OBJETIVO: Avaliar se a estimulação atrial com corrente elétrica contínua pulsátil induz fibrilação atrial e os seus efeitos sobre as propriedades eletrofisiológicas atriais e as alterações histológicas atriais. MÉTODOS: Foram submetidos à toracotomia lateral direita 22 cães e implantados eletrodos de marcapasso no sulcus terminalis (ST), apêndice atrial direito (ADb) e na região póstero-inferior do átrio esquerdo (AE); um par de eletrodos foi suturado na auriculeta direita para estimulação com bateria alcalina de 9 Volts conectada a uma sistema (LM 555) que transforma a energia contínua linear da bateria em corrente contínua pulsátil, durante 60 min. A biópsia epicárdica atrial foi realizada antes e após a estimulação atrial. RESULTADOS: Não foram observadas diferenças nas durações dos períodos refratários efetivos atriais. Os tempos de condução intra-atrial, interatrial, bem como dos extra-estímulos atriais também prolongaram-se. A duração dos eletrogramas atriais prolongou-se durante ritmo sinusal e estimulação atrial programada; em 68% dos cães a fibrilação atrial foi induzida e sustentou-se. Foram observados edema intersticial e bandas de contração celular no subepicárdio à microscopia óptica, e intensa desorganização miofibrilar e aumento do tamanho das mitocôndrias à microscopia eletrônica. CONCLUSÃO: Esta técnica de estimulação atrial induz fibrilação atrial e provoca modificações atriais que aumentam sua vulnerabilidade para o surgimento de fibrilação atrial.
São Paulo, SP
Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia de São Paulo
O interesse despertado pela fibrilação atrial na atualidade deve-se não somente por ser uma arritmia freqüente mas, também, pelo alto risco de complicações que acarreta1. Devido à alta prevalência, aliada ao conhecimento cada vez maior das complicações e, também, com o grande progresso advindo do tratamento percutâneo de algumas arritmias, o interesse na abordagem terapêutica da fibrilação atrial vem aumentando nos últimos anos. Os conhecimentos recentes dos mecanismos eletrofisiológicos, envolvendo sua gênese, têm permitido entender melhor os fatores desencadeantes e de sua manutenção. Para que esses conhecimentos chegassem ao estágio atual e pudessem evoluir, muitos modelos experimentais foram descritos cujos resultados se assemelham aos dados obtidos em corações de humanos no laboratório de eletrofisiologia2-4. Apesar de todo avanço, a literatura não dispõe, até o presente, de uma técnica experimental simples e rápida para indução artificial e manutenção de fibrilação atrial em cães, que seja prática e pouco dispendiosa. Por esta razão, a utilidade de um modelo experimental simples e reprodutível, está implícita. Os modelos experimentais citados anteriormente utilizavam marcapassos especiais e sofisticados, controlados por sistemas computadorizados, capazes de estimulação rápida por períodos prolongados2,3. Entretanto, esses sistemas, são caros e nem sempre disponíveis em nosso meio, o que constitui um fator limitante e que retarda a evolução nos conhecimentos envolvidos no surgimento desta arritmia.
Da mesma maneira que a estimulação ventricular com corrente elétrica contínua causa fibrilação ventricular, imaginou-se ser possível experimentalmente, por meio da utilização de baterias alcalinas de 9 Volts, estimular-se os átrios e obter o mesmo efeito. Experimentos preliminares em nosso laboratório demonstraram que o contato direto da bateria com o epicárdio atrial produzia lesões importantes, que poderiam, eventualmente, influenciar nos resultados. Por esta razão optou-se pelo acoplamento da bateria a um sistema eletrônico para estimulação atrial, denominado LM555, que transforma a corrente contínua linear liberada pela bateria, em corrente contínua pulsátil, acarretando com isso menor risco de comprometimento da musculatura atrial. Este estudo foi planejado considerando-se a hipótese de que a estimulação atrial com corrente elétrica contínua pulsátil induz fibrilação atrial e pode provocar alterações das propriedades eletrofisiológicas atriais que facilitam a sua manutenção ou o seu surgimento espontâneo, possibilitando a pesquisa de novas modalidades terapêuticas em laboratório de experimentação. Assim, os objetivos deste estudo foram: a) avaliar a eficácia da estimulação atrial com corrente elétrica contínua pulsátil para indução de fibrilação atrial em coração de cães; b) avaliar os efeitos desta modalidade de estimulação sobre as propriedades eletrofisiológicas atriais (período refratário efetivo; os tempos de condução intra-atrial e interatrial; a duração dos eletrogramas atriais em ritmo sinusal e durante a estimulação atrial programada; o índice de comprimento de onda do impulso atrial); c) avaliar a vulnerabilidade atrial à indução artificial ou ao surgimento espontâneo de fibrilação atrial após o período de estimulação; d) analisar as alterações histológicas no tecido atrial causadas pela estimulação atrial (remodelamento morfológico ou anatômico).
Foram incluídos neste estudo, cães saudáveis sem raça definida e de qualquer sexo, com pêso variando entre 15 e 30Kg e excluídos cães idosos (idade estimada pelo aspecto da dentição) nos quais o surgimento de arritmias atriais espontâneas são mais comuns; animais com extra-sístoles atriais freqüentes (acima de 10/min), com taquicardias atriais ou fibrilação atrial paroxística ou persistente; animais que apresentassem espessamentos do pericárdio, alterações da coloração do epicárdio atrial, presença de fibrose atrial ou qualquer outra alteração que sugerisse acometimento cardíaco prévio por meio da inspeção direta após a abertura do tórax. Após medicação pré-anestésica (fentanil 1,0 mg/kg de peso por via intramuscular), foi administrado thiopental sódico (12,5 mg/kg de peso) por via intravenosa para indução anestésica. Após a intubação endotraqueal, a manutenção da anestesia foi realizada com oxigênio a 100% com respirador Takaoka modelo 670 (Takaoka, São Paulo) associada à administração contínua de halotano. A freqüência do respirador foi ajustada para manutenção de gasometria arterial dentro de limites fisiológicos (pH entre 7,3 e 7,4; pO2 arterial acima de 90 mmHg; pCO2 entre 35 e 40 mmHg e bicarbonato plasmático entre 20 e 30 mmol/l). Após a anestesia, os animais foram submetidos à toracotomia lateral direita no quarto espaço intercostal, seguida de exposição do coração no saco pericárdico. No epicárdio atrial foram implantados fios temporários de marcapasso nas seguintes regiões: a) átrio direito alto, próximo ao
Após a preparação do animal, e por meio de visão direta, foram realizadas biópsias do epicárdio atrial direito, na região ântero-lateral para análise histológica (amostra controle).
