Summary
立っている覚醒状態のミニブタで心エコー検査の研究を行うために構築された単純なカート構造が、建物の考慮事項、トレーニング技術、および代表的な超音波画像とともに説明されています。
Abstract
心エコー検査は、超音波を使用して心臓の構造と機能を非侵襲的に評価し、心臓の評価とモニタリングの標準治療です。ミニブタ、またはミニブタは、医学研究における心臓病のモデルとしてますます使用されています。豚は安全に拘束して取り扱うのが難しいことで有名であるため、この種の心エコー検査の研究はほとんどの場合、麻酔または重度の鎮静下で行われます。麻酔薬と鎮静薬は普遍的に心血管機能に影響を及ぼし、心拍出量と血圧の低下、心拍数と全身血管抵抗の増減、電気リズムの変化、冠状動脈血流の変化を引き起こす可能性があります。.したがって、鎮静または麻酔をかけた心エコー検査では、大型動物モデルにおける心臓病の進行を正確に描写できない可能性があり、それによってこれらの重要な研究の翻訳価値が制限される可能性があります。この論文では、ミニブタの起床心エコー検査を可能にする新しいデバイスについて説明します。さらに、血行動態を変える麻酔薬を必要とせずに、この痛みのない非侵襲的な手順に耐えるようにブタに教えるために使用される訓練技術が説明されています。スタンディングアウェイクハートコグラフィーは、心臓血管研究用のミニブタで最も一般的な心臓モニタリングテストを実行するための安全で実行可能な方法です。
Introduction
心不全は、米国および海外の医療機関にとってますます負担が高まっており、世界中で3,800万人の患者が罹患しています1。2020年には世界で約1,900万人が心血管疾患に起因し、2010年から18.7%増加しました2。新しい治療法の開発は、この憂慮すべき傾向に追いつくのが遅いです。したがって、心不全は研究の重要な分野であり、疾患の発症と進行を捉えるための忠実度の高いツールの重要性は誇張することはできません。
心エコー検査は現在、心臓病の進行を非侵襲的に測定するための最も臨床的に重要なツールですが、大型動物研究モデルでは、実装が困難な場合があります3。心エコー検査は、超音波を使用して心臓の構造と機能を評価し、心臓の評価とモニタリングの臨床現場での標準治療です4。ブタなどの心臓疾患の前臨床大型動物モデルは、基礎科学を心血管治療薬の開発に変換する上で重要な役割を果たします5。したがって、これらの治療法を開発する際に心エコー検査を大型動物モデルに変換することは、この重要な取り組みの重要な部分です。
ブタは、虚血性、圧力過負荷、および心不全の急速なペースシミュレーションの大型動物モデルとして一般的に使用されるいくつかの種の1つです5,6。ブタは、神経ホルモン代償機構と心臓リモデリングがヒトの病態生理学を密接に反映しているため、前臨床試験において特に重要です6,7。最近では、ミニブタ、またはミニブタは、肥満、高血圧、高コレステロール血症、および糖尿病が確実に心機能障害およびリモデリングをもたらす心臓病の複数の併存疾患モデルとして有望であることが実証されています8,9。
ほとんどの大型動物で心エコー検査を安全に行うには、重度の鎮静または全身麻酔が必要です。しかし、すべての麻酔薬と鎮静薬は、用量依存的に心機能を低下させます10,11。麻酔薬および鎮静薬は、心拍出量および血圧の低下、心拍数および全身血管抵抗の増減、電気リズムの変化、および冠状動脈血流の変化を引き起こし得る12。ほとんどの場合、麻酔薬は交感神経緊張を低下させ、静脈還流を減少させ、血圧を低下させます13。重要なことに、麻酔薬は心エコー検査パラメータにも影響を及ぼし、動物モデルにおける心臓病のモニタリングにおけるこの検査の解釈を複雑にします14。覚醒心エコー検査は、本来の心機能の最も近い表現です。
ここでは、覚醒状態のミニブタに容易に受け入れられるブタ拘束装置について説明し、血行動態を変える麻酔薬の投与を必要とせずに基本的な心エコーモニタリングに使用できます。
Protocol
心エコーカートの構築と使用は、ユタ大学の施設動物管理および使用委員会の動物の取り扱いおよび訓練基準に準拠して実施されました。
1.心エコーカートを構築する際の考慮事項
- 横方向および腹側の立っている心エコー検査イメージングウィンドウへのアクセスを可能にする装置を構築します。
- 心エコー検査中に豚が登ったり飛び出したりするのを防ぐために、側面、前面、背面が高いカートを使用してください。
