Здесь представлен протокол оценки бивентрикулярной функции сердца у мышей путем генерации контуров давления-объема (ВП) из правого и левого желудочков у одного и того же животного с использованием закрытой катетеризации грудной клетки. Основное внимание уделяется техническому аспекту хирургии и сбору данных.
Оценка сердечной функции имеет важное значение для проведения сердечно-сосудистых и легочно-сосудистых доклинических исследований. Петли давления-объема (ПВ-петли), генерируемые регистрацией как давления, так и объема во время катетеризации сердца, имеют жизненно важное значение при оценке как систолической, так и диастолической функции сердца. Функции левого и правого отделов сердца тесно связаны, что отражается во взаимозависимости желудочков. Таким образом, регистрация бивентрикулярной функции у одного и того же животного важна для получения полной оценки сердечной функции. В этом протоколе у мышей принят закрытый грудной подход к катетеризации сердца, соответствующий способу выполнения катетеризации у пациентов. Несмотря на сложность, стратегия закрытой грудной клетки является более физиологичным подходом, потому что вскрытие грудной клетки приводит к серьезным изменениям в преднагрузке и постнагрузке, которые создают артефакты, в первую очередь падение системного артериального давления. В то время как эхокардиография высокого разрешения используется для оценки состояния грызунов, катетеризация сердца неоценима, особенно при оценке диастолического давления в обоих желудочках.
Здесь описана процедура выполнения инвазивных, закрытых грудных клеток, последовательных петлей левочелюстного и правого желудочкового давления-объема (ВП) у одного и того же животного. Петли PV регистрируются с помощью технологии допуска с помощью катетера, находящегося под давлением, и с помощью системы измерения давления-объема. Описывается процедура, начиная с рассечения шеи, которая необходима для доступа к правой яремной вене и правой сонной артерии, до введения и позиционирования катетера и, наконец, сбора данных. Затем обсуждаются критерии, необходимые для обеспечения получения высококачественных фотоэлектрических контуров. Наконец, кратко описан анализ петель ВП левого и правого желудочков и различные гемодинамические параметры, доступные для количественной оценки систолической и диастолической функции желудочков.
По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти во всем мире как для мужчин, так и для женщин 1,2,3. Многие исследования сосредоточены на диагностике и улучшении нарушений сердечной функции4. Для этих применений решающее значение имеет качественная и воспроизводимая оценка сердечной функции. Для оценки как этиологического, так и терапевтического ответа требуются высокоточные и воспроизводимые данные катетера. Например, оценка сердечной функции имеет важное значение для оценки эффективности лекарств и других методов лечения в доклинических моделях инфаркта миокарда5. В то время как многие сердечно-сосудистые исследования сосредоточены на функции левого желудочка, функция правого желудочка также является критическим фактором, определяющим функциональную способность и прогноз у пациентов с легочно-сосудистыми заболеваниями 6,7. У пациентов с прогрессирующей сердечной недостаточностью постоянно повышенное правостороннее и левостороннее давление наполнения является предиктором комбинированного риска смерти, сердечно-сосудистой госпитализации и трансплантации сердца8. При комбинированном заболевании аорты и митрального клапана предоперационная функция миокарда (отражающаяся в таких параметрах, как сердечный индекс и фракция выброса левого желудочка) является основным предиктором долгосрочной выживаемости9. Функция правого желудочка является основным предиктором заболеваемости и смертности при легочной артериальной гипертензии10,11. Таким образом, оценка функции правого желудочка является необходимым компонентом комплексного доклинического исследования с использованием моделей легочной артериальной гипертензии12,13,14.
Функцию левого и правого желудочков часто изучают независимо друг от друга. Однако, поскольку функции левого и правого желудочков тесно связаны, идеальным вариантом является получение бивентрикулярной оценки систолической и диастолической функции с помощью одного теста15. Например, правый желудочек имеет общие косые волокна межжелудочковой перегородки с левым желудочком, который представляет собой одно из механических звеньев между сократительной функцией левого и правого желудочков16,17. Это явление, известное как систолическое желудочковое взаимодействие, позволяет сокращению левого желудочка усиливать сокращение правого желудочка. Также важны желудочковые взаимодействия во время диастолы. Во время диастолы объем одного желудочка влияет на объем противоположного желудочка и, таким образом, изменяет диастолическую податливость и преднагрузку18,19. При патологических состояниях снижение функции одного желудочка или нарушение объемной нагрузки могут прямо или косвенно нарушать функцию другого желудочка20. Как следствие систолического желудочкового взаимодействия глобальное снижение функции левого желудочка может снижать сократительную функцию правого желудочка15. У пациентов с сердечной недостаточностью, обусловленной систолической функцией левого желудочка и повышением конечного диастолического давления, давление в легочной артерии повышено, опосредованно увеличивая постнагрузку правого желудочка21,22. И наоборот, повышенное давление в правом желудочке и объемная перегрузка при тяжелой легочной гипертензии оказывает механическое давление на левые отделы сердца. Это D-образное уплощение левого желудочка, вызванное смещением межжелудочковой перегородки влево, уменьшает объем левого желудочка и нарушает систолическую и диастолическую функцию 23,24,25,26,27. Таким образом, оценка как левого, так и правого желудочков имеет важное значение для оценки глобальной сердечной функции в доклинических моделях заболеваний человека.