A determinação do período refratário atrial foi obtida pela estimulação atrial programada (estimulador FEAS®, Argentina), com ciclos de estimulação (intervalo S1-S1) de 300 e 200 ms, para aferição do período refratário efetivo. Para sua obtenção, a estimulação foi realizada por meio dos eletrododos epicárdicos das regiões ST, ADb e AE, utilizada intensidade de 5,0 mAmperes (mA) e com duração da largura de pulso de 2,0 ms. A intensidade de 5 mA foi adotada para se garantir o comando tecidual atrial constante e uniforme durante todo o experimento. Para aferição do período refratário efetivo foi utilizada a técnica clássica da estimulação atrial programada, sendo obedecido o seguinte protocolo: após introdução de 8 pulsos (ciclo de estimulação S1-S1 de 300 e 200 ms), eram aplicados extra-estímulos (S2) com intervalos de acoplamento (S1-S2) progressivamente decrescentes de 5,0 ms, até quando não mais se observasse captura atrial5.
Os intervalos para determinação dos tempos de condução intra-atrial e interatrial foram obtidos por meio da estimulação atrial contínua por 10s a partir de ST, com intensidade de 5,0 mA e largura de pulso de 2,0 ms. Com seqüência de pulsos a intervalos de 300 e 200 ms determinaram-se os tempos de condução entre ST e ADb (tempo de condução intra-atrial) e entre ST e AE (tempo de condução interatrial). O tempo de condução atrial dos estímulos prematuros, a partir da estimulação em ST para as regiões ADb e AE, foi obtido pela aferição do intervalo S2-A2 (intervalo compreendido entre a espícula liberada pelo estimulador e o respectivo eletrograma atrial do batimento prematuro nas regiões ADb e AE) com ciclos de estimulação de 300 e 200 ms. A variável dispersão da refratariedade atrial foi obtida a partir do conhecimento das durações dos períodos refratários atriais.
A vulnerabilidade atrial foi determinada com a estimulação atrial contínua e rápida, com intervalo S1-S1 de 100 ms (equivalente a 600 pulsos por minuto [ppm]), com intensidade de 5,0 mA, largura de pulso de 2,0 ms por períodos de 10s, por três vezes consecutivas, na região ST antes e após o período de estimulação atrial. A fibrilação atrial induzida por esta técnica era considerada
Os efeitos da corrente elétrica contínua pulsátil foram analisados após a estimulação atrial que era realizada quando os polos positivo e negativo de uma bateria de 9 Volts (Duracel®) eram conectados a um circuito eletrônico comercialmente disponível, denominado LM555®. Esse circuito é um sistema estável, que gera intervalos de estimulação ou oscilações previamente programados de maneira muito simples e de alta precisão. A forma de liberação da corrente elétrica, a partir da bateria, deixa de ser contínua e linear, para ser do tipo contínua e pulsátil. Assim, a energia da bateria é transformada em freqüências pré-programadas de estimulação, com variações da largura de pulso e da intensidade de estimulação que se julguem adequadas ao procedimento. Nesse protocolo, o sistema era programado para realizar estimulações a partir do apêndice atrial direito utilizando a corrente com intensidade de 5,0 mA e freqüência de 600 ppm, com largura de pulso de 2,0 ms, por período de 1h. Após o período de estimulação atrial, foram reavaliadas imediatamente as variáveis eletrofisiológicas obtidas na condição controle. Ao final do estudo, era realizada outra biópsia epicárdica atrial direita para análises histológicas, com microscopias óptica e eletrônica. Essas análises eram programadas para serem realizadas pelo menos em um para cada dois cães pela microscopia óptica e, em um para quatro cães pela a microscopia eletrônica. A seguir, os animais eram sacrificados com injeção endovenosa de cloreto de potássio para indução de fibrilação ventricular, precedida pelo aprofundamento da anestesia.
O manejo dos animais seguiu as regras nacionais e internacionais relacionadas ao estudo experimental em laboratório. O protocolo de estudo foi previamente aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Instituição.