- 長さと幅を調整できるカートを使用して、さまざまなサイズと年齢の豚を収容します。ただし、すべての豚のサイズ、品種、年齢が同じである調査研究では、これは必要ないかもしれません。
- カートを取り付けたり取り外したりするための滑り止めランプを調達します。豚は前方に歩くことを好むので、後方への降車は望ましくありません。この例では、カートを取り付けた後に一方の端から切り離し、カートのもう一方の端に移動して取り外すことができるように、取り外し可能なランプが利用されました。
- ロックホイール付きの車輪付きカートを使用すると、装置を保管場所から動物室に移動できます。
- ビバリウムの洗浄および消毒基準に準拠するには、プラスチック、金属、およびゴムの材料を使用してください。
- 最後に、カートの前に取り外し可能な給餌トラフを含めて、心エコー検査中に豚に気を散らすことができるようにします。
2.カート製造仕様
注:私たちの研究で使用された豚は、生後5〜10か月のユカタンとゲッティンゲンのミニチュアブタであったため、カートはこのサイズを念頭に置いて構築されました。
- 同様の構造をゼロから構築することもできますが、構築作業の一部を減らすには、既製の頑丈なユーティリティカートから始めます(図1)。ロッキングホイールをお勧めします。
- ユーティリティカートの前面と背面を切り落として取り外し、PVCパイプとチェーンリンクで構成されたゲートと交換します。フックまたはカラビナを使用してフードトラフを吊るすには、チェーンリンク材料を使用します(図2)。前面と背面を取り外すと、プラスチックの完全性と保持強度が低下するため、大きくて重い豚の場合は、カート棚の下側に金属棒で補強します。
- カートの最上階に、超音波プローブを持っている手を通すのに十分な大きさの開口部を作成します。開口部の上部に取り付けられたプラスチック製のカバーピースを保持し、豚がカートに安全に立ったら、胸状心エコー検査にアクセスするために取り外すことができます(図3)。
- カスタムフィットとして、アルミニウムストック(角管、バー、板金など)を使用して、特定の取り付けポイントで変更されたカートに取り付けるための補強材を備えた金属製の取り付け/取り外しランプを構築します。ボルトとグロメットを使用してグリップするための取り外し可能なゴムパッドを追加します(図4)。
- サイドゲートのヒンジ機構を作成し、簡単なピンを使用してピグの立ち位置を狭くし、拘束を改善します(図5)。これにより、カート内の豚にぴったりとフィットし、豚が向きを変えることなく前向きに拘束されます。
3.カートに立つようにミニブタを訓練する
- 豚は、トラフから長期間食べ、ランプを上り、ランプを歩くように訓練する必要があります。
- トラフを冷凍のおやつで満たすと、豚の立っている時間が長くなります。ジュース、ミール代替品、ヨーグルトとシリアルおよび標準的なチャウチャウ、ビスケット、フルーツバーなどの組み合わせを使用します。これらの組み合わせを一緒に凍結して、長持ちする冷凍トリートトラフを作成します(図6)。考慮すべき別のオプションは、動物の通常の食事を差し控え、代わりに心エコー検査期間中にカートのトラフにそれを与えることです。
- 豚にからくりで冷凍おやつを食べるように教える前に、地面に冷凍おやつトラフを導入し、トラフが価値の高いおやつを提供するものとして認識されるように促します。
- 1日1回のトレーニングセッションで、5〜7日間立っている心エコー図を受け入れるようにブタを訓練します。これを行うには、次の手順を実行します。
- カートを高価値の御馳走(ビスケットまたはシリアル)で1〜2日間囲んで、豚をカートに紹介します。
- ランプに沿って高価値の御馳走を配置し、豚がランプを上ったときに追加の報酬を提供することにより、豚を1〜2日間ランプに紹介します。
- 豚をサイドレストやゲート(恐怖を誘発する可能性があります)をかみ合わせずにカートの上に立たせ、正門で冷凍御馳走トラフを2〜3日間提供します。最後の1〜2日間、豚が飼い葉桶から食べている間に、超音波ゲル付きの超音波プローブを豚の上に置き、プローブとの接触感覚に慣れさせます。
- この訓練計画の後、ブタは容易に拘束およびゲートを閉じ、心エコー検査画像の取得のために超音波を実行することを可能にするであろう。
4. 画像取得
- 心エコーカートで画像を取得すると、以下に説明するように、次の位置にプローブを配置できます。
- カートの側面から左右の腋窩まで画像を撮ります。これらの位置は、左右の傍胸骨イメージング面を取得するために使用されます。
- カートの床から亜剣骨領域まで画像を撮影して、頂端ビューを取得します。