Сердечную функцию также можно оценить с помощью неинвазивной эхокардиографии, магнитно-резонансной томографии (МРТ) и инвазивной катетеризации28,29,30. Эхокардиография является наиболее часто используемым методом визуализации в сердечно-сосудистых исследованиях, поскольку она относительно недорогая и доступная31. Тем не менее, эхокардиография имеет ряд технических ограничений, включая косвенное измерение давления наполнения и ограниченную способность количественно оценить диастолическую функцию. Кроме того, качество данных, полученных с помощью эхокардиографии, сильно зависит от оператора. МРТ сердца является относительно новым дополнением к арсеналу доклинической визуализации, которое имеет большой потенциал для количественной оценки бивентрикулярной функции. Количественная оценка с помощью МРТ сердца является точной, так как она не делает геометрических предположений о форме желудочков, в отличие от эхокардиографии32. Однако платформа для МРТ-визуализации стоит дорого и редко доступна. Кроме того, обработка данных МРТ требует квалифицированной поддержки со стороны физика или аналогичного ученого, чего нет во многих доклинических лабораториях33. Аналогичным образом, использование микрокомпьютерной томографии (МикроКТ) в доклинических исследованиях позволяет получать количественные трехмерные (3D) анатомические данные с высоким разрешением, которые могут быть получены неинвазивным способом, что позволяет проводить лонгитюдные исследования34. Тем не менее, микрокомпьютерная томография требует введения контрастных веществ, которые часто являются дорогостоящими. Платформа визуализации MicroCT, как и МРТ, также стоит дорого и требует квалифицированного специалиста.
Напротив, катетеризация является инвазивным методом, который заключается во введении катетера в правый и/или левый желудочек для измерения давления и/или объема. Инструменты, необходимые для проведения катетеризации сердца, стоят не так дорого, как эхокардиография, КТ или МРТ. Тем не менее, требуются значительные технические знания для катетеризации и анестезии мелких животных. Катетеризация позволяет проводить прямую и точную оценку сердечной функции28. В этом протоколе для оценки сердечной функции используется приемный PV-катетер. Эта технология, основанная на различных свойствах электропроводности крови и сердечной мышцы, позволяет одновременно регистрировать давление и объем в полости сердца и генерировать петли PV в режиме реального времени 5,35. Вкратце, катетер состоит из электродов возбуждения и электродов записи. Электроды возбуждения генерируют электрическое поле внутри правого или левого желудочка. Внутренний регистрирующий электрод измеряет изменение напряжения, которое пропорционально изменению сопротивления. Вывод объема желудочков основан на законе Ома (напряжение = ток x сопротивление), из которого вычисляется проводимость (т.е. величина, обратная сопротивлению). В этом случае измеренное значение проводимости представляет собой комбинацию проводимости крови и мышечной проводимости. В электрическом поле кровь обладает исключительно резистивными свойствами, в то время как мышцы обладают как емкостными, так и резистивными свойствами. Емкостные свойства мышц вызывают временную задержку измеряемого сигнала. Отслеживание этой задержки, известной как «фазовый» угол, сообщает о вторжении сердечной ткани в поле при сокращении сердца. Это измерение является наибольшим при систоле и наименьшим при диастоле. Это свойство позволяет отделить мышечную составляющую проводимости от проводимости крови и позволяет близко приблизиться к абсолютным систолическим и диастолическим объемам. Петли «давление-объем» обеспечивают ряд гемодинамических параметров, которые не могут быть легко измерены другими методами, такими как простая ретроградная катетеризация с использованием катетеров, заполненных жидкостью, для измерения сердечного давления. Петли «давление-объем» измеряют давление в желудочках, а также предоставляют данные о сократительной способности, эластичности, мощности, энергетике и эффективности. Кроме того, фотоэлектрические петли обеспечивают надежные количественные измерения36. Таким образом, оценка сердечной функции с помощью ФВ-петель, генерируемых катетеризацией, стала золотым стандартом в доклинических исследованиях37. Кроме того, доклинические методы имеют отношение к заболеваниям человека, при которых распространена катетеризация сердца, хотя и с помощью катетеров, заполненных жидкостью. Однако катетеризация сердца у грызунов требует безупречной анестезии и отличной техники для предотвращения чрезмерной потери крови, гиповентиляции или изменения температуры тела.