Foram empregados 22 cães, 17 (77,27%) do sexo masculino e cinco (22,73%) do sexo feminino, sem raça definida, com média de pêsos de 23±12 kg (variando entre 16 e 27 kg). A fibrilação atrial foi induzida em 100% dos animais durante a aplicação da corrente elétrica contínua pulsátil sobre o tecido atrial (
Não se observaram diferenças significativas nas durações dos períodos refratários efetivos, comparando-se as condições pré e pós-estimulação atrial, tanto nas regiões ST, ADb e AE, com ciclos de estimulação de 300 e 200 ms. A média da duração do período refratário efetivo atrial global reduziu significativamente quando comparados os valores obtidos com os ciclos de 300 e 200 ms, tanto antes quanto após a estimulação atrial (
A dispersão da duração do período refratário efetivo atri al, definida pelo coeficiente de variação do período refratário, foi similar nas duas situações, antes e após a indução de fibrilação atrial (
O tempo de condução intra-atrial foi similar nas situações pré e pós-estimulação atrial, quando comparados dentro do mesmo ciclo de estimulação (intervalos S1-S1 de 300 ms e de 200 ms) (
Observou-se prolongamento significativo da média dos valores do tempo de condução dos extra-estrímulos atriais, aplicados em ST e medidos em ADb e AE, com ciclos de estimulação de 300 ms e 200 ms, após a indução de fibrilação atrial em comparação com a situação controle (
A duração dos eletrogramas atriais em ST, ADb e AE durante ritmo sinusal, antes e imediatamente após a estimulação atrial, encontra-se descrita na
Antes e após a estimulação atrial, foi testada a indutibilidade da fibrilação atrial com a estimulação atrial a 600 ppm. Na situação controle, em nenhum animal conseguiu-se a indução de fibrilação atrial sustentada; a forma não sustentada foi observada em apenas três cães (13,60%; com média de durações de 18,67±11 segundos); em um animal (4,40%) foi induzido
A biópsia epicárdica atrial foi realizada em 10 (45,5%) cães, com a retirada de tecido da região anterior do átrio direito, a cerca de 2 cm de distância de onde estava sendo realizada a estimulação atrial com corrente contínua. Na situação controle nenhuma alteração histológica foi observada. Entretanto, em 100% dos animais em que a biópisa foi realizada, após a indução de fibrilação atrial, foram observadas áreas de edema intersticial na região subepicárdica, e bandas de contração celular na região do subepicárdio foram observadas em 5/10 (50%) dos animais. A microscopia eletrônica, realizada em cinco animais, mostrou intensa desorganização miofibrilar, edema intersticial difuso além de hipertrofia importante das mitocôndrias. Essas últimas apresentavam desarranjo lamelar difuso além de áreas de edema e fragmentação de lamelas (
Este estudo demonstrou que a estimulação atrial com corrente elétrica contínua pulsátil induz fibrilação atrial de maneira constante e reprodutível. Em mais da metade do grupo de animais (54,54%) a arritmia persistiu espontaneamente por períodos de até 13min, mesmo após o interrupção da estimulação. Além disso, a fibrilação atrial induzida provocou alterações estruturais celulares, caracterizando o remodelamento anatômico atrial, conforme demonstrado pela biópsia epicárdica. A principal alteração da eletrofisiologia atrial observada nesta investigação foi o prolongamento do tempo de condução atrial.
A estimulação do apêndice atrial direito, com freqüência de 600 ppm por 60min, provoca inicialmente captura atrial irregular, mas após decorridos cerca de 15min do início do procedimento, já se percebia claramente a resposta atrial numa relação 1:1, por alguns batimentos, seguida de intensa desorganização da atividade elétrica dessa região. Este achado sugere que, com o passar do tempo, o encurtamento progressivo da refratariedade atrial, com a persistência da estimulação rápida, permite capturas atriais mais freqüentes, até próximo do período refratário efetivo, momento no qual as frentes de onda começam a coincidir com a fase de repolarização (período vulnerável atrial). Além disso, pode-se supor que a recuperação da excitabilidade atrial é heterogênea quando os átrios são ativados em seqüência rápida, o que faz com que o impulso caminhe mais lentamente em tecido pouco excitável. De acordo com Prinzmetal, a estimulação atrial rápida próxima do limiar de indução de fibrilação atrial, provoca retardos graduais da condução local que se tornam cada vez mais intensos, fato esse que intensifica a quebra de ondas de despolarização elétrica8.
A fibrilação atrial foi induzida em todos os animais durante o período de estimulação atrial e, em 54% deles, a arritmia persistiu espontaneamente, mesmo após a interrupção da estimulação. Esse fato deve-se provavelmente às modificações eletrofisiológicas e estruturais celulares que facilitariam a manutenção da arritmia. A maioria dos estudos relacionados à indução artificial de fibrilação atrial em laboratório obteve períodos progressivamente maiores dessa arritmia, à medida que o tempo de estimulação se prolongava2-4. Estas observações implicam ter havido mudanças estruturais nas células, associadas às alterações da eletrofisiologia. Provavelmente, períodos curtos de estimulação, como os empregados em nosso estudo, promovam apenas modificações transitórias e reversíveis da eletrofisiologia atrial, em reposta à freqüência rápida de estimulação, diferentemente do que ocorre quando a estimulação prolonga-se por três ou quatro semanas. Em outras palavras, com períodos curtos de estimulação atrial, as alterações observadas seriam apenas funcionais e primárias relacionadas com a própria estimulação, indicando uma fase de adaptação celular à taquicardia, artificialmente induzida. Por outro lado, períodos mais longos de estimulação induziriam alterações estruturais mais intensas, tornando difícil a separação entre o efeito primário e o secundário da estimulação atrial, no surgimento da fibrilação atrial9.
A estimulação atrial com corrente contínua pulsátil causou modificações da eletrofisiologia celular. Em outros modelos experimentais, que incluem a estimulação atrial por mais de 24h, às vezes por semanas, é freqüente observar-se prolongamento do tempo de condução atrial, principalmente nos experimentos em que se desenvolve insuficiência cardíaca2. Este fato ocorre devido à presença de fibrose tecidual e também à intensa desorganização estrutural das células10. O maior retardo da condução atrial encontrado em nosso estudo ocorreu no intervalo ST-AE, com a estimulação atrial com ciclo de 200 ms. Nesse caso, o retardo aconteceu com a estimulação atrial mais rápida e entre dois eletrodos distantes, ao invés de surgir também entre ST e ADb, próximos entre si. Este achado indica que a frente de onda encontra cada vez mais tecido parcialmente refratário à sua frente durante estimulações rápidas, já que o tempo de recuperação da excitabilidade local é mais prolongado nessa condição. O grau de retardo maior entre as regiões ST e AE, com ciclo de 200 ms e não com o ciclo de 300 ms, seria indicativo da inversão na adaptação da condução atrial a freqüências mais rápidas, segundo Manios e cols.11, tendo em consideração o potencial de ação monofásico. No átrio direito e com ciclos de estimulação mais longos (intervalo ST-ADb com ciclo de 300 ms), não se observou prolongamento do tempo de condução atrial, pois a recuperação da excitabilidade atrial é mais rápida próxima da fonte estimuladora, como foi o caso da estimulação em ST, o que reduziria a chance de condução do impulso elétrico em tecido ainda parcialmente refratário entre essa região e ADb8.
