经胸超声心动图提供了一种无创评估小鼠心脏功能的方法。结合超声成像和多普勒成像技术，可获取心脏的结构尺寸和心内血流信息，从而综合评价心脏的收缩和舒张功能。
本文内容
摘要
摘要
近年来，小鼠模型已成为研究由基因表达变化引起的心脏功能障碍分子机制的主要途径。转基因和基因靶向方法可用于构建心脏大小和功能发生改变的小鼠模型，1-3因此，in vivo需要采用相应技术来评估其心脏表型。经胸超声心动图、脉冲波多普勒（PWD）和组织多普勒成像（TDI）可用于提供小鼠心脏的尺寸测量数据，并量化心脏收缩和舒张功能的程度。二维成像用于检测左心室的异常解剖结构或运动，而M型超声则用于心脏尺寸和收缩力的定量分析。4,5此外，PWD 用于量化湍流的局部速度，6而TDI用于测量心肌运动的速度。7因此，经胸超声心动图提供了一种无创评估小鼠心脏功能的全面方法。
方案
1. 准备用于成像研究的小鼠
- 成像研究开始前，将小鼠置于诱导室中麻醉（使用 2% 异氟烷与 0.5 L/min 的 100% O2 混合气体）。为确保操作人员安全，务必对废气进行过滤。将动物从诱导室中取出，使用电动毛发剪从颈部至胸部中段剃除毛发，随后用脱毛膏清除残留体毛。此准备步骤可提前一天进行，以尽量减少小鼠在成像过程中可能产生的不良应激反应。
- 在小鼠双眼涂抹眼用润滑凝胶，防止巩膜干燥（注意避免凝胶涂抹工具接触角膜）。将麻醉后的小鼠仰卧置于带有内置心电图电极的加热垫上，以维持体温。
- 将小鼠鼻部置入与麻醉系统相连的鼻罩内，以在整个操作过程中维持稳定的镇静水平（使用 1.0% 至 1.5% 异氟烷与 0.5 L/min 的 100% O2 混合气体）。通过脚趾或尾部夹捏测试确认镇静状态。如有需要，可调节麻醉深度，使目标心率维持在 450 ± 50 次/分钟（bpm）。
- 在直肠探头润滑后轻柔插入，通过加热垫持续监测并调节体温。维持体温在较窄范围内（37.0 °C ± 0.5 °C）至关重要，因为即使体温和心率的轻微变化也会影响小鼠的心脏功能。
- 在四只脚掌涂抹导电电极胶，并用胶带将其固定于心电图电极上。
2. 评估心脏的收缩功能
- 开始此操作时，将一层预热的超声耦合剂涂抹于胸部，主要覆盖心脏所在区域。耦合剂应加热至接近体温。使用冷的耦合剂可能导致机体热量快速散失。避免耦合剂中产生气泡，以免干扰超声成像。
- 将小鼠固定于轻度头高倾斜位置。使用显微操作器将超声探头固定，使探头与心脏呈90°角。
- 开始获取短轴切面超声心动图测量图像时，将探头从胸骨旁位置下放至胸壁。避免将探头直接置于胸骨上方或皮肤表面，否则会扭曲信号。
- 首先，我们将进行二维（2D）成像（“B模式”），以获取胸骨旁短轴切面图像。根据动物心脏的大小，调整探头的观察区域，以获得完整的图像。
- 在此方位下，理想的图像应包含左心室以及部分右心室壁。视频中箭头所示为左心室的前外侧和后内侧乳头肌、左心室的后壁与前壁、室间隔以及部分右心室壁。在测量过程中，需特别注意是否存在室壁运动异常（如运动减弱、无运动、不同步）或室壁瘤。
- 接下来，我们将使用M型超声心动图，该模式提供一维（1D）图像，用于精确测量心脏结构尺寸和收缩功能。储存所获取的图像，以便后续评估左心室收缩功能的各项参数。
3. 评估心脏舒张功能
- 在观察胸骨旁短轴切面的同时，可进行组织多普勒成像（TDI）以测量心肌运动速度。将感兴趣区域标记于左心室后壁，用于径向运动评估。所获得的波形将呈现四个可用于评估舒张功能的波峰：IVRT、E'、A' 和 IVCT。其中 S' 代表收缩期速度。（图 3B）这些参数将在代表性结果部分进一步描述。
- 脉冲波多普勒（PWD）可用于测量心肌组织特定深度小区域内的血流速度。为显示跨二尖瓣血流模式，将动物向后倾斜至头低脚高位（Trendelenburg 位），并向上倾斜探头，使探头与心脏心尖呈正交方向。
- 此时提高异氟烷浓度，使心率降至 300–350 次/分钟，从而减缓二尖瓣的运动。在比较研究中，保持不同动物间心率相近非常重要。
- 以二尖瓣的运动作为参考点，用于测量瓣膜跨瓣血流。将取样容积置于二尖瓣瓣尖处。
- 使用脉冲波多普勒（PWD）测量二尖瓣跨瓣血流模式。通常可见两个波形：一个代表心室的被动充盈（早期充盈[E波]），另一个对应心房收缩引起的主动充盈（心房收缩[A波]）。在健康心脏中，E波速度略高于A波速度（图 3C）。
- 完成所有测量后，移除动物身上的电极凝胶（用普通纱布轻轻擦拭）及固定装置。将动物置于加热的心电图垫上，保持直立体位，让其在无束缚状态下恢复，并关闭麻醉。当小鼠苏醒后，将其放回笼中。
4. 典型经胸超声心动图结果
无创超声心动图研究可用于评估心脏疾病小鼠模型的左心室形态和功能。4,5 该技术应用广泛，为评估左心室功能提供了一种替代终末性操作的方法，例如心腔内压力-容积环测量。8 或 离体 工作心脏模型9 通过经胸M型超声心动图评估左心室腔径线，可在多种心脏病模型中检测出左心室腔异常扩大或室壁增厚。5 因此，经胸超声心动图结合脉冲波多普勒技术，构成了对小鼠心脏收缩和舒张功能进行无创评估的全面途径。