У пациентов катетеризация сердца выполняется в закрытой грудной клетке, а сосудистый доступ достигается через яремную или подключичную вену для правого желудочка и лучевую или бедренную артерию для левого желудочка. Из-за небольшого размера мышей закрытый грудной подход часто бывает сложным. Таким образом, в исследованиях, проводимых на мышах, обычно используется открытый подход грудной клетки. Этот метод включает в себя вскрытие грудной клетки, тем самым обнажая сердце, и облегчение введения катетера путем пункции верхушки левого и/или правого желудочка38. Несмотря на то, что этот подход технически менее сложен и достаточно воспроизводим, его основные ограничения включают кровотечение и другие осложнения при апикальном введении катетеров, а также заметное падение внутрисердечного давления в результате открытия грудной полости до атмосферного давления. Вскрытие грудной клетки у грызуна, находящегося на искусственной вентиляции легких, вызывает снижение систолического давления в левом желудочке на 5–10 мм рт.ст. и давление в правом желудочке на 2–5 мм рт.ст.39. Таким образом, был разработан закрытый подход грудной клетки, который менее травматичен для сердца и дает более физиологически значимые измерения, которые легче переводятся в клиническую оценку сердечной функции.
Оценка сердечной функции является важным этапом для доклинических сердечно-сосудистых и легочно-сосудистых исследований. В данной работе нами предложен протокол закрытой грудной бивентрикулярной оценки сердечной функции у мышей. С помощью этого подхода можно сгенерировать петли PV правого и левого желудочков в одной и той же мыши. Этот подход обеспечивает надежную и полную оценку сердечной функции, позволяя измерять систолическую и диастолическую функцию, а также ударный объем и сердечный выброс. В отличие от подхода с открытой грудной клеткой, традиционно используемого для катетеризации грызунов, этот метод закрытой грудной клетки приводит к более стабильной физиологии и более физиологически значимым данным. Несмотря на то, что с технической точки зрения это более сложная задача и требует навыков оператора для успешного позиционирования катетера в правом и левом желудочке, закрытый грудной доступ ограничивает травму и кровотечение, связанные с открытой операцией на грудной клетке, и уменьшает резкие изменения давления, связанные с воздействием атмосферного давления на легкие. Закрытый грудной метод также лучше имитирует процедуру катетеризации сердца, выполняемую у пациентов, что повышает актуальность использования этой методики в доклинических исследованиях.
Хирургическое вмешательство является критическим этапом протокола. Даже при использовании хирургического микроскопа для введения катетера в яремную вену или сонную артерию, что рекомендуется, эта процедура требует практики и технических навыков. Тщательное рассечение сосудов, свободных от окружающих фасций, с помощью мягкого, тупого рассечения увеличит успех канюляции, сводя к минимуму риск кровотечения. Чтобы свести к минимуму кровопотерю, крайне важно канюлировать сонную артерию последовательно: 1) ввести кончик катетера в сонную артерию; 2) аккуратно перевязать шов вокруг той части артерии, которая содержит катетер; 3) освободите надежный шов, позволяя катетер двигаться, сохраняя при этом мягкое вытяжение вверх, чтобы свести к минимуму кровотечение; 4) продвинуть катетер к аорте. Позиционирование катетера в желудочке, определяемое с помощью мониторинга формы сигнала в режиме реального времени, является наиболее сложной частью этого протокола. Все электроды катетера должны находиться в полости желудочка, и ни один из них не должен касаться стенки. Любое неправильное расположение катетера приведет к нерегулярным петлям PV и отрицательно повлияет на сбор данных или сделает их невозможными. Распознавание характерной формы волны давления-объема, возникающей в результате нахождения всех электродов в желудочке, позволяет быть уверенным в правильном положении катетера. Крайне важно получить стабильную форму волны желудочкового давления и стабильные петли давления-величины перед переходом в режим PV и объемным захватом. Правильное знание физиологии и анатомии сердца имеет важное значение для успеха этой процедуры. Онлайн-считывание следов ФВ из предсердия, области трехстворчатого клапана и правого желудочка покажет продвижение катетера и поможет добиться правильного позиционирования. Очень важно знать нормальную частоту сердечных сокращений (400–600 ударов в минуту), а также ожидаемые формы волн и давления (например, систолическое давление в правом желудочке 18–25 мм рт.ст., диастолическое давление <5 мм рт.ст., систолическое давление в левом желудочке 60–120 мм рт.ст., диастолическое давление <8 мм рт.ст.) у мышей, чтобы оператор мог оценить достоверность наблюдаемых данных.
