胰岛素诱导血管舒张调节肌肉灌注和增加微血管表面积 (微血管的招募) 可用于溶质交换之间的血液和组织间。结合活体显微镜和造影增强超声, 同时评估胰岛素在大血管和微循环的作用,在体内.
已经证明胰岛素的血管作用有助于调节胰岛素的敏感性。胰岛素对肌肉灌注的影响调节餐后营养和激素对胰岛素敏感组织的传递。我们在这里描述一种技术, 结合活体显微镜 (综合防治) 和对比增强超声 (造影) 的内收肌室的小鼠后肢, 同时可视化肌肉阻力动脉和灌注微循环在体内.同时评估胰岛素在多层次血管树中的作用, 对研究胰岛素的多重血管活性与肌肉灌注之间的关系具有重要意义。实验在小鼠中进行。首先, 将尾静脉插管插入麻醉、血管活性化合物和超声造影剂 (脂质微泡) 的输液中。其次, 在腹股沟区做一个小切口, 以暴露内收肌室的动脉树。然后, 超声探头定位在对侧上后肢, 以查看横断面的肌肉。为了评估基线参数, 对动脉直径进行评估, 并随后以恒定的速度注入微气泡, 以估计肌肉血流量和显微血管血量 (MBV)。当在胰岛素正钳前和期间应用, 综合病媒和造影允许评估胰岛素诱导的动脉内径变化, 微血管肌灌注和全身胰岛素敏感性。此外, 微循环反应与胰岛素抵抗动脉之间的时间关系可以量化。同时还可以对小鼠进行纵向随访, 使其成为研究血管和全身胰岛素敏感性变化的重要工具。
为了应对血糖水平的升高, 胰腺将胰岛素分泌到血液中, 通过阻力动脉和毛细血管迅速向其靶组织 (如骨骼肌) 传播。骨骼肌负责80% 的餐后葡萄糖摄取量1。胰岛素对骨骼肌间的传递已被证明是促进葡萄糖处置的胰岛素代谢作用的速率限制步骤2,3,4。在10-15 分钟内, 胰岛素增加毛细血管血量 (微血管招募), 在总血流量增加之前发生的效果5,6。微血管的招募扩大了内皮表面积可用于交换养分 (和胰岛素)7,8。胰岛素介导微血管的招募之前和独立与骨骼肌葡萄糖摄取量的变化相关的8,9。胰岛素对血管的影响被称为 “胰岛素敏感性”。
结果表明, 胰岛素介导的微血管的招募和胰岛素诱导的血管舒张在肥胖朱克大鼠中受损10,11。此外, 瘦鼠与减少毛细血管密度显示肌肉胰岛素抵抗12。在其有影响的工作中, 久保田et al.显示, 内皮细胞中的胰岛素信号受损导致胰岛素诱导微血管的吸收减少, 这降低了骨骼肌中葡萄糖摄取量约 40%13。这些异常的微血管功能不仅发生在肌肉, 而且还在多个其他组织和器官, 如心脏, 视网膜和肾脏14,15,16。这些例子和其他研究17、18、19、20提示胰岛素的血管效应是胰岛素抵抗 (病理) 生理学的重要机制及其并发症.
