Meten Oplopend stijfheid van de aorta<em> In Vivo</em> In Muizen met behulp van echografie
Summary
We describe a technique for measuring aortic stiffness from its pressure-diameter relationship in vivo in mice. Aortic diameter is recorded by ultrasound and aortic pressure is measured invasively with a solid-state pressure catheter. Blood pressure is changed incrementally and the resulting diameter is measured.
Abstract
We presenteren een protocol voor het meten van in vivo stijfheid van de aorta bij muizen met behulp van hoge-resolutie echografie. Aorta diameter wordt gemeten door middel van ultrageluid en aorta bloeddruk invasief gemeten met een solid-state druk katheter. De bloeddruk wordt verhoogd vervolgens stapsgewijs verlaagd door intraveneuze infusie van vasoactieve geneesmiddelen fenylefrine en natrium nitroprusside. Aorta diameter wordt gemeten voor elke drukstap de relatie druk-doorsnede van de aorta ascendens te karakteriseren. Stijfheid indices afhangen van de druk diameter kan worden berekend uit de verzamelde gegevens. Berekening van de arteriële compliantie wordt beschreven in dit protocol.
Deze techniek kan worden gebruikt om onderliggende mechanismen toegenomen stijfheid van de aorta geassocieerd met cardiovasculaire ziekte en veroudering onderzoeken. De techniek levert een fysiologisch relevante maatregel van stijfheid in vergelijking met ex vivo benadert omdat physiological invloeden op stijfheid van de aorta worden opgenomen in de meting. De belangrijkste beperking van deze techniek is de meetfout ingevoerd uit de beweging van de aorta tijdens de hartcyclus. Deze beweging kan worden gecompenseerd door het aanpassen van de locatie van de probe met de aorta beweging en om meerdere metingen van de aorta relatie druk-doorsnede en uitbreiding van de experimentele groepsgrootte.
Introduction
Verhoogde stijfheid van de aorta is een kenmerk van cardiovasculaire ziekte. Aging 1, roken 2, diabetes 3, 4 hyperlipidemie en andere risicofactoren op hart- en vaatziekten is aangetoond aorta stijfheid verhogen. Epidemiologische studies hebben verder aangetoond stijfheid van de aorta als een krachtige onafhankelijke voorspeller van het optreden van coronaire hartziekten en beroerte, alsmede het optreden van cardiovasculaire gebeurtenissen en mortaliteit 5-8. Vanwege de klinische en de volksgezondheid van de toegenomen stijfheid van de aorta, wordt het huidige onderzoek richt zich op het begrijpen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de ontwikkeling en progressie van vasculaire stijfheid. Grote belangstelling bestaat daarom in het ontwikkelen van nauwkeurige metingen van vasculaire stijfheid in experimentele modellen van hart- en vaatziekten.
Stijfheid van een materiaal kan worden gekenmerkt door de spanning-rek relatie en gekwantificeerd als elastische modUlus. Een lineair elastisch materiaal vervormt omkeerbaar en de spanning stijgt in verhouding tot stam. De aorta en de grote slagaders lineaire elastische organen: trekkracht, is de stijfheid van de slagader niet constant, maar neemt toe met de graad van uitzetting. Deze niet-lineariteit in de mechanische eigenschappen van grote slagaders vanwege de verschillende stijfheid eigenschappen van de dragende elementen, namelijk elastine en collageen, die de vaatwand vormen. Elastine is zeer uitbreidbare met een elasticiteitsmodulus van 0,6 MPa. In vergelijking, collageen is zeer stijf met elastische modulus van 1 GPa 9. De initiële stijfheid vertoond door de aorta bij lagere rekwaarden wordt toegeschreven aan elastine De hoge stijfheid vertoonden hoge rekwaarden is door collageen. Belasting wordt uit elastine collageen als het schip uitzet en deze regio van lading overdracht is waar het vasculaire stelsel. Daarom, bij fysiologische druk, arteriële stijfheidafhankelijk van de bijdrage van zowel elastine en collageen 10.