- これらの立位からBモードとMモードの両方の画像を撮影します。
- 模擬アウェイクエコー録音手順については、ビデオ1を参照してください。ビデオでは、動物の被写体は実物大のミニブタ人形で表され、カート内の移動スペースが限られている本物のミニブタのように拘束されています。記録心エコー検査プローブの最適なアクセスウィンドウと位置も示されています。
Representative Results
ユカタンのミニブタで生後約8ヶ月で取得した代表的な画像を紹介します。動物は鎮静されることはなく、画像取得中に飼料または冷凍御馳走トラフを楽しんでいました。
心エコーカートは、主に、BモードまたはMモードの画像やビデオから左心室室容積と駆出率(EF)を計算するための簡単な画像を取得するのに役立ちます。血管イメージングや組織ドップラーなどのより高感度なイメージングは、覚醒中のブタの可動性が制限されており、イメージング時間枠が給餌時間によって制限されるため、この手法では困難すぎることが判明する可能性があります。
研究室では、事後画像解析機能のないベッドサイド超音波装置を使用しています。そのため、映像や静止画は編集ソフトによる加工や科学画像解析ソフトによる計測が必要となります。
カートの側面から短軸横方向のMモード画像(図7)を取得し、収縮期と拡張期の左心室内径(それぞれLVIDとLVIDd)の分析とその後の駆出率(EF)の計算に使用しました(EF = (EDV - ESV)/EDV × 100%(EDV:拡張末期容積;ESV:終末期収縮期容積)は、タイヒホルツ式(体積= 7D3 /[2.4 + D])(D:線形LV直径)15で計算された体積に基づいています。2匹のミニブタから得られた4匹のMモードスキャンから生成された代表的なデータ、ならびに鎮静エコーセッション中に同じ動物から記録されたMモードスキャンから生成されたデータを 表1に含める。予想通り、鎮静エコーセッションから生成されたEFは、意識エコーセッションから生成されたEFよりも低い傾向がありました。
胸骨傍長軸図Bモード画像もカートの側面から取得した(図8)。EFの算出には面積長法が用いられ、これらのBモード画像16を用いた。まず、左室EDVは、拡張末期左室長軸長と大室面積から、式EDV =(0.85 ×2)/長さを用いて算出した。左室ESVは、収縮期測定値を用いて同様の方法で計算した。次に、駆出率をEF =(EDV - ESV)/EDV × 100%として計算した。2つのミニブタから得られた8つのBモードスキャンから生成された代表的なデータを 表2に示します。比較のために、鎮静エコーセッション中に同じ動物から記録されたBモードスキャンから生成されたデータも含まれています。Bモード画像を用いて、鎮静エコーセッションと意識エコーセッションから生成されたEFは互いに密接に一致した(表2)。
図1:心エコーカートの側面図。心エコー検査カートは、既製の頑丈なユーティリティカートを使用して構築されています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:心エコーカートの頭部図。既製のカートの前面と背面は、PVCパイプとチェーンリンク(A)で作られたヒンジ付きゲートに置き換えられ、吊り下げ式のフードトラフ(B)にも対応しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:心エコーカートの上面図。 カートの最上階には、超音波プローブを持った手を通すための開口部が作られています。プラスチック製のオーバーピースが取り付けられており、カートを安全に取り付けたり取り外したりできます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:アルミニウムランプ。 カートの前面または背面にアルミニウム製のランプが取り付けられており、ボルトとグロメットを使用してグリップするために取り外し可能なゴムパッドが追加されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:サイドゲート。 サイドゲートにはヒンジが作成され、ピンにより正確なサイジングと拘束が可能になります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:意識的なエコーセッションを扱います。 