Acute electrophysiological modulation of the atria and pulmonary veins: Effects of sympathetic and parasympathetic interaction on atrial fibrillation inducibility

IntroductionAtrial fibrillation (AF) is a complex disease with multiple mechanisms, including the interaction with the autonomic nervous system (ANS), electrophysiological properties of the atria and pulmonary veins (PVs), and vulnerability for AF. We assessed the effects of acute vagal (vagus_stim) and sympathetic stimulation (symp_stim) on atrial conduction, atrial and PV refractoriness and inducibility of AF in an in vivo rabbit model with preserved autonomic innervation.MethodsAn open-epicardial approach was used in 17 anesthetized and artificially ventilated New Zealand white rabbits. The ECG was recorded with bipolar subcutaneous electrodes placed in the four limbs. Electrograms were obtained with four monopolar electrodes placed epicardially along the atria, and an electrode adapted to the proximal PVs. The cervical vagus nerve and thoracic sympathetic trunk were stimulated with bipolar electrodes. Epicardial activation was recorded in sinus rhythm, and effective refractory periods (ERPs) and conduction times from the high-lateral right atrium (RA) to the high-lateral left atrium (LA) and PVs were quantified at baseline and during vagus_stim, symp_stim, or combined vagal and sympathetic stimulation (dual_stim). Burst pacing (50 Hz, 10 s), alone or combined with vagus_stim, symp_stim or dual_stim, was performed in the right (RAA) and left atrial appendage (LAA) and PVs to test for AF inducibility.ResultsAt baseline, ERPs were higher in the LAA and there was a delay in the conduction time from RA to PV, compared to the mean activation time from RA to LA. During vagus_stim or dual_stim, ERP decreased significantly at all sites, and baseline interatrial activation times changed from 20±4 ms to 30±10 ms and from 21±5 ms to 31±11 ms, respectively (p<0.05). Symp_stim resulted in a significant decrease in ERPs only in the LAA, and a reduction of the interatrial interval to 16±11 ms (p<0.05 vs. baseline). AF inducibility ranged from 35% to 53% with baseline 50 Hz pacing, 65–76% during vagus_stim or symp_stim, and 75–100% with dual_stim (p<0.05). AF duration increased significantly during ANS stimulation. In two-thirds of the animals with longer inducible AF, the arrhythmia ceased immediately after cessation of vagus_stim.ConclusionsIn the fully innervated rabbit heart in vivo, acute ANS stimulation shortens atrial and PV refractoriness, and significantly changes atrial conduction times, promoting AF induction and prolonging the arrhythmia. This underscores the importance of acute variations in ANS tone and its interactions in the pathophysiology of AF.

ResumoA influência do sistema nervoso autónomo (SNA) na génese da fibrilhação auricular (FA) envolve múltiplos mecanismos complexos com impacto nas propriedades electrofisiológicas cardíacas. A importância dos efeitos da estimulação autonómica no substrato eléctrico auricular e das veias pulmonares (VP) e na vulnerabilidade para FA requer melhor compreensão.ObjectivoAvaliar os efeitos da estimulação vagal (estim_vag) e simpática (estim_simp) aguda na condução e refractariedade das aurículas e VP e na inducibilidade de FA no coração de coelho in vivo com inervação autonómica preservada.MétodosEstudámos 17 coelhos New Zealand de ambos os sexos. Para abordagem de “toráx-aberto” procedeu-se a anestesia, entubação e ventilação após bloqueio neuro-muscular. O ECG foi obtido a partir de 3 derivações dos membros. Os electrogramas foram registados com 4 eléctrodos monopolares colocados na superfície epicárdica, distribuídos ao longo das aurículas e com um eléctrodo circular adaptado à porção proximal das VP. Estimulou-se o nervo vago cervical direito e o tronco simpático torácico com eléctrodos bipolares de platina. Estudámos os períodos refractários efectivos (PRE) e a condução eléctrica auricular, entre a aurícula direita lateral-alta (AD) e a aurícula esquerda lateral-alta (AE), e entre AD e VP, em condições basais e durante estim_vag, estim_simp e estimulação autonómica combinada (dual_estim). Para indução de FA, procedeu-se a pacing rápido (50 Hz, 10 s, isolado ou com estim_vag, estim_simp ou dual_estim) com eléctrodo bipolar no apêndice auricular direito (AAD), apêndice auricular esquerdo (AAE) e VP.ResultadosEm condições basais: os PRE eram maiores no AAE e registou-se um atraso na activação da AD para as VP, comparando com a condução interauricular. Durante estim_vag ou dual_estim: os PRE encurtaram significativamente em todos os locais, o intervalo de condução interauricular variou de 20±4 ms para 30±10 ms (p<0,05) e 31±11 ms (p<0,05), respectivamente. Com estim_simp obteve-se uma redução significativa dos PRE no AAE e do tempo de condução interauricular para 16±11 ms (p<0,05). Induziu-se FA em 35% a 53% dos animais com 50 Hz, 65% a 76% com estim_vagal ou estim_simp, e 75% a 100% com dual_estim (p<0,05). A duração da FA aumentou significativamente durante estim_vagal e/ou estim_simp. Em 2/3 dos animais com indução de FA com duração >10 s a arritmia terminou imediatamente após interrupção da estim_vagal.ConclusõesNo coração de coelho inervado in vivo, a estimulação autonómica aguda encurta a refractariedade auricular e das VP, e modifica a velocidade de condução auricular, potenciando a indução e duração de FA. Os resultados sugerem que as variações agudas e a interacção da actividade autonómica podem desempenhar um papel importante na fisiopatologia da FA.