虽然有大量的证据表明, 胰岛素增加微血管血容量 (MBV) 的骨骼肌肉5,6, 这种情况发生的机制并不完全了解9。内皮依赖性血管舒张是必要的在许多方面的心血管胰岛素敏感性21,22,23在不同级别的脉管。血管胰岛素敏感性可通过胰岛素诱导的阻力动脉松弛和 pre-capillary 动脉松弛而表现出来, 以增加灌注微血管交换表面积7,24, 25。
活体显微镜 (综合防治) 已用于各种组织的准备工作, 包括皮室的鼠标背26, 小鼠和大鼠的肠系膜27, 肢体缺血模型在鼠标28和仓鼠颊囊29. 造影增强超声 (造影) 是另一种成像技术, 可以评估心脏的微循环30以及骨骼肌31。它利用惰性气体填充微泡, 其行为 rheologically 为红细胞, 完全保持在血管腔内。这些微泡以恒定的速率注入静脉, 以达到稳定状态。然后, 高能超声波可以用来破坏微气泡。在感兴趣区域的微气泡的补给速度 (ROI) 表示流速 (MFV)。对比度图像的总信号强度代表 MBV。造影可以重复执行 (也在人类) 和它已先进的理解血管功能失调发生在胰岛素抵抗状态 (在巴雷特et al.32)。
在目前的研究中, 我们描述了一个新的技术, 研究调节肌肉灌注, 通过同时使用的病媒和造影。在这里, 我们专注于胰岛素的血管作用, 在收肌室的小鼠后肢。这是一个最大的骨骼肌群在鼠标, 使研究当地葡萄糖摄取的代表性肌肉。这个隔间是理想的, 因为准备和可视化的动脉是容易接近的标准化手术程序28。此外, 我们自己的组和其他人已经表明, 造影可用于此隔间33,34。
综合病媒和造影技术的一个优势是有可能评估胰岛素在较大的动脉 (饲料或阻力动脉) 水平和微循环 (毛细血管床) 在同一肌肉群中的作用。此外, 两种方法的同时应用也为胰岛素在阻力动脉和微循环水平上的时间作用提供了深入的研究。这种综合的病媒和造影技术也可以在其他血管生物学领域得到实施。例如, 各种蛋白质的作用和某些病理生理条件影响内皮可利用敲除模型进行研究。此外, 这两种技术都可以在多个时间点使用一只鼠标, 减少了研究的时间和成本。
我们已经开发了一种技术, 同时估计胰岛素的血管作用, 在较大的动脉 (使用综合防治) 和骨骼肌微循环 (使用造影)。成功和可靠的测量方法的关键步骤是: 1) 正确暴露薄股动脉而不出血;2) 防止石蜡油在动脉中的渗漏;3) 具有专利静脉通路 (尾静脉插管), 用于注入血管活性化合物 (胰岛素) 和造影剂 (微泡)。
肌肉微血管功能障碍的研究在肥胖和胰岛素抵抗的背景下得到了关注14,25,39,40。肥胖和胰岛素抵抗对血管功能的负面影响表现在不同层次的血管树上。今后, 需要采取不同的方法来评估这些变化。在相同的小鼠中综合运用病媒和造影技术, 提供了一个强有力的工具来量化胰岛素在不同水平的血管中的作用。病媒综合防治可以直接可视化和定量分析阻力动脉和造影允许评估胰岛素诱导的肌肉灌注变化。
研究内收肌室有几个优点。动脉是容易接近和表面的性质, 切口使得有可能关闭皮肤切口5.0 可吸收无菌缝合后, 实验完成。实验后, 这些动物用丁丙诺啡皮下注射, 作为镇痛剂, 剂量为0.1 毫克/千克, 并允许在温暖的环境中恢复。老鼠很好地容忍了过程, 并且我们在超过35动物没有体验了动物的损失, 并且后肢的传染在研究了。这使得有可能跟进或研究动物的纵向方式。在这些实验中使用的动物, 但是, 被麻醉使用1.8% 吸入异氟醚平衡与氧气流动在0.4 升/分钟, 虽然麻醉口罩。与异氟醚麻醉对照,41,42, FMA 麻醉不干扰外周胰岛素敏感性。未来的计划是研究如何良好的小鼠从 FMA 麻醉恢复。
内收肌室也很有用, 因为各种血管活性化合物的调解局部和下游的影响可以评估。例如, 这些化合物在靶组织的局部应用是可行的使用流技术28或手术操作和植入药物洗脱袖口周围的船只43。此外, 薄股动脉可在压力 myograph 中分离和研究。我们的小组和其他人收集了大量的实验证据, 使用压力 myograph 记录胰岛素和其他血管活性化合物对该动脉的影响ex 体内36,37,38.