ジュース、ミールリプレイスメントドリンク、またはヨーグルトとシリアルおよび標準的なチャウチャウ、ビスケット、および/またはフルーツバーの組み合わせを冷凍して、長持ちする冷凍おやつトラフを作成します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:意識のある動物から得られた代表的なMモードスキャン。 Mモード撮像から左室駆出率を算出するためのサンプル画像解析。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:意識のある動物から得られた代表的なBモードスキャン。 Bモード撮像から左室駆出率を算出するためのサンプル画像解析。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 平均± SD | 緯度 (cm) | ルービッド (cm) | EF (%) |
| コンシャスエコー(N = 4/2) | 3.8 ± 0.5 | 2.5 ± 0.5 | 64.3 ± 5.4 |
| 鎮静エコー(N = 4/2) | 3.9 ± 0.2 | 3.0 ± 0.0 | 48.5 ± 7.9 |
| EF、駆出率;SD、標準偏差。 | |||
| N = 2匹の動物から得られた4回のエコースキャン | |||
表1:鎮静ミニブタとカートに拘束された意識のあるミニブタに記録されたMモード画像から生成されたパラメータの比較。
| レベルマルド (cm) | LVマル (cm) | LV-CAd (cm2) | LV-CAs(センチメートル2) | EF (%) | |
| コンシャスエコー(N = 8/2) | 5.8 ± 0.8 | 4.5 ± 0.6 | 18.6 ± 5.0 | 10.7 ± 2.8 | 57.3 ± 5.2 |
| 鎮静エコー(N = 8/2) | 5.9 ± 0.5 | 4.8 ± 0.4 | 21.8 ± 2.7 | 13.1 ± 2.4 | 55.3 ± 9.0 |
| LV-MAL、左心室長軸長;LV-CA、左心室室領域; | |||||
| EF、駆出率;SD、標準偏差。2匹の動物から得られたN = 8エコースキャン | |||||
表2:鎮静されたミニブタとカートに拘束された意識のあるミニブタに記録されたBモード画像から生成されたパラメータの比較。
ビデオ1:心エコーカートを使用して実物大のミニブタ人形で実行される模擬覚醒心エコー図記録手順。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Discussion
心エコー検査カートは、重要な心臓研究モデルであるミニブタの心臓の構造と機能を監視するための簡単に複製可能な方法を表しています。カートの目新しさは、動物の心機能を変化させ、心臓治療の効果を評価するために使用される測定値そのものを変更する麻酔薬または鎮静剤を使用する必要性という最大の警告なしに心エコー画像をキャプチャできることにあります。さらに、カートは安全で安価で、豚の簡単なトレーニングターゲットです。
著者らは、最初にカートの望ましい機能を特定し、次に大工と緊密に協力して製品を設計しました。標準的な積極的な強化トレーニング技術は、豚にカートを恐れずに受け入れて利用するように教えるための簡単で迅速でした。超音波検査の実践により、著者らは、後の処理のために標準的な2次元心エコー検査イメージング面を迅速に見つけて記録することができました。これらの立位心エコー図の間、鎮静剤または麻酔薬は決して投与されなかったため、ビデオと画像は覚醒心機能を表しています。
心エコー検査カートの構築は、研究グループにとって重要な重要な機能(サイズ調整機能、高さ、超音波プローブアクセスポイントなど)を特定した後、経験豊富な大工や便利屋にとって比較的簡単です。構築プロセス中に、カートの機能は個々のラボのニーズに合わせて変更できます。材料は主に安価であり、カートを構築することで、通常使用される鎮静剤と麻酔薬を使用して心エコー図を実行するコストを節約できます。
この手法の限界には、画像を取得するための動きと限られた時間枠が含まれていました。カートは豚を拘束するためにさまざまなサイズに調整することができ、動物は向きを変えることができず、各方向に数インチしか移動できませんでしたが、動物はカートの範囲内で動くことができました。家畜に使用されるようなヘッドゲート、スクイーズシュート、または支柱は、追加のトレーニングでより良い拘束を提供する可能性があります。同様に、成功したイメージングは、心エコー図中に動物が飼料や冷凍おやつに気を取られていることに依存していました。通常、これにより約15分のイメージングが可能になりましたが、これは必ずしもすべての所望の画像を取得するのに十分ではありませんでした。動物が拘束されたままで、飼い葉桶を簡単に交換したり、飼料を追加したりできるため、イメージング期間が長くなる可能性があります。最後に、上記の両方の制限のために、組織ドップラーなどのより高感度のイメージング技術は、立っている心エコー検査カートで実行することが困難であることが証明されました。
