这里介绍的是一种评估小鼠双心室心脏功能的方案,通过使用封闭式胸导管插入术从同一动物的右心室和左心室产生压力 – 容积(PV)环。重点是手术和数据采集的技术方面。
心脏功能评估对于进行心血管和肺血管临床前研究至关重要。在评估收缩期和舒张期心脏功能时,通过记录心导管插入术期间的压力和容量而产生的压力-容积环(PV 环)至关重要。左心和右心功能密切相关,体现在心室的相互依赖性上。因此,记录同一只动物的双心室功能对于获得完整的心脏功能评估很重要。在该方案中,在小鼠中采用与患者导管插入术一致的方式的封闭式胸腔心导管插入术。虽然具有挑战性,但闭胸策略是一种更具生理学的方法,因为打开胸部会导致前负荷和后负荷发生重大变化,从而产生伪影,最明显的是全身血压下降。虽然高分辨率超声心动图用于评估啮齿动物,但心导管插入术是无价的,尤其是在评估双心室舒张压时。
这里描述的是在同一只动物中执行侵入性、封闭式胸部、顺序左心室和右心室压力容积 (PV) 环的程序。PV 环使用带有鼠标压力-容积导管和压力-容积系统采集的导纳技术进行采集。描述了该过程,从进入右颈静脉和右颈动脉所需的颈部清扫术开始,到导管的插入和定位,最后是数据采集。然后,讨论了确保获得高质量光伏回路所需的标准。最后,简要描述了左心室和右心室PV环路的分析以及可用于量化收缩期和舒张期心室功能的不同血流动力学参数。
根据世界卫生组织 (WHO) 的数据,心脏病是全球男性和女性死亡的主要原因 1,2,3。许多研究侧重于诊断和改善受损的心脏功能4.对于这些应用,高质量和可重复的心脏功能评估至关重要。需要高保真度和可重复的导管数据来评估病因学和治疗反应。例如,心功能评估对于评估药物和其他治疗在心肌梗死临床前模型中的疗效至关重要5.虽然许多心血管研究侧重于左心室功能,但右心室功能也是肺血管疾病患者功能能力和预后的关键决定因素6,7。在晚期心力衰竭患者中,右侧和左侧充盈压持续升高可预测死亡、心血管住院和心脏移植的综合风险8。在主动脉瓣和二尖瓣联合疾病中,术前心肌功能(反映在心脏指数和左心室射血分数等参数中)是长期生存的主要预测指标9。右心室功能是肺动脉高压发病率和死亡率的主要预测因子10,11。因此,右心室功能评估是使用肺动脉高压模型进行综合临床前研究的必要组成部分12,13,14。
左心室和右心室功能通常独立研究。然而,由于左心室和右心室的功能密切相关,因此理想的方法是通过单次测试获得收缩和舒张功能的双心室评估15。例如,右心室与左心室共享室间隔中的斜纤维,左心室构成左心室和右心室收缩功能之间的机械联系之一16,17。这种现象称为收缩期心室相互作用,允许左心室收缩以增强右心室收缩。舒张期的心室相互作用也很重要。在舒张期,一个心室的容积会影响对侧心室的容积,从而改变舒张顺应性和前负荷18,19。在病理条件下,一个心室功能下降或容量负荷受损,可直接或间接损害另一个心室20的功能。由于收缩期心室相互作用,左心室功能的整体下降可能会降低右心室的收缩功能15。在由于左心室收缩功能和舒张末期压力升高引起的心力衰竭患者中,肺动脉压力升高,间接增加右心室后负荷21,22。相反,在重度肺动脉高压患者中,右心室压增高和容量超负荷会对左心产生机械性压迫。左心室的这种D形扁平是由室间隔左移引起的,减少了左心室容积,损害了收缩和舒张功能23,24,25,26,27。因此,在人类疾病临床前模型中,左心室和右心室的评估对于评估整体心脏功能至关重要。
心脏功能也可以通过无创超声心动图、磁共振成像(MRI)和有创导管插入术来评估28,29,30。超声心动图是心血管研究中最常用的成像方式,因为它相对便宜且易于使用31。然而,超声心动图存在一些技术局限性,包括间接测量充盈压力和量化舒张功能的能力有限。此外,超声心动图获得的数据质量在很大程度上取决于操作人员。心脏 MRI 是临床前成像武器库中相对较新的补充,在双心室功能定量评估方面具有巨大潜力。心脏 MRI 的定量是准确的,因为它不像超声心动图32 那样对心室形状做出几何假设。然而,MRI成像平台价格昂贵,而且很少可用。此外,MRI 数据的处理需要物理学家或同等科学家的熟练支持,这在许多临床前实验室中是缺乏的33。同样,在临床前研究中使用显微计算机断层扫描 (MicroCT) 可提供可无创获得的定量高分辨率三维 (3D) 解剖数据,从而允许纵向研究34。然而,MicroCT成像需要注射造影剂,这通常很昂贵。MicroCT成像平台与MRI一样,价格昂贵,并且还需要熟练的技术人员。