使用综合治疗技术的一个局限是对肌肉的外科阐述和石蜡油的应用来稳定血管。目前尚不清楚这些行为是否影响到动脉的原生环境。但是,图 3A显示, 在石蜡油中浸泡的薄股动脉基线直径不会发生很大变化。还表明, 矿物油成功地抑制了氧的扩散, 保护了组织免受氧条件的限制44。此外, 油有助于减少动脉基线直径的变化。这就是为什么我们主张使用石蜡油, 并让准备休息至少30分钟。值得注意的是, 使用缓冲盐水代替石油–或根本没有油–导致了高度可变的直径和容器的收缩 (没有显示数据)。此外, 在实验结束时, 我们将薄股动脉–沐浴在石蜡油中–分离出来, 并在压力 myograph前体内检测其反应性。石蜡油洗的动脉反应类似于控制动脉时, 刺激与胰岛素和乙酰胆碱 (一个血管扩张剂) (数据没有显示)。一致的胰岛素诱导血管舒张作用清楚地表明, 本研究中所描述的病媒综合防治方案产生了可靠的结果。
在相同的鼠标上应用这两种技术的优势克服了另一种技术的内在局限性: 造影估计 MBV 在未受干扰的肌肉中在体内,但不能看到单个血管;虽然不能估计 MBV, 但病媒综合防治可以看到个别的血管。未来的计划是利用睾肌的综合病学显微镜, 与对侧的内收肌造影结合。这种修改可以提供对 MBV (使用造影) 和直接光接触毛细血管 (使用综合病媒) 的估计。该协议可以进一步修改;用于尾套管的4路连接器可以切换到5路连接器。这样, 我们可以避免分离麻醉管, 而执行第二造影测量 (描述在点 2.9)。在我们的经验中, 老鼠很好地容忍了当前的协议。可以对该协议进行的另一个修改是使用胰岛素钳率。我们使用7.5 亩/千克/分钟钳率被认为是超生理。根据研究, 可以使用较低的胰岛素钳率 (例如3亩/千克/分钟)。
虽然我们发现所描述的协议是可靠的, 但有特定的限制需要注意。在某些情况下, 动脉直径的测量不是最佳的。执行准备步骤需要对模型有一定的经验。重要的是, 石蜡油不泄漏的船只环境, 因为补充它与新的油将扰乱船舶和改变的直径, 使它有必要让动脉休息30分钟。此外, 光的反射 (协议步骤1.14 中所描述的) 在石蜡表面上有时太亮, 因此很难观察到动脉。这可以通过指示光源来抵消, 从而使光线从一个角度向石蜡油面下落, 并与动脉平行。
总之, 这项研究中所描述的综合病媒和造影技术的结合使得有可能在不同水平的血管中量化不同的胰岛素效应。薄股动脉的病媒分析提供了深入的上游血管变化, 有助于下游微血管灌注测量使用造影。我们主张将几种实验技术组合在同一个小鼠身上, 以更好地评估血管功能。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢 Ing。邓肯 van Groen 用于编程的图像分析软件 (ImageGrabber) 在本研究中使用。这项研究的经费由荷兰科学研究组织 (赠款 016.136.372) 提供了赠款。
C57BL/6 Mice | Charles river | Mice used were bred in-house | |
Vevo 2100 high-resolution ultrasound system | VisualSonics inc. | ||
MS250 non-linear transducer | VisualSonics inc. | ||
Vevo 2100 software | VisualSonics inc. | ||
Ultrasound gel (Aquasonic 100, colourless) | CSP Medical | 133-1009 | Ultrasound gel used to transmit the ultrasound waves |
Vortex | VWR international | 58815-234 | |
Heating pad | Pantlab | ||
Freestyle Precision Xceed | Abbott | To measure blood glucose level during the hyperinsulinemic-euglycemic clamp | |
Insulin Novorapid | Novo Nordisk | ||
Glucose monohydrate | Merck Millipore | 1083421000 | |
Buffered saline solution | B. Braun | 152118062 | |
PE-20 medical tubing | Becton, Dickinson and Company | 427405 | |
Needle, 27 Gauge | Becton-Dickinson & Co | 305109 | |
Medical tape | 3M | ||
Ultrasound probe holder | Built In-house | ||
Cotton swabs | Multiple Equivalent | ||
Creme depilator | Multiple Equivalent | ||
Gel tissue adhesive | Derma+flex | GA30005-2222 | |
Infusion pump | Harvard Apparatus | Harvard Apparatus PHD 2000 | |
Small fine straight scissors | Fine Science Tools (FST) | 14090-09 | |
Needle holder | Fine Science Tools (FST) | 12500-12 | |
Straight forceps with fine tip | Fine Science Tools (FST) | 11251-20 | |
Stereomicroscope | Olympus | SZX12 | |
Camera | Basler | scA1390-17gc | |
Image Grabber program | Built in-house | Image acquisition system | |
Timer | VWR | 33501-418 | |
Syringes, 1 ml | Fisher | 14-817-25 | |
Light source, fiber-optic | Schott | KL1500 | Ideally has adjustable arms |
Paraffin oil | Multiple Equivalent | ||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Microbubbles | |||
1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids | 850365C | |
polyoxyethylene stearate | Sigma | p3440 | |
perfluorobutane gas | F2 Chemicals | C4F10(g) | |
Decon FS200 ultrasonic bath | Decon Ultrasonics Ltd | ||
Vialmix | Lantheus Medical Imaging | 515370-0810 | |
Multisizer Coulter Counter | Beckman Coulter Inc |