他のブタ実験モデルは、市販のパネピントスリング17などの非麻酔ハンドリング技術を利用することが多い。しかし、著者らは、スリング技術がブタの訓練にとってより面倒であり、スリングは超音波検査技師が心エコー検査に必要なイメージング面へのアクセスを提供しなかったことを発見した。心エコー検査カートの他の潜在的な用途には、腹部超音波検査、皮膚病変の観察、または血管アクセスポートからの血液サンプルの取得などの他の痛みのない手順が含まれる可能性があります。著者らは、例えば、心電図を実行するためにブタを簡単に拘束し、ペースメーカーをプログラムするためにカートを利用することが多い。
結論として、記載された覚醒心エコー検査技術は、麻酔薬または鎮静薬の使用に典型的な心血管抑制なしに心臓の基本的な超音波画像化を得るために実行が容易でありそして価値がある。この技術は、麻酔画像を大型動物の覚醒画像と比較したり、心臓病と不全の貴重なブタ前臨床翻訳モデルで心臓病の進行を日常的に監視したりするために利用できます。
Disclosures
著者には、開示すべき金銭的利益相反はありません。
Acknowledgments
この研究への資金提供には、NIH-T32(T.H.)、R01HL133286(TT.H.)、R01HL094414(R.M.S.)、R01HL138577(R.M.S.)、R01HL159983およびR21AG074593(R.M.S.およびTT.H.)が含まれます。ユタ大学のノラ・エクルズ・ハリソン心臓血管研究訓練研究所と比較医学の研究グループのすべてのメンバー、補助研究者、スタッフに感謝します。また、ジョセフ・パラティヌス博士の貴重な心エコー検査のトレーニングと支援に感謝の意を表します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Access Ramp | N/A - shop built | 58" L x 18" W. Rise of 19" not to exceed 22.5 degree angle. | Any removable aluminum ramp with capacity to hold weight of pigs |
| Fence Feeder with Clips | DuraFlex | E011772 | Feed trough with clips for hanging on chain link, used for frozen treats or feed to distract pigs during echocardiography |
| Heavy Duty Utility Cart | Baxter Medical Equipment & Supplies | Cart # unk / 45x25x33"; Pipes, sch 40 PVC | Made of heavy plastic, with three shelves |
| Image Analysis Software | Image J FIJI | https://imagej.net/software/fiji/ | Free scientific image analysis software |
| Lumify Ultrasound with S4-1 Phased Array Transducer | Philips | FUS6884 | Handheld bedside ultrasound with cardiac probe, used with a tablet device and proprietary software |
| Video Editing Software | Adobe Premiere Pro 2022 | https://www.adobe.com/products/premiere.html | Commen software part of Adobe Creative Cloud. |
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