Um achado importante em nosso estudo foi a observação de que o tempo de condução atrial de impulsos prematuros esteve significativamente prolongado, após a estimulação atrial. A fibrilação atrial surge e tende a se perpetuar quando existe grau importante de retardo da condução do impulso elétrico, mesmo que não haja alterações da duração do período refratário atrial. Experimentalmente, já se demonstrou que em corações de coelhos, um retardo crítico da condução é necessário para se iniciar a atividade em um circuito reentrante12. Cosio e cols.7 e Buxton e cols.13 já demonstraram que pacientes com história clínica de fibrilação atrial apresentam prolongamento da condução de extra-sístoles artificialmente introduzidas nos átrios, sendo essa uma marca da vulnerabilidade atrial para o surgimento de fibrilação atrial nessa população. Qin e cols.14 demonstraram que pacientes com história de fibrilação atrial apresentam aumento muito mais significativo e intenso da inclinação da curva de condução atrial em relação à prematuridade dos extra-estímulos atriais do que os pacientes sem arritmias e que não havia diferença importante das durações de períodos refratários atriais em ambos os grupos, como observado em nosso estudo, sugerindo que a alteração do substrato atrial, representado pelo prolongamento do tempo de condução, era o fator mais importante para o desencadeamento de fibrilação atrial nos pacientes com história clínica dessa arritmia.
Uma das condições para o surgimento de fibrilação atrial, mesmo em corações normais, é a heterogeneidade da duração dos períodos refratários. O nosso estudo mostrou que nos animais, nos quais a vulnerabilidade ao surgimento de fibrilação atrial era maior, a dispersão da refratariedade também o era. Dos 15 animais, nos quais se conseguiu a indução de fibrilação atrial sustentada após a pesquisa da vulnerabilidade atrial, 11 (73,3%) deles apresentavam aumento da dispersão da duração do período refratário efetivo atrial. Achado que sugere que a estimulação atrial causa um desarranjo eletrofisiológico tecidual, acarretando heterogeneidade regional dos períodos refratários. A ausência de modificações significativas na duração do período refratário efetivo atrial, após a estimulação atrial por 60min, e o aumento da sua heterogeneidade (ou seja maior dispersão) nos cães nos quais se induziu fibrilação atrial após aquele período são resultados similares aos de Fareh e cols5 que observaram maior vulnerabilidade atrial nos animais que se submeteram à estimulação atrial a 400 ppm durante 24h. Nesses cães, a dispersão da refratariedade foi o principal fator relacionado à maior vulnerabilidade para indução artificial de fibrilação atrial, enquanto que o período refratário efetivo em si e o comprimento de onda não apresentaram qualquer relação.
Imediatamente após a interrupção da fibrilação atrial induzida, a duração dos eletrogramas locais prolongou-se significativamente durante ritmo sinusal, nas três regiões estudadas, particularmente em ST e ADb. Esse achado indica retardo local da condução com freqüências cardíacas mais lentas, ou seja, efeito freqüência-dependente reverso e pode ser um fator importante para o surgimento de novos episódios da arritmia, particularmente na presença de gatilhos, como as extra-sístoles atriais. Em estudo realizado por Tanigawa e cols.16, o mapeamento do átrio direito de pacientes com história de fibrilação atrial, com ou sem disfunção sinusal associada, evidenciou eletrogramas atriais fracionados, de longa duração, distribuídos heterogeneamente. Tai e cols.17 realizando mapeamento endocárdico em pacientes com e sem arritmias atriais, demonstraram que os portadores de
Na pesquisa da vulnerabilidade atrial, obteve-se fácil indução de fibrilação atrial na maioria dos animais (86,36%) após o período de estimulação atrial com corrente contínua. A sustentação da arritmia por um período maior que 30s foi observada em 68,18% deles, valor esse similar aos 67% dos cães do estudo de Gaspo e cols.19, nos quais o átrio direito foi estimulado por sete dias25. Baseado nas informações do estudo de Wijffels e cols.3, sabe-se, hoje, que são necessários tempos de estimulação longos para que os períodos de fibrilação atrial tornem-se sustentados por períodos de 24h ou mais3. Em nossos animais, contudo, a dispersão da refratariedade e o retardo local da condução do impulso foram suficientes para que a arritmia fosse induzida e sustentada em 73,30% deles, apesar do período de estimulação de 60min.
No nosso estudo, a estimulação atrial persistente provoca modificações da eletrofisiologia e da arquitetura atriais em coração de cães sem cardiopatia. As alterações provocadas devem aumentar a vulnerabilidade atrial ao surgimento espontâneo ou ao desencadeamento da arritmia por meio da estimulação atrial programada. Uma das maiores dificuldades para o estudo experimental da fibrilação atrial está relacionado com a sua indução e sustentação por períodos longos, para que se permita testar técnicas de tratamento não famacológico. Com a maior vulnerabilidade do tecido atrial, tanto para a indução artificial quanto para o surgimento espontâneo e sustentado da arritmia, técnicas de cardioversão elétrica intracavitária e ablação percutânea com cateteres poderão também ser testadas, visto que se trata de um modelo simples e rápido para a obtenção dessa arritmia.
Os registros dos eletrogramas atriais foram obtidos em três regiões, não permitindo, contudo, que conclusões a respeito de modificações, tanto da freqüência atrial quanto das morfologias dos eletrogramas atriais de outras áreas não registradas, pudessem ser estabelecidas. Poder-se-ia aventar a hipótese de que a duração dos eletrogramas atriais estivesse alterada após a indução da fibrilação atrial, pelo eventual edema local causado pela sutura dos fios de marcapasso. Contra esta possibilidade está o fato de que a observação por até uma hora após o término do experimento, mostrava retorno gradual da duração destes eletrogramas à condição controle. Caso fosse de origem traumática, a tendência seria a persistência de tais alterações, provavelmente. Além disso, num estudo piloto realizado por nós, quando era utilizado o registro endocárdico com cateteres multipolares, o alargamento dos eletrogramas também era identificado mas somente após o protocolo de estimulação atrial.
Em nosso estudo não foram determinados o tamanho do átrio esquerdo nem a pressão intracavitária, de modo que a influência dessas variáveis nos resultados não pôde ser definida. Entretanto, a observação direta do campo cirúrgico mostrou que havia aumento importante de ambas as câmaras atriais, além da detecção da maior tensão na parede atrial avaliada, subjetivamente, pela palpação da massa muscular, nos momentos nos quais a fibrilação atrial estava sendo induzida. Com a interrupção da estimulação, essas alterações desapareceram. Durante a indução da fibrilação atrial não se observaram quedas significativas da pressão arterial sistêmica média que pudessem comprometer o estado hemodinâmico dos animais e influenciado os resultados.