De verdeling en oriëntatie van elastine en collageen verschillen per laag in de slagaderwand. In de media, de elastine, collageen en gladde spiercellen zijn gebundeld in strakke helices die gelaagd zijn concentrisch. Deze opstelling maakt de slagader hoge belastingen weerstaan omtreksrichting. De adventitia overwegend collageen met weinig elastine en collageenvezels zijn georganiseerd in een net-achtige manier. Deze collageenvezels zijn golvend in een onbeklemtoonde staat en rechtzetten als belasting toeneemt. Stijfheid toeneemt naarmate de collageenvezels recht te trekken, waardoor de slagader voorkomen van overstrekken en scheuren. Wegens de structurele organisatie en wisselende oriëntatie van de collageenvezels, slagaders zijn anisotroop: de stijfheid tentoongesteld afhankelijk van wanneer het schip in de lengte of de omtrek 11 wordt uitgerekt In vivo stijfheid.s is derhalve een samenstelling van langs- en omtreksrichting stijfheid van de aorta's.
Arteriële stijfheid wordt meestal gekwantificeerd in vivo als compliance of polsgolfsnelheid (PWV). Arteriële compliantie wordt gedefinieerd als C = AD / AP waarin AD is diameterverandering en AP de overeenkomstige verandering in druk. Lagere waarden op de naleving duiden stijvere vaten. Compliance wordt berekend uit de druk-dimensie verhouding van de slagader en derhalve een directe maat van stijfheid. Stijfheid wordt verspreid niet gelijkmatig in het vaatstelsel 12, moet de naleving worden gemeten op hetzelfde / vergelijkbare locatie in elk onderwerp om zinvolle vergelijkingen tussen experimentele groepen te maken.
Het verschil tussen compliance en elasticiteitsmodulus dat elasticiteitsmodulus genormaliseerd op de afmetingen van het materiaal. Compliance weerspiegelt daarom structurele stijfheid, terwijl elasticiteitsmodulus reflects materiaal stijfheid. Bij het ouder worden, arteriële wanddikte toeneemt en elastine / collageen verhouding afneemt, zodat de structurele stijfheid en materiaal stijfheid groter.
Vergeleken met naleving PWV is een indirecte maat van arteriële stijfheid. PWV is de snelheid waarmee de druk puls langs een lengte van slagader en wordt beïnvloed door de eigenschappen van de vaatwand. De Moens-Korteweg vergelijking wordt gebruikt om de relatie tussen PWV en elastische modulus model: PWV 2 = E h / (2 ρ r) waarin E incrementeel elasticiteitsmodulus, h wanddikte, ρ is bloedviscositeit en r radius verblijf . Een hogere PWV waarde stelt daarom voor een stijvere vat.
Compliance en elastische modulus kan experimenteel ex vivo worden gemeten op een weggesneden segment van het schip. Om de naleving te bepalen, wordt het segment vat gemonteerd op een druk myograaf 13,14. Druk in het vat wordt verhoogd stapsgewijze en the resulterende verandering in diameter wordt gevolgd met behulp van video-microscopie. Compliance wordt bepaald uit de gegevens druk diameter. Incrementele elastische modulus kan worden gemeten door trekproeven. In deze experimenten wordt het schip uit elkaar getrokken stapsgewijze en kracht-verplaatsing gegevens worden verzameld tot het vaartuig de ring breekt. Stress en spanning waarden kunnen worden berekend en uitgezet om incrementele elastische modulus te bepalen. Deze ex vivo benaderingen kunnen worden gebruikt om wijzigingen in de passieve eigenschappen die stijfheid beïnvloeden evalueren.