相比之下,导管插入术是一种侵入性技术,包括在右心室和/或左心室中引入导管以测量压力和/或体积。进行心导管插入术所需的工具不像超声心动图、CT 或 MRI 那么昂贵。然而,需要对导管插入术和小动物麻醉有相当的技术熟练程度。导管插入术可以直接准确地评估心脏功能28。在该方案中,准入 PV 导管用于评估心脏功能。该技术基于血液和心肌独特的电导特性,可以同时记录心腔内的压力和体积,并实时生成PV环路5,35。简而言之,导管由激发电极和记录电极组成。激励电极在右心室或左心室内产生电场。内部记录电极测量电压变化,这与电阻的变化成正比。推导心室容积基于欧姆定律(电压 = 电流 x 电阻),从中计算电导(即电阻的倒数)。在这种情况下,测得的电导值是血液电导率和肌肉电导率的组合。在电场中,血液是纯电阻性的,而肌肉同时具有电容性和电阻性。肌肉的电容特性会导致测量信号出现时间延迟。跟踪这种延迟,称为“相位”角,报告心脏组织在心脏收缩时侵入野外。该测量值在收缩期最大,在舒张期最低。该特性允许将电导的肌肉成分与血液的电导成分分离,并允许收缩压和舒张压的绝对近似值。压力-容积环提供了一系列血流动力学参数,这些参数不容易通过其他方法测量,例如使用充满液体的导管测量心脏压力的简单逆行导管插入术。压力-容积环测量心室压力,但也提供有关收缩力、弹性、功率、能量和效率的数据。此外,PV 回路提供可靠的定量测量36。因此,通过导管插入术产生的 PV 环评估心脏功能已成为临床前研究的金标准37。此外,临床前技术与人类疾病相关,其中心导管插入术很常见,尽管使用充满液体的导管。然而,啮齿动物的心导管插入术需要无可挑剔的麻醉和出色的技术来防止过度失血、通气不足或体温变化。
在人类患者中,心导管插入术以封闭的胸部结构进行,通过右心室的颈静脉或锁骨下静脉以及左心室的桡动脉或股动脉实现血管通路。由于小鼠体型小,闭胸入路通常具有挑战性。因此,在小鼠中进行的研究通常采用开胸方法。该技术包括打开胸部,从而暴露心脏,并通过穿刺左心室和/或右心室顶点38 促进导管插入。虽然这种方法在技术上不那么具有挑战性且相当可重复,但其主要局限性包括出血和心尖插入导管的其他并发症,以及由于将胸腔打开至大气压而导致心内压显着下降。通气啮齿动物打开胸腔会导致左心室收缩压降低 5-10 毫米汞柱,右心室压力降低 2-5 毫米汞柱39。因此,开发了一种封闭式胸部方法,该方法对心脏的创伤较小,并产生更多生理相关的测量值,这些测量值更容易转化为心脏功能的临床评估。
心脏功能评估是临床前心血管和肺血管研究的关键步骤。在这项工作中,我们提出了一种用于小鼠心脏功能的封闭式胸部双心室评估方案。通过这种方法,可以在同一只小鼠中生成右心室和左心室PV环。这种方法可以对心脏功能进行可靠而完整的评估,从而可以测量收缩压和舒张功能,以及每搏输出量和心输出量。与通常用于啮齿动物导管插入术的开胸方法不同,这种闭胸技术可产生更稳定的生理学和更具生理学相关性的数据。虽然在技术上更具挑战性,并且依赖于操作员的技能才能将导管成功定位在右心室和左心室中,但闭合式胸部入路限制了与开胸手术相关的创伤和出血,并减少了与肺部暴露于大气压力相关的剧烈压力变化。闭合式胸部方法还可以更好地模拟患者进行的心导管插入术,这增强了在临床前研究中使用该技术的相关性。
外科手术是协议的关键步骤。即使使用手术显微镜将导管插入颈静脉或颈动脉(推荐使用),该手术也需要实践和技术技能。通过轻柔、钝的解剖方法仔细解剖脱离周围筋膜的血管将增加插管的成功率,同时将出血风险降至最低。为了尽量减少失血,按顺序插管颈动脉至关重要:1)将导管尖端引入颈动脉;2)轻轻地将缝合线系在包含导管的动脉部分周围;3) 松开固定缝合线,允许导管移动,同时保持轻柔的向上牵引,以尽量减少出血;4)将导管推进至主动脉。通过实时波形监测确定将导管定位在心室中是该协议中最具挑战性的部分。所有导管的电极都应在心室腔内,任何电极都不应接触心室壁。导管的任何不当定位都会导致不规则的 PV 环路,并会对数据采集产生不利影响或妨碍数据采集。识别心室内所有电极所产生的特征压力-体积波形,可以确信适当的导管位置。在切换到 PV 模式和容量采集之前,获得稳定的心室压力波形和稳定的压力大小环路至关重要。正确的心脏生理学和解剖学知识对于该手术的成功至关重要。从心房、三尖瓣区域和右心室在线读取 PV 迹线,将显示导管的进展并有助于实现正确的定位。了解小鼠的正常心率 (400-600 bpm) 以及预期的波形和压力(例如,右心室收缩压 18-25 mm Hg、舒张压 <5 mm Hg;左心室收缩压 60-120 mm Hg40、舒张压 <8 mmHg)至关重要,以便操作员评估观察到的数据的真实性。
数据的质量和可重复性将取决于手术的速度和失血或出血。从麻醉到完成数据采集的过程平均需要 ~30-40 分钟/只小鼠。从插入导管到数据采集的右心导管插入术需要 5-10 分钟,左心导管插入术从插入导管到数据采集还需要 10-15 分钟。在~75%的病例中获得了出版质量的数据。心导管插入术的步骤顺序应在动物之间保持恒定。在该过程中,首先对小鼠进行插管,然后进行右心室导管插入术,最后进行左心室导管插入术。决定按此顺序进行是基于左心导管插入术与右心导管插入术的难度和出血风险更大。可以观察到非特异性的50 Hz噪声记录伪影。使用FIR滤波器,可以在软件上降低该噪声,该滤波器截止频率为50 Hz,截止频率低为0。对于音量通道,创建一个新的通道/过滤器/FIR 过滤器。在数据采集过程中,还可以应用50 Hz的陷波滤波器,以消除电源噪声并消除任何射频干扰。