Não é possível afastar a possibilidade de influências do sistema nervoso autônomo sobre os resultados observados neste estudo, visto que o bloqueio autonômico completo não foi realizado. Vale salientar entretanto, que as freqüências cardíacas em ritmo sinusal, antes e após o período de estimulação atrial, não foram significativamente diferentes, o que pode ser um indicador sugestivo de que as condições autonômicas eram similares. Como o objetivo primário deste estudo era a avaliação de uma técnica rápida e eficaz para indução de fibrilação atrial, artificialmente, sem a preocupação em descrever mecanismos eletrofisiológicos, justificaria a não utilização da prática rotineira do bloqueio autonômico. Por outro lado, o remodelamento histológico, por nós observado, pode ter sido o principal responsável pelas alterações eletrofisiológicas aqui registradas, independentemente, de eventuais modificações do sistema nervoso autônomo.
Endereço para correspondência Dr. Dalmo Antonio Ribeiro Moreira R. Rino Pieraline 126 apto 12 Cep 04017-010 – São Paulo – SP E-mail:
Enviado para Publicação em 17/07/2003
Aceito em 25/08/04
OBJECTIVE: To assess whether atrial stimulation with pulsatile continuous electrical current induces atrial fibrillation and to evaluate its effects on atrial electrophysiological properties as well as the atrial histological alterations. METHODS: Twenty-two dogs underwent right lateral thoracotomy and implantation of pacemaker electrodes in the sulcus terminalis (ST), in the right atrial appendix (RAb), and in the posteroinferior region of the left atrium (LA). A pair of electrodes was sutured to the right atrial appendix for stimulation with a 9-volt alkaline battery connected to a system (LM 555) that transforms the linear continuous energy of the battery into a pulsatile continuous current for 60 minutes. Atrial epicardial biopsy was performed before and after atrial stimulation. RESULTS: No differences were observed in the durations of the effective atrial refractory periods. The times of intra-atrial and interatrial conduction, as well as that of atrial extrastimuli, were prolonged. The duration of atrial electrograms was prolonged during sinus rhythm and programmed atrial stimulation; in 68% of the dogs, atrial fibrillation was induced and was sustained. Interstitial edema and bands of cellular contraction were observed in the subepicardium on optical microscopy, as were intense myofibrillar disorganization and an increase in the size of the mitochondria on electron microscopy. CONCLUSION: That technique of atrial stimulation induces atrial fibrillation and causes atrial changes that increase atrial vulnerability to the appearance of atrial fibrillation.
Effects of stimulation with pulsatile continuous electrical current on atrial electrophysiological properties. Experimental study of atrial fibrillation in dogs
Dalmo Antonio Ribeiro Moreira; Amanda Guerra Moraes Rego Sousa; Paulo Valente; Elizabete Hosri Leone
São Paulo, SP - Brazil
Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia de São Paulo
The interest in atrial fibrillation has currently risen not only because it is a frequent arrhythmia, but also due to its high risk of complications 1. Due to its high prevalence, the increasing knowledge about its complications, and also the great progress of the percutaneous treatment of some arrhythmias, the interest in the therapeutic approach of atrial fibrillation has increased in recent years. The recent knowledge about the electrophysiological mechanisms involving its genesis has allowed better understanding of the triggering factors and their maintenance. For this knowledge to reach its current stage and to be able to evolve, several experimental models have been described, whose results are similar to data obtained in human hearts in the electrophysiology laboratory 2-4. Despite all progress, so far, the literature has not had a simple, rapid, practical, and inexpensive experimental technique for artificial induction and maintenance of atrial fibrillation in dogs. That is why a simple and reproducible experimental model is useful. The previously cited experimental models used special and sophisticated pacemakers, controlled by computerized systems, capable of rapid stimulation for prolonged periods 2,3. Those systems, however, are expensive and not always available, which is a limiting factor that delays the evolution of the knowledge involved in the appearance of that arrhythmia.
Based on the manner in which ventricular stimulation with continuous electrical current causes ventricular fibrillation, experimental stimulation of the atria with 9-volt alkaline batteries was hypothesized to have the same effect. Preliminary experiments in our laboratory showed that the direct contact of the battery with the atrial epicardium produced important lesions that could eventually influence the results. Because of this, we chose to couple the battery to an electronic system for atrial stimulation, called LM555, which transforms the linear continuous current released by the battery into a pulsatile continuous current, causing lower risk of impairing the atrial musculature. This study was planed considering the hypothesis that atrial stimulation with pulsatile continuous electrical current induces atrial fibrillation and can cause alterations in the atrial electrophysiological properties. This facilitates maintenance or the spontaneous appearance of atrial fibrillation and enables the research of new therapeutic modalities in experimental laboratories. Therefore, the objectives of this study were as follows: a) to assess the efficacy of atrial stimulation with a pulsatile continuous electrical current for inducing atrial fibrillation in dog hearts; b) to assess the effects of that modality of stimulation on atrial electrophysiological properties (effective refractory period; intra-atrial and interatrial conduction times; duration of atrial electrograms in sinus rhythm and during programmed atrial stimulation; the wave length index of the atrial impulse); c) to assess atrial vulnerability to artificial induction or spontaneous appearance of atrial fibrillation after the stimulation period; d) to analyze the histological alterations in the atrial tissue caused by atrial stimulation (morphological or anatomical remodeling).