In vivo, naast inhoud wand, wordt vasculaire stijfheid dynamisch beïnvloed door tonus en bloeddruk 13,15,16. PWV is de meest gebruikte methode voor het meten van in vivo aorta stijfheid in experimentele modellen. PWV kan niet-invasief worden bepaald met behulp van Doppler-echografie of applanatie tonometrie 17. Drukpuls wordt gemeten bij twee afzonderlijke plaatsen en de benodigde tijd voorde pols om de afstand te doorkruisen is het polsgolfsnelheid. Omdat PWV wordt gemeten over een lengte van aorta, is een gemiddelde waarde van stijfheid. Grote slagaders zijn niet-lineaire elastische, dus stijfheid en dus PWV zal variëren met de arteriële druk. Een hogere PWV waarde kan dus het gevolg zijn van verhoogde stijfheid of verhoogde druk. PWV waarden derhalve moet worden genormaliseerd om de bloeddruk tot conclusies over de stijfheid van het schip af te leiden. Meetmethoden dat de invloed van de bloeddruk met de passieve eigenschappen van de vaatwand en de effecten van vasoactieve mediatoren die veranderen toon zou een fysiologisch relevante index van arteriële stijfheid verkregen nemen. Deze benadering wordt uitgevoerd door het meten PWV invasief gebruik van een katheter met twee drukopnemers gescheiden op een vaste afstand 13. Deze dubbele druk katheter wordt ingebracht in de aorta en vasoactieve geneesmiddelen zoals fenylefrine of natrium nitroprusside, intraveneus toegediend viaeen veneuze katheter te verhogen en een lagere bloeddruk.
Dit protocol beschrijft een werkwijze aorta stijfheid in vivo bepalen van de druk-afmeting verhouding in een muismodel. Deze aanpak biedt een aantal voordelen boven de invasieve PWV meting. Stijfheid indices, zoals naleving kan worden berekend uit de druk-afmetinggegevens van deze procedure verzameld. Bovendien laat deze techniek voor het meten van de lokale stijfheid van de aorta omdat stijfheid wordt gemeten vanaf één locatie. Deze benadering is bijzonder nuttig bij het meten opgaande aorta stijfheid korte lengte van deze regio maakt PWV meting moeilijk te verkrijgen. Onderzoek belangstelling bestaat specifiek in opgaande aorta omdat de mechanische eigenschappen beïnvloeden de perfusie van de coronaire circulatie en de cardiale respons op vasculaire dysfunctie.
De relatie druk-diameter van de aorta in vivo meten </em>, wordt de aorta ascendens gevisualiseerd en de diameter wordt gemeten door echografie. Aorta bloeddruk invasief gemeten met een druk katheter. De bloeddruk wordt stapsgewijs veranderd door intraveneuze infusie van vasoactieve middelen. Fenylefrine de bloedvaten en wordt gebruikt om aortadruk verhogen. Natrium nitroprusside verwijdt bloedvaten en wordt gebruikt om aortadruk verlagen. Systolische en diastolische aorta diameter en bijbehorende aorta druk wordt gemeten voor elke druk increment. Naleving kan worden berekend op basis van de gegevens druk-diameter verzameld.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metingen diameter bij verschillende stappen druk over een breed bereik van drukwaarden nodig voor nauwkeurige karakterisering van de relatie druk-doorsnede. De bovenste en onderste limieten die druk kan farmacologisch worden geïnduceerd kunnen per experimentele groep, maar het ideale bereik is ongeveer 25 mm Hg tot 125 mm Hg diastolisch en 50 mm Hg tot 200 mm Hg systolisch. Doses van 360 ug / kg / min PE en 240 ug / kg / min SNP algemeen wekken de grenzen van het drukbereik. Echter, doses van PE verhoogd tot 480 ug / kg / min en SNP tot 360 ug / kg / min om te controleren of de grenzen zijn bereikt. Werken concentraties van PE en SNP kan worden verlaagd tot fijnere drukniveau. Aangezien de diameter zal veranderen aorta druk induceren dezelfde drukwaarden tussen dieren en experimentele groepen is niet belangrijk.
