Ekokardiografisk bedömning av hjärtats anatomi och funktion hos vuxna råttor
Summary
En icke-invasiv protokoll för transtorakal ekokardiografi bedömning av hjärtats anatomi och funktion för vuxna råttor presenteras i den aktuella studien. Hjärtklaffarna, alla fyra hjärt kammare och aorta ascendens, aortabågen och fallande aorta studeras i detalj.
Abstract
Användningen av experimentella djurmodeller har blivit avgörande i kardiovaskulär vetenskap. De flesta studier som använder gnagare modeller är inriktade på tvådimensionell avbildning för att studera hjärtats anatomi av vänster kammare och M-läge ECHO att bedöma dess dimensioner. Detta kan dock begränsa en omfattande studie. Häri beskriver vi ett protokoll som möjliggör en bedömning av hjärtats kammar storlek, vänsterkammarfunktion (systoliskt och diastolisk) och valvulär funktion. En konventionell medicinsk ultraljud maskin användes i detta protokoll och olika eko åsikter erhölls genom vänster parasternal, apikala och suprasternal fönster. I vänster parasternal fönstret, den långa och korta axeln förvärvades för att analysera vänster kammare dimensioner, höger kammare och Pulmonell artär dimensioner, och mitral, pulmonell och aortaklaffen funktion. Det apikala fönstret tillåter mätning av hjärtats kammar dimensioner och utvärdering av systoliska och diastoliska parametrar. Det möjliggör också Dopplerbedömning med detektion och kvantifiering av hjärt klaffs störningar (uppstötningar eller stenos). De olika segmenten och väggarna i vänsterventrikeln visualiseras i alla vyer. Slutligen, aorta ascendens, aorta Arch, och fallande aorta kan avbildas genom suprasternal fönstret. En kombination av ultraljud avbildning, Doppler flöde och vävnads Doppler bedömning har erhållits för att studera kardiell morfologi och funktion. Detta är ett viktigt bidrag för att förbättra bedömningen av hjärtfunktionen hos vuxna råttor med effekt för forskning med hjälp av dessa djurmodeller.
Introduction
Hjärt-kärlsjukdom är den vanligaste dödsorsaken i Europa, ansvarig för över 4 000 000 årligen dödsfall, trots framsteg i terapi, diagnos och övervakning som har förbättrat patientens utfall under de senaste åren. En snabb teknisk utveckling har bidragit till framsteg inom kardiovaskulär patientvård. Inom dessa diagnostiska verktyg har särskild uppmärksamhet ägnas biomedicinsk avbildning, vilket möjliggör en anatomisk och funktionell utvärdering på ett icke-invasivt sätt1,2,3. På samma sätt gynnas medicinen av resultaten av biomedicinsk forskning. Experimentella djurmodeller är mycket användbara för att testa hypoteser som härrör från den kliniska miljön och att utveckla innovativa terapier4,5.
Det finns ett ökat intresse för användning av ekokardiografi som ett forskningsverktyg i experimentella djurmodeller, vilket gör det möjligt att förvärva flera mätningar från ett enda djur i longitudinella studier. Det är viktigt att notera att det finns vissa fördelar med att använda murina eller gnagare modeller. Den korta gestationsperioden, låga kostnader för avel och bostäder, kunskapen om deras arvsmassa och möjligheten att utveckla transgena djur är de främsta fördelarna med dessa arter, vilket gör dem attraktiva för att studera de mekanismer som är involverade i kardiovaskulär sjukdom4,5,6,7,8,9. Även råtta och musmodeller visar liknande fördelar, råttor är det klassiska valet i kardiovaskulära studier på grund av deras större fysiska dimension och lägre hjärtfrekvens som ger bättre bilder i ekokardiografi studier4,5,6,7,8,9,10.
Vi beskriver ett ekokardiografi protokoll med konventionell medicinsk ultraljudsutrustning för att utvärdera hjärt kammare och hjärtklaffar (anatomi och funktion) med hjälp av Wistar råttor. Detta är ett kortfattat och komplett protokoll för kort tid förvärv bilder och loopar som tillåter offline mätningar, som senare kan revideras för att integrera nya variabler eller mätningar över tid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll möjliggör en fullständig ekokardiografisk studie med konventionell medicinsk ultraljudsutrustning och en högfrekvent sond hos vuxna råttor. Detta är en viktig aspekt av protokollet, eftersom ultraljudsutrustning avsedd för små djur är dyr och investeringen är inte alltid försvarbar.