This study comprised healthy dogs of no defined breed, of both sexes, and weighing between 15 and 30kg. Dogs with the following characteristics were excluded: old dogs (age estimated based on dentition), in which the appearance of spontaneous atrial arrhythmias is common; animals with frequent atrial extrasystoles (above 10/min), atrial tachycardia, or paroxysmal or persistent atrial fibrillation; animals with pericardial thickening, alterations in atrial epicardial color, presence of atrial fibrosis or any other alteration suggesting previous cardiac impairment through direct inspection after chest opening. After preanesthetic medication (fentanyl, 1.0 mg/kg, intramuscular), thiopental sodium (12.5 mg/kg) was intravenously administered for anesthetic induction. After endotracheal intubation, anesthesia was maintained with 100% oxygen with a Takaoka respirator, model 670 (Takaoka, São Paulo, SP, Brazil) in association with continuous administration of halothane. The frequency of the respirator was adjusted for maintaining arterial blood gases within the physiological limits (pH between 7.3 and 7.4; arterial pO2 greater than 90 mmHg; pCO2 between 35 and 40 mmHg and plasma bicarbonate between 20 and 30 mmol/L). After being anesthetized, the animals underwent right lateral thoracotomy in the fourth intercostal space, followed by exposure of the heart in the pericardial sac. On the atrial epicardium, temporary pacemaker threads were implanted in the following regions: a) high right atrium, close to the sulcus terminalis (identified as ST); b) anterior and inferior right atrium, close to the atrioventricular ring, right below the atrial appendix (identified as RAb); c) posteroinferior left atrium, close to the atrioventricular ring and the atrial appendix (identified as LA); d) one pair of electrodes were implanted in the right atrial appendix, serving for atrial stimulation. The external extremities of the epicardial electrodes were connected to a multiple-channel polygraph (FEAS Eletronica, Argentina), for recording bipolar electrograms of the respective atrial regions, along with the electrocardiographic leads D1, D2, aVF. All recordings were performed at the velocity of 100 mm/s and the recording gain of 1 cm equivalent to 1.0 mV.
After preparation of the animal and through direct view, biopsies of the right atrial epicardium were performed in the anterolateral region for histological analysis (control sample).
The effective atrial refractory period was determined by programmed atrial stimulation (stimulator FEAS, Argentina) with stimulation cycles (S1-S1 interval) of 300 and 200 ms. Stimulation was performed through epicardial electrodes in the ST, RAb, and LA regions, using an intensity of 5.0 mAmperes (mA) and duration of pulse width of 2.0 ms. The intensity of 5 mA was adopted to guarantee the constant and uniform atrial tissue command during the entire experiment. For measuring the effective refractory period, the classical technique of programmed atrial stimulation was used, and the following protocol was followed: after introduction of 8 pulses (S1-S1 stimulation cycle of 300 and 200 ms), extrastimuli (S2) were applied at progressively decreasing coupling intervals (S1-S2) of 5.0 ms, until no more atrial capture was observed 5.
The intervals for determining the times of intra-atrial and interatrial conduction were obtained through continuous atrial stimulation for 10s from ST, with an intensity of 5.0 mA and pulse width of 2.0 ms. With pulse sequence at intervals of 300 and 200 ms, the times of conduction between ST and RAb (time of intra-atrial conduction) and between ST and LA (time of interatrial conduction) were determined. The time of atrial conduction of the early stimuli, based on the stimulation in ST for the RAb and LA regions, was obtained by measuring the S2-A2 interval (interval between the spike released by the stimulator and the respective atrial electrogram of the early beat in the RAb and LA regions) with stimulation cycles of 300 and 200 ms.
Dispersion of atrial refractoriness was obtained based on the knowledge about the durations of the atrial refractory periods in sinus rhythm.
Atrial vulnerability was determined with continuous and rapid atrial stimulation at S1-S1 intervals of 100 ms [equivalent to 600 pulses per minute (ppm)], with intensity of 5.0 mA, pulse width of 2.0 ms per periods of 10s, for 3 consecutive times, in the ST region before and after atrial stimulation. Atrial fibrillation induced by that technique was considered sustained if the duration was longer than or equal to 30 s, or nonsustained when its duration was shorter than 30 seconds.
The effects of the pulsatile continuous electrical current were analyzed after the atrial stimulation performed when the positive and negative poles of a 9-volt battery (Duracel) were connected to a commercially available electronic circuit called LM555. That circuit is a stable system that generates previously programmed intervals of stimulation or oscillations in a very simple and highly precise manner. The form of electrical current release from the battery is no longer continuous and linear, but of the continuous and pulsatile type. Therefore, the energy of the battery is transformed into preprogrammed frequencies of stimulation with variations in pulse width and intensity of the stimulation considered adequate for the procedure. In that protocol, the system was programmed to perform stimulations from the right atrial appendix using the current with an intensity of 5.0 mA and frequency of 600 ppm, with a pulse width of 2.0 ms for a one-hour period. After the atrial stimulation period, the electrophysiological variables obtained in the control condition were reassessed immediately. At the end of the study, another right atrial epicardial biopsy was performed for histological analyses with optical and electron microscopies. Those analyses were programmed to be performed in at least one in every 2 dogs on optical microscopy, and in one in every 4 dogs on electron microscopy. Then, the animals were sacrificed with an intravenous injection of potassium chloride for inducing ventricular fibrillation, preceded by deepening of anesthesia.
The management of the animals conformed to the national and international guidelines for experimental laboratory study using animals. The protocol of the study was previously approved by the Research Ethics Committee of the institution.
The study comprised 22 dogs, 17 (77.27%) of the male sex, and 5 (22.73%) of the female sex, with no defined breed and a mean weight of 23±12 kg (ranging from 16 to 27 kg). Atrial fibrillation was induced in 100% of the animals during application of a pulsatile continuous electrical current on atrial tissue (
When comparing the conditions before and after atrial stimulation, no significant differences were observed in the durations of the effective refractory periods in the ST, RAb, and LA regions with 300- and 200-ms stimulation cycles. The mean duration of the overall effective atrial refractory period significantly decreased when comparing the values obtained with cycles of 300 and 200 ms, both before and after atrial stimulation (
The dispersion of duration of the effective atrial refractory period, defined as the coefficient of variation of the refractory period, was similar in both situations, before and after atrial fibrillation induction (
The intra-atrial conduction time was similar before and after atrial stimulation when compared within the same stimulation cycle (S1-S1 intervals of 300 ms and 200 ms) (
In comparison with the control situation, a significant prolongation was observed in the mean values of the conduction time of the atrial extra-stimuli applied to ST and measured in RAb and LA, with 300-ms and 200-ms stimulation cycles, after atrial fibrillation induction (
Duration of the atrial electrograms in ST, RAb, and LA during sinus rhythm, before and immediately after atrial stimulation, are shown in
Before and after atrial stimulation, inducibility of atrial fibrillation was tested with atrial stimulation at 600 ppm. In the control situation, induction of sustained atrial fibrillation was obtained in no animal; the nonsustained form was observed in only 3 dogs (13.60%; with mean duration of 18.67±11 seconds); atrial flutter was induced in one animal (4.40%) with a duration of 23s. No other type of atrial arrhythmia was induced in the other 18 (82%) dogs. However, after 60 minutes of atrial stimulation, sustained atrial fibrillation was triggered in 15/22 dogs (68.18%), with a mean duration of 148.00±123 seconds (range: from 35 to 420 seconds). Nonsustained atrial fibrillation was induced in 4 animals (mean duration, 17.00±8.72 seconds). In only 3 (13.63%) dogs, no arrhythmia was induced during the atrial vulnerability test. Programmed stimulation of ST and RAb showed that those sites were the most vulnerable to atrial fibrillation induction. Therefore, with stimulation in ST, atrial fibrillation was induced in 5/8 (62.5%) dogs; stimulation in RAb induced atrial fibrillation in 6/8 dogs (75%); and stimulation in LA induced atrial fibrillation in only 2/8 dogs (25%).