Veneuze en arteriële canule kan worden uitgevoerd op andere plaatsen met hetzelfde outcomes. Staartaderinjectie canulatie kan lastig zijn vanwege de geringe omvang van de staart ader. Bovendien is de staartader niet gemakkelijk zichtbaar in donkere muizen. De femorale ader kan worden canule als een alternatief. Deze route kan gemakkelijker omdat de femorale ader toegankelijker. Voor druk katheter inbrengen, naast de femorale slagader, kan de katheter worden ingebracht via de halsslagader. De femorale slagader voorkeur via halsslagader, echter, omdat de borstkas blijft intact voor de echografie. Dijbeenslagader canule soms moeilijker omdat de femorale slagader kleiner. Met behulp van een 1,2 F katheter inbrengen van de katheter in de proximale dij slagader onder de buikholte de canule vergemakkelijken. Het plaatsen van een paar druppels van een vaatverwijdend middel, zoals lidocaïne op de femorale arterie of via een katheter introducer kan ook helpen vergroten het vat inbrengen van de katheter vergemakkelijken. De druk katheter worden gehanteerd en gebruiktvolgens de instructies van de fabrikant.
Locatie van de katheter in de aorta hoeft niet vergelijkbaar bij dieren als de drukval in de aorta is onbelangrijk. Echter, het plaatsen van de katheter in de abdominale aorta kan beter zijn om interferentie met de echografie van de thoracale aorta minimaliseren. Sommige ultrasone mainframes kan druk real time opnemen met de M-modus spoor, waardoor aan een drukmeting voor elke diameter gemeten op de M-mode. Helaas, omdat de plaats waar de diameter wordt gemeten is niet dezelfde plaats als waar de druk wordt opgenomen, bestaat er een vertraging tussen het opgenomen in de katheter druk en de werkelijke druk in de omhooggaande aorta. Daardoor kan alleen maximale en minimale diameter metingen worden gebruikt voor gegevensanalyse.
De belangrijkste beperking van deze methode is de onzekerheid in de meting die door de aorta verschuiven en uit of het ultrasone vlak tijdens de hartcyclus. -Motion geïntroduceerd fout is gemeenschappelijk voor alle beeldvorming op basis van studies, waaronder MRI en CT. Compensatie strategieën omvatten het gebruik van anatomische kenmerken om het referentiekader te verschuiven met de beweging 18 en tijdens de verwerking van gegevens ten uitvoer worden gelegd. Als bewegingscompensatie software niet beschikbaar is, de onderzoeker is waakzaam Verschuiven van de probe de verschuiving in de locatie van de aorta bloeddruk stijgt volgen en vermindert zijn. Diameter metingen worden genomen door het midden van de aorta. Echter, het bepalen of de M-mode opnamelocatie wordt door het middelpunt kan moeilijk te beoordelen op het ultrasone beeld, vooral de aorta schakelposities. De onzekerheid die door deze beperkingen manifesteren in de mate van spreiding in de gegevens, zoals blijkt uit figuur 6. Verkrijgen van een beeld van de dwarsdoorsnede plaats langsas van de ascending aorta kan een oplossing zijn. Echter, het verkrijgen van deze visie kan soms lastig zijn en de resulterende M-modus trace kan minder duidelijk zijn. De dwarsdoorsnede omtrek van het B-mode kunnen worden gemeten in plaats van de diameter van het beeld M-mode. Echter, het bepalen wanneer de maximale en minimale omtrek is bereikt zal worden beperkt door de B-modus frame rate en kan moeilijker te beoordelen dan de M-modus.
Maken meerdere metingen van de plot druk diameter en toenemende experimentele groepsgrootte kan de nauwkeurigheid van de gegevens te verbeteren. De data druk diameter kan worden vanuit verschillende plaatsen langs de borst. Dit protocol zal eerst met de sonde geplaatst op een locatie op de borst worden uitgevoerd. De aorta zou dan worden gevisualiseerd met de probe geplaatst op een andere locatie en het protocol herhaald.
Vasoactieve middelen die worden gebruikt om de bloeddruk te moduleren kan mogelijk invloed hebben op de aorta gladde muscle toon, waardoor stijfheid zou beïnvloeden. Echter manipulatie van aortadruk veneuze terugkeer is aangetoond soortgelijke veranderingen in invasief gemeten PWV als farmacologische manipulatie ratten produceren. Deze bevindingen tonen aan dat infusie van vasoactieve geneesmiddelen werken voornamelijk op perifere weerstand slagaders en hebben geen significante invloed aorta gladde spiertonus 19.