Eftersom longitudinell avbildning studier kräver upprepad anestesi, en kombination av Medetomidin-midazolam-fentanyl föreslogs i detta protokoll eftersom det är mer lämplig för seriell användning jämfört med isofluran eller en blandning av ketamin-xylazin, i Wistar råttor. Det föreslagna ekokardiografiska protokollet är dock kompatibelt med alla andra anestesi protokoll16. Som beskrivits omfattar vårt ekokardiografi protokoll utvärderingen av flera parametrar som möjliggör identifiering av anatomiska och funktionella hjärt förändringar.
Med fokus på den anatomiska karakteriseringen är det möjligt att utvärdera dimensionerna hos alla hjärtats kammare och deras dilatationer, vänsterventrikelhypertrofi, valvulär fibros eller förkalkningar. När det gäller hjärtfunktionen kan vänsterkammarens systoliska och diastoliska funktion och den systoliska funktionen för höger kammare analyseras1,3,4. Dessutom studeras hjärt klaffens anatomi och funktion, med hjälp av 2D-ekot för anatomisk karakterisering (identifiering av fibros, förkalkning eller onormal öppning) och användning av Doppleravbildning för funktionell karakterisering och detektion av stenos eller uppstötningar. Färgdoppleravbildning möjliggör detektering av flödesriktning och turbulenser och spektrala dopplervågor möjliggör mätningar av hastigheter och lutningar1,3.
Adekvat bildkvalitet erhölls i nästan alla råttor (minsta vikt på 200 g), men på grund av Inter-individuella skillnader i anatomi, ekokardiografiska vyer kan inte erhållas med exakt samma definition mellan råttor, som kan ha en inverkan i hålighet dimensions mätningar. Det finns 5% intra-observatör rapporterade variationer på vänster kammare M-läge mätningar17. Särskilt vid användning av M-läge för vänsterkammarmätningar kan följande begränsningar förekomma: svårigheter att få en vinkelrät vinkel; inklusive endast basal segment (resulterar i felaktiga mätningar i närvaro av asymmetrisk hypertrofi eller regional systolisk dysfunktion); och geometriska antaganden (med tanke på att den vänstra ventrikeln är en prolate ellipsoid med en 2:1 lång/kort axel förhållande och symmetrisk fördelning av hypertrofi). Också, införande av kubiska mätningar kan påverka noggrannheten, eftersom även ett litet fel i dimensioner kan leda till överskattade massan1,3,10. Även när man använder volymer och den ejektionsfraktion som beräknats med Simpsons metod, finns det nackdelar: Apex är ofta förförkortad; den endokardiella avhopp kan bias mätningen och är blind för att forma snedvridningar inte visualiseras i apikala 4 och 2-kammarvyer1,3,10.
Viktigt, detta protokoll belyser användningen av avancerade mätningar och utvärderingar, såsom vänster ventrikel stam och stam hastighet, bedömas genom speckle tracking, för att uppnå mer fullständig information om myokardfibrer beteende1,3. För en mer exakt stam och stam hastighet utvärdering, optimering av bildkvalitet, maximizations av bildhastighet, och minimering av Apex förförkortning krävs. Midwall globala längsgående stammen används som den instämmer med mer publicerade tillgängliga data och har visats i flera kliniska studier för att vara robust och reproducerbara10. Den elektrokardiografiska monitorization integreras i utrustningen är mycket benägna att artefakter, vilket är en begränsning. Det är också mycket viktigt att konstatera att den funktionella eller hemodynamiska hjärtstatus av råtta kan bero på variabler såsom temperatur, blodtryck och hjärtfrekvens4,5,6,7,8,9,13,14,17.
Eftersom resolutionen är relaterad till sond frekvensen förväntas den framtida utvecklingen utveckla högre frekvens sonder och därmed högre upplösning och bild definition vid icke-invasiv kardiovaskulär avbildning hos små djur, med denna typ av Utrustning. Standardisering av metoder och mätningar anses kritisk inom detta forskningsområde och når mer exakt ekokardiografisk diagnostik av experimentella råtta-modeller och resulterar i en bättre förståelse av molekylärbiologi av Human kardiovaskulär Sjukdomar.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arsp och ATP stöds av stipendier sfrh/BD/121684/2016 och sfrh/BPD/123181/2016, respektive, från Fundação para a Ciência e Tecnologia.