Epicardial atrial biopsy was performed in 10 (45.5%) dogs and comprised removal of tissue of the anterior region of the right atrium, 2 cm away from the site where atrial stimulation was performed with continuous current. In the control situation, no histological alteration was observed. However, in 100% of the animals undergoing biopsy after atrial fibrillation induction, areas of interstitial edema were observed in the subepicardial region, and bands of cell contraction in the subepicardial region were observed in 5/10 (50%) animals. Electron microscopy, performed in 5 animals, showed intense myofibrillar disorganization, diffuse interstitial edema, in addition to significant hypertrophy of the mitochondria, which showed diffuse lamellar disarray, in addition to areas of edema and lamellar fragmentation (
This study showed that atrial stimulation with pulsatile continuous electrical current induces atrial fibrillation in a constant and reproducible manner. In more than half of the animals (54.54%), the arrhythmia persisted spontaneously for up to 13 minutes, even after interruption of stimulation. In addition, induced atrial fibrillation caused structural cell alterations, characterizing anatomical atrial remodeling, as shown in epicardial biopsy. The major alteration in atrial electrophysiology observed in this study was the prolongation of time of atrial conduction.
Stimulation of the right atrial appendix, at a frequency of 600 ppm for 60 minutes, initially causes irregular atrial capture, but approximately 15 minutes after the beginning of the procedure, atrial response in a 1:1 relation is clearly seen for some beats, followed by an intense disorganization of the electrical activity of that region. This finding suggests that, over time, the progressive shortening of atrial refractoriness with persistence of rapid stimulation allows more frequent atrial captures up to the effective refractory period, in which the wave fronts begin to coincide with the repolarization phase (period of atrial vulnerability). In addition, one may assume that recovery of atrial excitability is heterogeneous when the atria are activated in rapid sequence, which makes the impulse travel slowly in a little excitable tissue. According to Prinzmetal, rapid atrial stimulation close to the threshold of atrial fibrillation induction causes gradual delays in local conduction, which become increasingly intense, a fact that intensifies the breaking of electrical depolarization waves 8.
Atrial fibrillation was induced in all animals during the period of atrial stimulation, and in 54% of the animals the arrhythmia persisted spontaneously even after interruption of the stimulation. This may be due to the electrophysiological and structural cell modifications that facilitate the maintenance of arrhythmia. Most studies related to artificial induction of atrial fibrillation in the laboratory reported progressively longer periods of that arrhythmia as the time of stimulation increased 2-4. Those observations indicate the occurrence of structural changes in the cells in association with electrophysiological alterations. Short periods of stimulation, as those used in our study, may cause only transient and reversible modifications in atrial electrophysiology in response to the rapid frequency of stimulation, differently from that which occurs when stimulation extends for 3 or 4 weeks. In other words, with short periods of atrial stimulation, the alterations observed would be only functional and primary, related to stimulation itself, indicating a phase of cell adaptation to artificially induced tachycardia. On the other hand, longer periods of stimulation would induce more intense structural alterations, hindering the separation of the primary effect from the secondary effect of atrial stimulation in the appearance of atrial fibrillation 9.
Atrial stimulation with pulsatile continuous current caused modifications in cell electrophysiology. In other experimental models, which include atrial stimulation for more than 24 hours, sometimes for weeks, enlargement of the time of atrial conduction is frequently observed, mainly in experiments in which heart failure is developed 2. This is due to the presence of tissue fibrosis and also the intense structural disorganization of the cells 10. The greatest delay in atrial conduction found in our study occurred in the ST-LA interval, with atrial stimulation at 200-ms cycle. In our study, the delay occurred with the more rapid atrial stimulation between 2 distant electrodes, instead of also appearing between ST and RAb, which were close to each other. This finding indicates that the wave front finds an increasing amount of partially refractory tissue before it during rapid stimulations, as the time of recovery of local excitability is more prolonged in that condition. The degree of greater delay between the ST and LA regions with 200-ms cycle and not with 300-ms cycle could indicate inversion in adaptation of atrial conduction to more rapid frequencies, according to Manios et al 11, considering the monophasic action potential. In the right atrium and with longer stimulation cycles (ST-RAb interval with 300-ms cycle), no prolongation in the time of atrial conduction was observed, because recovery of atrial excitability is more rapid close to the stimulating source, similarly to the stimulation in ST, which would reduce the chance of conduction of the electric impulse in a still partially refractory tissue between that region and RAb 8.
