. Förutom antagonism mot sympatiska effekter skulle därför unika åtgärder för vagal stimulering vara viktiga för att ge ett gynnsamt resultat för råttor med hjärtinfarkt. En underlättande effekt av vagal stimulering på frisättning av kväveoxid från det koronära endotelet skulle också kunna ha en antiremodellerande verkan genom att förbättra de livskraftiga myokardiella förhållandena.22

Förutom effekterna av elektrisk stimulering av vagala efferenter på hjärtat beaktas också vagala afferenta effekter7,23 , eftersom afferent stimulering skulle framkalla kardiopulmonala reflexer och modulera den neuronala aktiviteten i flera hypotalamiska kärnor som är involverade i kardiovaskulär reglering. Som framgår av figur 5c sänkte vagal stimulering plasmanivån av noradrenalin. Därför skulle vagal stimuleringsbehandling avsluta den onda cirkeln av missanpassning vid hjärtinfarkt genom att undertrycka kronisk överdriven aktivering av det sympatiska nervsystemet.24,25

En nyare studie av Guarini et al26 har visat att efferent vagal fiberstimulering avtrubbar aktiveringen av nukleär faktor-κB i levern genom nikotinreceptorer och sedan minskar den hepatiska produktionen och plasmanivån av tumörnekrosfaktor-α under akut hemorragisk chock. Det har rapporterats att dessa faktorer också är involverade i kardiell remodellering och den dåliga prognosen för CHF.27 Därför skulle den hepatiska effekten av vagal stimulering förhindra kardiell remodellering och förbättra överlevnaden vid CHF.

Det noteras också att kortvarig vagal stimulering i 6 veckor efter hjärtinfarkt förhindrade långsiktig kardiell remodellering (Figur 5a) och förbättrade den långsiktiga överlevnaden. Det kan finnas en kritisk period under vilken korttidsbehandling mot kardiell dysfunktion och remodellering säkerställer den långsiktiga överlevnaden vid CHF.

I ett pionjärarbete av Pfeffer et al28 undersöktes effekten av långtidsbehandling med captopril hos CHF-råttor efter hjärtinfarkt. Liksom vagal stimulering i den aktuella studien började den orala captopriladministrationen 14 dagar efter ligering av vänster kranskärl. Pfeffer et al observerade 1-årsöverlevnad och fann att medianöverlevnaden var 146 och 181 dagar för obehandlade respektive behandlade CHF-råttor med stora infarkter. Överlevnadskurvan för obehandlade CHF-råttor med stora infarkter i deras studie var således ganska lik vårt resultat för obehandlade CHF-råttor. Å andra sidan verkade effekten av captopril på överlevnaden hos CHF-råttor med stora infarkter vara mycket annorlunda än effekten av vagal stimulering. Ungefär 40 % av captoprilbehandlade CHF-råttor med stora infarkter dog efter 140 dagar; vagal stimulering minskade dödligheten till <20 %. Därför kan vagalstimuleringsbehandling vara lovande för svår CHF efter stor hjärtinfarkt.

Begränsningar

De gynnsamma effekterna av vagalstimulering på hjärtfunktion, remodellering och överlevnad hos CHF-råttor visades i den här studien. Dess säkerhet och negativa effekter är dock fortfarande oklara. Det lämpliga behandlingsprotokollet är också fortfarande oklart och bör undersökas. För att etablera den terapeutiska strategi som visades i denna studie krävs storskaliga, långsiktiga försök med vagal nervstimulering med en djurmodell av CHF.

Kliniska implikationer

Våra tidigare studier9,29 indikerade att ett farmakologiskt ingrepp i det centrala nervsystemet hos CHF-råttor förhindrade progressionen av kardiell dysfunktion och remodellering. Den terapeutiska modalitet som användes i den aktuella studien medförde också en gynnsam prognos för CHF genom manipulation av den autonoma tonen genom vagala efferenta och/eller afferenta mekanismer. Vi föreslår därför ett neuralt gränssnitt för att optimera hjärtats autonoma tonus för behandling av hjärtinfarkt. Teknik för att förverkliga denna neurala gränssnittsstrategi30 med hjälp av helt implanterbara miniatyriserade system är lättillgänglig.31,32

Fotnoter