图1. Vevo 770 高分辨率活体显微成像系统用于超声心动图和多普勒成像的总体示意图。（A）我们使用 VisualSonics 集成导轨系统，配备生理监测单元、EKG 板和 RMV 30mHz 扫描探头。（B）将小鼠置于带有集成 ECG 电极（金色）的加热板上并妥善固定。四肢通过胶带连接至 ECG 电极。（C-D）照片显示用于获取舒张功能测量值的脉冲波多普勒的正确角度，如方案第4节所述。收缩功能测量的探头方向见视频方案。
图2. 典型二维超声心动图图像（B型模式）。 （A）胸骨旁短轴切面，显示左心室前壁（AW）和后壁（PW）、室间隔壁（SW）以及侧壁（LW）。左心室腔的直径可测量为左心室内径（LVID）。星号标记示出后内侧乳头肌。（B）心尖四腔心切面，取位于二尖瓣上方的观察区域，用于测定E/A峰速度。MVAL，二尖瓣前叶；MVPL，二尖瓣后叶；RV，右心室；LV，左心室。
图3. 超声心动图与多普勒数据的采集与定量分析。 本图包含与图2所示二维超声心动图图像相对应的代表性采集数据图像。（A）M型扫描图，其中标示出收缩末期（ESD）和舒张末期直径（EDD）的测量线。LVAWD/S，左心室前壁厚度（舒张期/收缩期）；LVPWD/S，左心室后壁厚度（舒张期/收缩期）。（B）左心室后壁组织多普勒成像的代表性图示。IVRT，等容舒张时间；IVCT，等容收缩时间。E'波代表左心室早期舒张充盈期间二尖瓣环的运动，A'波来源于心房收缩所致的晚期左心室充盈。S'代表收缩期速度。（C）二尖瓣瓣叶尖端的脉冲波多普勒记录可提供二尖瓣血流速度图型，从中可获得早期舒张速度（E）、伴随舒张期收缩的晚期舒张速度（A）以及E/A比值。IVRT也是表征舒张功能和充盈压的有用参数。ET表示射血时间。
讨论
在使用M型超声心动图对小鼠进行研究时，为了便于不同组别或不同基因型小鼠之间的比较，必须对同一批次小鼠的麻醉深度10、体温和心率进行标准化。在利用脉冲多普勒（PWD）评估舒张功能时，必须降低心率，以便准确评价小鼠心脏的舒张特性。必须密切监测动物的生命体征，以防止血流动力学衰竭和死亡。另一方面，在使用M型超声心动图测量收缩功能时，若心率低于每分钟400次，由于左心室（LV）充盈增加，会导致舒张末期内径增大。
致谢
我们感谢 Corey Reynolds 博士以及贝勒医学院小鼠表型分析中心为本项目提供的专业帮助和对设施的开放使用。X.H.T.W. 是 W.M. Keck 基金会医学研究杰出青年学者，同时获得美国国立卫生研究院/国家心脏、肺和血液研究所（NIH/NHLBI）R01-HL089598 和 R01-HL091947 项目资助，以及肌营养不良协会（Muscular Dystrophy Association）#69238 号项目资助。本研究还部分得到了 Leducq 基金会 CaMKII 信号传导与心脏研究联盟的资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Vevo 770 高分辨率活体微成像系统 * | VisualSonics, inc. | www.visualsonics.com/products | |
| RMV（实时微成像）707B 30MHz 探头，带封装式换能器 | VisualSonics, inc. | www.visualsonics.com/products | |
| Vevo 集成导轨系统，包含生理监测单元 | VisualSonics, inc. | www.visualsonics.com/products | |
| Vevo 紧凑型麻醉系统 | VisualSonics, inc. | www.visualsonics.com/products | |
| 加热灯 | General Supply | ||
| 脱毛膏（Nair） | General Supply | ||
| Sigma créme（电极膏） | Parker Laboratories Inc. | 货号#17-05；www.cardioogyshop.com | |
| Ecogel 100 超声耦合凝胶 | Eco-Med Pharmaceuticals Inc. | 产品编号 30GB；www.eco-med.com | |
| 标准纱布垫 | Safe Cross 急救用品公司 | ||
| 胶带/棉签/加热垫（x2）/ Clidox / ddH2O | General Supply | ||
* 所需软件为 Vevo 软件，包括 B 模式成像模块、脉冲波多普勒模块以及心血管分析工具包。 |
参考文献
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