One important finding in our study was the observation that the time of atrial conduction of the early impulses was significantly prolonged after atrial stimulation. Atrial fibrillation appears and tends to perpetuate itself when an important degree of delay in the conduction of the electrical impulse exists, even when no alteration in duration of the atrial refractory period exists. It has already been experimentally demonstrated in hearts of rabbits that a critical delay in conduction is necessary to initiate the activity in a reentrant circuit 12. Cosio et al 7 and Buxton et al 13 have already shown that patients with a clinical history of atrial fibrillation have a prolongation in the conduction of extrasystoles artificially introduced in the atria, this being a mark of atrial vulnerability for the appearance of atrial fibrillation in that population. Qin et al 14 reported that patients with a history of atrial fibrillation have a much more significant and intense increase in the gradient of the curve of atrial conduction in regard to prematurity of the atrial extrastimuli than patients with no arrhythmias do. Those authors also reported that no important difference in the duration of the atrial refractory periods existed in both groups, as observed in our study, suggesting that the alteration in atrial substrate, represented by prolongation in the time of conduction was the most important factor for triggering atrial fibrillation in patients with a clinical history of that arrhythmia.
One of the conditions for the appearance of atrial fibrillation, even in normal hearts, is the heterogeneity of duration of refractory periods. Our study showed that dispersion of refractoriness was greater in the animals more vulnerable to the appearance of atrial fibrillation. Of the 15 animals, in which sustained atrial fibrillation was induced after assessment of atrial vulnerability, 11 (73.3%) had an increase in dispersion of duration of the effective atrial refractory period. This finding suggests that atrial stimulation causes an electrophysiological disarray in the tissue, resulting in regional heterogeneity of the refractory periods. Absence of significant changes in duration of the effective atrial refractory period after atrial stimulation for 60 minutes and the increase in its heterogeneity (ie, greater dispersion) in dogs in which atrial fibrillation was induced after that period were observed. These results were similar to those reported by Fareh et al 15, who observed greater atrial vulnerability in animals undergoing atrial stimulation at 400 ppm for 24 hours. In those dogs, dispersion of refractoriness was the major factor related to greater vulnerability to artificial induction of atrial fibrillation, while the effective refractory period per se and wave length showed no relation.
Immediately after interrupting induced atrial fibrillation, the duration of the local electrograms prolonged significantly during sinus rhythm in the 3 regions studied, particularly in ST and RAb. This finding indicates a local delay in conduction with slower heart rates, ie, reverse heart-rate dependent effect, and may be an important factor for the appearance of new episodes of arrhythmia, particularly in the presence of triggers, such as atrial extrasystoles. In a study by Tanigawa et al 16, right atrial mapping in patients with a history of atrial fibrillation, with or without associated sinus dysfunction, showed long-term fractioned atrial electrograms heterogeneously distributed. Tai et al 17, performing endocardial mapping in patients with and without atrial arrhythmias, showed that patients with paroxysmal atrial fibrillation or flutter had more fractioned right atrial electrograms and of longer duration than individuals with no documented atrial arrhythmia. In our dogs, structural cell alterations characterized by the presence of myofibril disarray, degeneration of myocytes, interposition of collagen tissue among myofibrils and interstitial edema may justify local delays in conduction and the consequent increase in duration of atrial electrograms 18.
In assessing atrial vulnerability, atrial fibrillation was easily induced in most animals (86.36%) after the period of atrial stimulation with continuous current. Sustenance of arrhythmia for more than 30 seconds was observed in 68.18% of them, a value similar to the 67% of dogs of the study by Gaspo et al 19, whose right atria were stimulated for 7 days 2,5. Based on the study by Wijffels et al 3, it is currently known that long times of stimulation are required for the periods of atrial fibrillation to be sustained for 24 hours or more 3. In our animals, however, dispersion of refractoriness and local delay in conduction of the impulse were sufficient for arrhythmia to be induced and sustained in 73.30% of them, despite the stimulation period of 60 minutes.
In our study, persistent atrial stimulation causes changes in atrial electrophysiology and architecture in the hearts of dogs with no heart disease. The changes should increase atrial vulnerability to the spontaneous appearance or triggering of arrhythmia through programmed atrial stimulation. One of the major difficulties for the experimental study of atrial fibrillation relates to its induction and sustenance for long periods, so that nonpharmacological treatments can be tested. With the greater vulnerability of the atrial tissue, both for the artificial induction and spontaneous and sustained appearance of arrhythmia, techniques of intracavitary electrical cardioversion and percutaneous ablation with catheters may also be tested, considering that it is a simple and rapid model for obtaining that arrhythmia.
The recordings of atrial electrograms were obtained in 3 regions, not allowing, however, that conclusions about changes in atrial frequency and morphologies of atrial electrograms of other nonrecorded areas could be established. One could formulate the hypothesis that the duration of the atrial electrograms was altered after induction of atrial fibrillation due to the occasional local edema caused by suture of the pacemaker threads. Against this possibility is the fact that observation for up to one hour after ending the experiment showed a gradual return of duration of those electrograms to the control condition. If those alterations were of traumatic origin, they might tend to persist. In addition, in a pilot study using endocardial registration with multipolar catheters, widening of the electrograms was also identified, but only after the protocol of atrial stimulation.
Our study determined neither left atrial size nor intracavitary pressure; therefore, the influence of those variables in the results could not be defined. However, direct observation of the surgical field showed an important enlargement of both atrial chambers, in addition to detecting the greater tension in the atrial wall, which was subjectively assessed on palpation of the muscular mass, at the moments when atrial fibrillation was induced. With interruption of stimulation, those alterations disappeared. During atrial fibrillation induction, significant drops in mean systemic blood pressure that could impair the hemodynamic status of the animals and influence the results were not observed.
The possibility of influences of the autonomous nervous system on our results could not be ruled out, because complete autonomous block was not performed. It is worth emphasizing, however, that the heart rates in sinus rhythm, before and after the period of atrial stimulation, were not significantly different, which may be an indicator suggesting that the autonomic conditions were similar. The nonuse of the routine practice of autonomous block was justified because the primary objective of this study was to assess a rapid and effective technique for the artificial induction of atrial fibrillation, with no concern about describing the electrophysiological mechanisms. On the other hand, the histological remodeling that we observed may have been the major cause of the electrophysiological alterations here reported, regardless of occasional changes in the autonomous nervous system.
Correspondence to Dalmo Antonio Ribeiro Moreira Rua Rino Pieraline 126/12 Cep 04017-010 São Paulo, SP, Brazil E-mail:
Received for publication: 07/17/2003
Accepted for publication: 08/25/04
English version by Stela Maris Costalonga