Качество и воспроизводимость данных будет зависеть от скорости проведения процедуры и кровопотери или кровотечения. Процедура от анестезии до завершения сбора данных занимает в среднем ~30–40 минут на мышь. Катетеризация правых отделов сердца от введения катетера до сбора данных занимает 5–10 минут, катетеризация левых отделов сердца от введения катетера до сбора данных занимает еще 10–15 минут. Данные публикационного качества получаются в ~75% случаев. Последовательность этапов катетеризации сердца должна быть постоянной между животными. При этой процедуре мышей сначала интубируют, затем проводят катетеризацию правого желудочка и, наконец, катетеризацию левого желудочка. Решение о продолжении операции в таком порядке основано на большей сложности и риске кровотечения при катетеризации левых отделов сердца по сравнению с правыми. Может наблюдаться неспецифический артефакт записи шума с частотой 50 Гц. Этот шум может быть уменьшен с помощью КИХ-фильтра с высоким срезом на частоте 50 Гц и низким значением 0 в программном обеспечении. Для канала громкости создайте новый канал/фильтр/КИХ-фильтр. Режекторный фильтр с частотой 50 Гц также может быть применен во время сбора данных для устранения шума сети и устранения любых радиочастотных помех.
Чем быстрее проводится катетеризация, тем лучше качество данных. Исходя из предыдущего опыта, рекомендуется собирать данные в течение 15 минут. Увеличение времени катетеризации увеличивает физиологическую нагрузку на животное и повышает риск развития аритмии из-за наличия катетера в полости. Эти силы могут уменьшить объем хода и ухудшить воспроизводимость и интерпретируемость осциллограмм. Кроме того, кончик катетера острый и может повредить или проколоть желудочек. Это особенно важно для правого желудочка, который составляет ~ 1/3толщины левого желудочка.
Инвазивная трахеостомия и искусственная вентиляция легких с положительным давлением приводят к стабильному и контролируемому дыханию мышей и снижают вариабельность получения петель ФВ. Тем не менее, положительное давление в конце выдоха (PEEP) резко контрастирует с нормальной вентиляцией, которая является феноменом отрицательного давления. Вместе вентиляция с положительным давлением и PEEP снижают сердечный выброс и снижают давление в правых отделах сердца. Таким образом, несмотря на то, что механическая вентиляция легких, а также кардиодепрессивные эффекты анестезии необходимы для получения стабильных данных, они будут влиять на контуры ФВ и должны рассматриваться как ограничение. Для устранения этого потенциального источника артефактов используется временное прекращение механической вентиляции во время кратковременной регистрации фотоэлектрических контуров. Отметим, что эффективность вентиляции может быть подтверждена капнографическим контролем углекислого газа.
Технические навыки, необходимые для подхода с закрытой грудной клеткой, могут быть ограничением этой техники. Кроме того, сложно добиться правильного, стабильного расположения катетера в желудочке. Шансы на успех увеличиваются в зависимости от опыта оператора, а также от размера и веса мышей. Катетеризация мышей с массой тела ниже 20 г является чрезвычайно сложной задачей. Уникальная геометрия камеры правого желудочка может повлиять на измерение объема, и это следует учитывать. Используемый анестетик, частота сердечных сокращений, температура и штамм животного могут повлиять на параметры гемодинамики, и о них следует тщательно сообщать и контролировать.
В заключение, в этом протоколе катетеризация правого и левого желудочков выполняется у одной и той же мыши. В зависимости от конкретных целей ученого, катетеризация левого или правого желудочка может быть выполнена независимо друг от друга, используя соответствующую часть бивентрикулярной процедуры. Однако представленный подход оптимален для полной оценки сердечной функции.
The authors have nothing to disclose.
Авторы выражают признательность за помощь и сотрудничество с персоналом зоотехцентра Королевского университета. Авторы выражают признательность Остину Риду (Austin Read), кандидату в магистратуру TMED.
Это исследование было частично поддержано грантами Национальных институтов здравоохранения США (NIH) NIH 1R01HL113003-01A1 (S.L.A.), NIH 2R01HL071115-06A1 (S.L.A.), Канадским фондом инноваций и Королевским кардиопульмональным отделением (QCPU) 229252 и 33012 (S.L.A.), Tier 1 Canada Research Chair in Mitochondrial Dynamics and Translational Medicine 950-229252 (S.L.A.), Canadian Institutes of Health Research (CIHR) Foundation Grant CIHR FDN 143261, Фонд Уильяма Хендерсона (S.L.A.), Премия Канадской сосудистой сети (F.P.) и стипендия Paroian Family от Канадской ассоциации легочной гипертензии (F.P.)
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 | |
Ventilator, far infrared warming pad for mice and rats PhysioSuite | Kent scientific corporation | # PS-02 |