Dit protocol kan worden uitgevoerd bij ratten met enkele kleine aanpassingen. De kist wordt voorafgaand aan het aanbrengen van ontharingscrème geschoren. Een commercieel 27 G x ½ "katheter voor toediening van het geneesmiddel. De drug doses gebruikt aortadruk moduleren 40, 80, en 120 ug / kg / min PE en 40, 80, en 120 ug / kg / min SNP.
Naast de aorta ascendens, kunnen regionale verschillen in stijfheid van de aorta worden bepaald met dit protocol. Regionale stijfheid gemeten door deze aanpak zou nauwkeuriger zijn dan door PWV als metingen are genomen van de ene locatie, in tegenstelling tot twee locaties voor PWV. Echter, gebieden langs de aorta die kan worden gemeten met deze techniek zijn beperkt tot die welke kan worden gevisualiseerd door echografie.
Elasticiteitsmodulus kan ook worden berekend uit de door deze methode verzameld als een wanddikte meting worden verkregen gegevens. Nauwkeurige in vivo meting van de muis aorta wordt beperkt door het beperkt de huidige ultrasone technologie. Toekomstige verbetering van ultrasone technologie zou kunnen maken in vivo wanddikte meting meer haalbaar. Als alternatief kan diktemetingen worden uitgevoerd ex vivo. Druk myography zou de meest nauwkeurige metingen te bieden, omdat de dikte kan worden gemeten bij elke druk increment.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by a National Heart, Lung, and Blood Institute grant 1RO1-HL-105296-01 (to D.E. Berkowitz) and an Australian Research Council Grant DP110101134 (to A. Avolio).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Equipment | |||
| High-resolution ultrasound machine | Visual Sonics | Vevo2100 | |
| 13-24 MHz transducer | Visual Sonics | MS250 | Used for imaging rats |
| 22-55 MHz transducer | Visual Sonics | MS550D | Used for imaging mice |
| Imaging Station | Visual Sonics | Imagine Station 1 | |
| 1.2F Pressure catheter | Transonic | FTH-1211B-0018 | |
| SP200 pressure control unit | Transonic | FFS-095-DP01 | |
| Standard Infusion Only Harvard Pump 11 Plus syringe pump | Harvard Apparatus | 702208 | |
| Isoflurane vaporizer | VetEquip | 911103 | |
| Induction chamber | VetEquip | 941443 | |
| 100% O2 | Airgas | OX USP200 | |
| Single Stage Brass 0-50 psi General Purpose Cylinder Regulator CGA540 | Airgas | Y11215B540 | |
| Stereo Boom Stand Microscope | National Optical | 420-BMSQ | |
| Fiber optic illuminator & light pipe | Cole Palmer | EW-41500-50 | |
| Supplies | |||
| 30G x 1/2" BD PrecisionGlide Needle | BD | 305106 | For tail vein cannulation in mice |
| Polyethylene Tubing PE10 | Becton Dickinson | 427401 | For tail vein cannulation in mice |
| 27Gx1/2" Surfloe winged infusion set | Terumo | SV*27EL | For tail vein cannulation in rats |
| Signa Gel Electrode Gel | Parker | 15-25 | Use for ECG recording |
| Aquasonic Clear Ultrasound Gel | Parker | 03-08 | Use for ultrasound |
| 1mL Sub-Q Syringes, 26G x 5/8" | BD | 309597 | |
| Nair | Nair | Depilatory cream | |
| Histoacryl | TissueSeal | TS1050071FP | Tissue glue |
| Braided Silk Suture 6-0 | Teleflex | 104-S | |
| Dumostar P55 fine forceps | Roboz | RS-4984 | |
| Microscissors | WPI | 501839 | |
| Fine scissors | FST | 14060-11 | |
| Medium forceps | Ted Pella | 5665 | |
| Hemostatic forceps | Roboz | RS-7131 | |
| Non-sterile cotton gauze sponge | Fisherbrand | 22-362-178 | |
| Cotton tipped applicators | Oritan | 803-WC | |
| Label tape | Fisherbrand | 15-901-20 | |
| Drugs | |||
| Sodium chloride | Sigma Aldrich | S7653 | |
| R-Phenylephrine hydrochloride | Sigma Aldrich | P6126 | |
| Sodium nitroprusside dihydrate | Sigma Aldrich | 71778 | |
| Software | |||
| Prism | GraphPad | ||
| Excel | Microsoft |
References
- Mitchell, G. F., et al. Changes in arterial stiffness and wave reflection with advancing age in healthy men and women – The Framingham Heart Study. Hypertension. 43, 1239-1245 (2004).