Materials
| 12S-RS Probe | GE Medical Systems | H44901AB | |
| Antisedan (5 mg/ml) | Esteve | P01B9003 | |
| EKG monitoring unit | GE Medical Systems | N/A | |
| Electrodes | FIAB | F9089/100 | |
| Fentanilo (0.05 mg/ml) | B.Braun | BB3644960 | |
| Flumazenilo (0.1 mg/ml) | Generis | MUEH5933080 | |
| Insuline Syringe 1ml | SOL M | 1612912 | |
| Lubrithal gel (10mg) | Dechra | NC519 | |
| Medetor (1 mg/ml) | Vibarc | P01B0308 | |
| Midazolan (5 mg/ml) | Labesfal | MUEH5506191 | |
| Shaver Razor AESCULAP Isis GT608 | Braun | 90200714 | |
| Small Animal Heated Pad 120volts | K&H Manufacturing inc. | 655199010608 | |
| Ultrasound Gel | Parker Laboratories | REF 01-08 | |
| Ultrasound machine | GE Medical Systems | VIVID T8 | |
| Underpads | Henry Schein | 900-8132 |
References
- Armstrong, W. F., Ryan, T. . Feigenbaum’s Echocardiography. , (2010).
- Douglas, P. S., et al. ACCF/ASE/ACEP/ASNC/SCAI/SCCT/SCMR 2007 appropriateness criteria for transthoracic and transesophageal echocardiography: a report of the American College of Cardiology Foundation Quality Strategic Directions Committee Appropriateness Criteria Working Group, American Society of Echocardiography, American College of Emergency Physicians, American Society of Nuclear Cardiology, Society for Cardiovascular Angiography and Interventions, Society of Cardiovascular Computed Tomography, and the Society for Cardiovascular Magnetic Resonance endorsed by the American College of Chest Physicians and the Society of Critical Care Medicine. Journal of the American College of Cardiology. 50 (2), 187-204 (2007).
- Otto, M. C. . Textbook of Clinical Echocardiography. , (2018).
- Liu, J., Rigel, D. F. Echocardiographic examination in rats and mice. Cardiovascular Genomics. Methods in Molecular Biology (Methods and Protocols). 573, 139-155 (2009).
- Ram, R., Mickelsen, D. M., Theodoropoulos, C., Blaxall, B. C. New approaches in small animal echocardiography: imaging the sounds of silence. American Jounal of Physiology- Heart and Circulatory Physiology. 301 (5), H1765-H1780 (2011).
- Aronsen, J. M., et al. Noninvasive stratification of postinfarction rats based on the degree of cardiac dysfunction using magnetic resonance imaging and echocardiography. American Jounal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 312 (5), H932-H942 (2017).
- Forman, D. E., Cittadini, A., Azhar, G., Douglas, P. S., Wei, J. Y. Cardiac morphology and function in senescent rats: gender-related differences. Journal of the American College of Cardiology. 30 (7), 1872-1877 (1997).
- Walker, E. M., et al. Age-associated changes in hearts of male Fischer 344/Brown Norway F1 rats. Annals Of Clinical And Laboratory Science. 36 (4), 427-438 (2006).
- Watson, L. E., Sheth, M., Denyer, R. F., Dostal, D. E. Baseline echocardiographic values for adult male rats. Journal of the American Society of Echocardiography. 17 (2), 161-167 (2004).
- Lang, R. M., et al. Recommendations for cardiac chamber quantification by echocardiography in adults: an update from the American Society of Echocardiography and the European Association of Cardiovascular Imaging. Journal of the American Society of Echocardiography. 28 (1), 1-39 (2015).
- Galderisi, M., et al. Standardization of adult transthoracic echocardiography reporting in agreement with recent chamber quantification, diastolic function, and heart valve disease recommendations: an expert consensus document of the European Association of Cardiovascular Imaging. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 18 (12), 1301-1310 (2017).
- Nagueh, S. F., et al. Recommendations for the Evaluation of Left Ventricular Diastolic Function by Echocardiography: An Update from the American Society of Echocardiography and the European Association of Cardiovascular Imaging. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 29 (4), 277-314 (2016).
- Weytjens, C., et al. Doppler myocardial imaging in adult male rats: reference values and reproducibility of velocity and deformation parameters. European Journal of Echocardiography. 7 (6), 411-417 (2006).
- Scheer, P., et al. Basic values of M-mode echocardiographic parameters of the left ventricle in outbreed Wistar rats. Veterinarni Medicina. 57 (1), 42-52 (2012).
- Lancellotti, P., et al. Recommendations for the echocardiographic assessment of native valvular regurgitation: an executive summary from the European Association of Cardiovascular Imaging. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 14 (7), 611-644 (2013).
- Albrecht, M., Henke, J., Tacke, S., Markert, M., Guth, B. Influence of repeated anaesthesia on physiological parameters in male Wistar rats: a telemetric study about isoflurane, ketamine-xylazine and a combination of medetomidine, midazolam and fentanyl. BMC Veterinary Research. 10, 310 (2014).
- Dragoi Galrinho, R., et al. New Echocardiographic Protocol for the Assessment of Experimental Myocardial Infarction in Rats. Maedica (Bucharest). 10 (2), 85-90 (2015).