导管插入术完成得越快,数据质量就越好。根据以往的经验,建议在15分钟内获取数据。导管插入时间的增加增加了动物的生理压力,并增加了由于腔内存在导管而导致心律失常的风险。这些力会降低每搏输出量,并损害波形的再现性和可解释性。此外,导管的尖端很锋利,可能会损坏或刺穿心室。这对右心室尤为重要,右心室的厚度是左 心室厚度的 ~ 1/3。
有创气管切开术和正压机械通气导致小鼠稳定和受控的呼吸,并减少PV环采集的变异性。然而,呼气末正压 (PEEP) 与正常通气形成鲜明对比,正常通气是一种负压现象。正压通气和PEEP共同降低心输出量并降低右心压。因此,虽然需要获取稳定的数据,但机械通气以及麻醉的心脏抑制作用会影响 PV 回路,应被视为一种限制。在短暂记录 PV 回路期间暂时停止机械通气用于消除这种潜在的伪影来源。请注意,通风效率可以通过二氧化碳的二氧化碳监测来确认。
闭胸入路所需的技术技能可能是该技术的局限性。同样,在心室中获得导管的正确、稳定定位也具有挑战性。成功的几率随着操作者的经验以及小鼠的大小和重量而增加。低于20g的小鼠的导尿术极具挑战性。右心室独特的腔室几何形状可能会影响容积测量,应予以考虑。使用的麻醉剂、心率、体温和动物品系可能会影响血流动力学参数,应仔细报告和监测。
总之,在该方案中,右心室和左心室导管插入术在同一只小鼠中进行。根据科学家的具体目标,可以使用双心室手术的相关部分独立进行左心室或右心室导管插入术。然而,所提出的方法是全面评估心脏功能的最佳方法。
The authors have nothing to disclose.
作者要感谢皇后大学动物设施个人的帮助和合作。作者要感谢TMED硕士候选人Austin Read的帮助。
这项研究部分得到了美国国立卫生研究院 (NIH) 资助 NIH 1R01HL113003-01A1 (S.L.A.)、NIH 2R01HL071115-06A1 (SLA)、加拿大创新基金会和女王心肺科 (QCPU) 229252 和 33012 (SLA)、加拿大线粒体动力学和转化医学 950-229252 (SLA) 一级加拿大研究主席、加拿大卫生研究院 (CIHR) 基金会资助 CIHR FDN 143261, William J. Henderson 基金会 (S.L.A.)、加拿大血管网络学者奖 (F.P.) 和加拿大肺动脉高压协会 (F.P.) 的帕罗亚家庭奖学金
ADVantage Pressure-Volume System (ADV500) | Transonic | FY097B | |
Endozime AW triple plus | Ruhof | 34521 | |
Fiber optic dual Gooseneck | Volpi Intralux | # 6000-1 | |
Forceps | F.S.T | 11052-10 | |
Forceps | F.S.T | 11251-20 | |
Gauze sponges | Dermacea | 441400 | |
Hemostatic clamp | F.S.T | 13003-10 | |
Hemostatic clamp | F.S.T | 13018-14 | |
Heparin sodium | Sandoz | 023-3086 | 100 U/L |
High-fidelity admittance catheter | Scisence; Transonic | FTH-1212B-3518 | |
Isofluorane | Baxter | CA2L9108 | |
labScribe v4 software | iworx | LS-30PVL | |
Needle (30 gauge) | BD | 305106 | |
sodium chloride injection | Baxter | JB1309M | 0.9%(wt/vol) |
Stereo microscope | Cole-Parmer | OF-48920-10 | |
Surgical suture | SERAFLEX | ID158000 | black braided silk, 4.0 |
Surgical tape | 3M, Transpore | SN770 | |
Tabletop Single Animal Anesthesia Systems | Harvard apparatus | 72-6468 | |
Tracheotomy canula 1.45 mm diameter | Harvard apparatus | 72-1410 | |
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