- Mahmud, A., Feely, J. Effect of smoking on arterial stiffness and pulse pressure amplification. Hypertension. 41, 183-187 (2003).
- Lehmann, E. D., Gosling, R. G., Sonksen, P. H. Arterial wall compliance in diabetes. Diabet Med. 9, 114-119 (1992).
- Wang, Y. -. X., et al. Reduction of cardiac functional reserve and elevation of aortic stiffness in hyperlipidemic Yucatan minipigs with systemic and coronary atherosclerosis. Vasc. Pharmacol. 39, 69-76 (2002).
- Ben-Shlomo, Y., et al. Aortic Pulse Wave Velocity Improves Cardiovascular Event Prediction: An Individual Participant Meta-Analysis of Prospective Data From 17,635 Subjects. J. Am. Coll. Cardiol. 63, 636-646 (2014).
- Mitchell, G. F., et al. Arterial stiffness and cardiovascular events: the Framingham Heart Study. Circulation. 121, 505-511 (2010).
- Mattace-Raso, F. U., et al. Arterial stiffness and risk of coronary heart disease and stroke: the Rotterdam Study. Circulation. 113, 657-663 (2006).
- Laurent, S., et al. Aortic stiffness is an independent predictor of all-cause and cardiovascular mortality in hypertensive patients. Hypertension. 37, 1236-1241 (2001).
- Fung, Y. C. . Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. , (1993).
- Shadwick, R. E. Mechanical design in arteries. J Exp Biol. 202, 3305-3313 (1999).
- Gasser, T. C., Ogden, R. W., Holzapfel, G. A. Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations. Journal of The Royal Society Interface. 3, 15-35 (2006).
- Zieman, S. J., Melenovsky, V., Kass, D. A. Mechanisms, Pathophysiology, and Therapy of Arterial Stiffness. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 25, 932-943 (2005).
- Jung, S. M., et al. Increased tissue transglutaminase activity contributes to central vascular stiffness in eNOS knockout mice. Am. J. Physiol.-Heart Circul. Physiol. 305, 803-810 (2013).
- Santhanam, L., et al. Decreased S-Nitrosylation of Tissue Transglutaminase Contributes to Age-Related Increases in Vascular Stiffness. Circ. Res. 107, 117-243 (2010).
- Fitch, R. M., Vergona, R., Sullivan, M. E., Wang, Y. X. Nitric oxide synthase inhibition increases aortic stiffness measured by pulse wave velocity in rats. Cardiovasc. Res. 51, 351-358 (2001).
- Bergel, D. H. The static elastic properties of the arterial wall. The Journal of Physiology. 156, 445-457 (1961).
- Leloup, A. J., et al. Applanation Tonometry in Mice: A Novel Noninvasive Technique to Assess Pulse Wave Velocity and Arterial Stiffness. Hypertension. 21, 21 (2014).
- Morrison, T. M., Choi, G., Zarins, C. K., Taylor, C. A. Circumferential and longitudinal cyclic strain of the human thoracic aorta: age-related changes. J Vasc Surg. 49, 1029-1036 (2009).
- Butlin, M., Hammond, A., Lindesay, G., Viegas, K., Avolio, A. P. In vitro and in vivo use of vasoactive agents in characterising aortic stiffness in rats: testing the assumptions. Hypertens. 30, 42 (2012).
