小鼠胎儿超声心动图

摘要

在研究影响心脏发育的遗传改变时，胎儿及围产期死亡是常见的现象。高频超声成像提高了二维分辨率，能够提供早期心脏发育的优良信息，是检测死亡发生前心脏结构与功能受影响情况的理想方法。

摘要

在心脏发育和功能方面表现出异常的转基因小鼠，是研究正常心血管功能以及人类心血管疾病病理生理基础的分子机制的有力工具。在研究影响心脏发育的遗传改变时，胎鼠和围产期死亡是常见现象^1-3。为了研究遗传或药物干预在心脏功能早期发育中的作用，对活体胎鼠进行超声成像已成为早期识别异常和进行纵向随访的重要手段。无创性超声成像是检测和研究先天性畸形及其在死亡前对心脏功能影响的理想方法⁴。它能够在活体胎鼠中早期发现异常，并通过纵向研究在子宫内追踪疾病进展^5,6。直到最近，胎鼠心脏的成像通常需要侵入性方法。为进行磁共振显微成像、电子显微成像或透射照明显微成像，往往需要将胎鼠处死或通过手术取出。已有研究表明，采用高频探头结合常规二维和脉冲波多普勒成像，可在胚胎发育过程中测量心脏收缩功能和心率，目前已有正常发育变化的数据库可供参考^6-10。M型超声成像可进一步提供重要的功能数据，但合适的成像切面往往难以获得。高频超声成像提高了二维分辨率，能够为心脏结构的早期发育提供优良的信息¹¹。

方案

1. 准备用于成像的小鼠

1. 成像研究前，将母鼠置于诱导室中麻醉（2-3% 异氟烷）。将动物从诱导室中取出后，立即将其口鼻部放入与麻醉系统相连的鼻罩中。使用毛发修剪器去除胸部中段至下肢区域的毛发（见图1），再用脱毛膏清除残留体毛。也可单独使用脱毛膏而不使用修剪器，使用后应彻底冲洗皮肤以避免刺激。
2. 将麻醉后的实验小鼠仰卧位放置于带有嵌入式心电图导联的加热垫上，以维持体温（图1）。在四只脚掌上涂抹导电胶，并用胶带固定于心电图电极上。
3. 在整个操作过程中维持稳定的镇静状态（1.0% 至 1.5% 异氟烷与100% O₂混合）。可根据需要调整麻醉深度，以维持目标心率为450 ± 50 次/分钟（bpm）。应注意尽量减少异氟烷用量及镇静时间，控制在1小时以内。
4. 将直肠探头（使用前润滑）轻柔插入，通过加热垫系统监测体温。维持体温在较窄范围内至关重要（37.0 °C ± 0.5 °C）。受控的麻醉状态和恒定的体温对母体及胎儿的血流动力学稳定性至关重要。

技术注意事项

获取胎儿超声心动图可能具有挑战性。由于母体和胎儿对压力的反应，这些研究获得的数据可能会受到干扰。理想情况下，应使用加热成像平台、循环加热垫、加热灯或自动调节的加热毯来维持动物体温。此外，建议常规使用预热的超声耦合剂。尽管在体温控制方面主要关注的是避免低体温，但高体温的发生也应同等重视。未受监控的加热设备（例如简单的加热垫）或靠近卤素光源可能导致体温迅速且危险地升高。由于体温在任一方向上的显著波动均会使动物处于风险之中，因此应尽一切努力维持正常的体温水平。

进行图像采集的超声医师需避免探头对体腔施加过大压力，因为仅探头自身的重量就可能导致心脏功能改变。为了减少长时间镇静所引起的生理和血流动力学变化，图像采集时间也应尽可能缩短（理想情况下少于一小时）。此外，由于异氟烷具有潜在的致畸作用¹²，每次实验中暴露于异氟烷的时间和剂量均应尽可能最小化。

2. 胚胎鉴定

1. 以母体膀胱作为解剖标志开始成像，左右侧子宫角的胚胎分别标记为 L1、2、3 等等 （左侧）和 R1、2、3， 等等 （右侧）（参见 图1C胎儿位置的标注有助于成像后标本的回收。
2. 位于腹腔过深处的标本因分辨率较差，仅通过扫描记录其存在，但不纳入数据分析。对邻近胚胎进行扫描的能力有助于胎儿的追踪。图2A).
3. 通过改变鼠标相对于扫描平面的方向来调整扫描平面。对每个胎儿均在两个正交平面上获取图像。图2）。尽量获取接近横断面、冠状面或矢状面的图像，但有时因子宫在腹腔内的位置限制，只能获得斜切面。通过旋转探头也可在不移动母体的情况下调整扫描方向。

技术注意事项

尽管在成年小鼠超声心动图检查中可以手持探头操作，但在胎儿成像中不推荐采用手持方式。由于子宫位置多变、形态扭曲且存在运动，胎儿的识别较为困难。为了最大限度减少胎儿定位的困难，必须使用固定式换能器（图1），仅在母体水平面内进行最小限度的移动。

3. 结构与功能的评估

1. 采用B型超声扫描图像识别基本的心脏结构，如心房、室间隔、心室腔以及左、右心室流出道（图2）。
2. M型超声图像取自短轴切面，用于测量心室壁厚度和心腔大小（图3）。若因胎儿体位导致无法获得正确对齐的图像，可使用B型图像进行测量，以计算缩短分数（FS）的百分比。在心动周期中，左心室收缩末期内径（LVESD）与舒张末期内径（LVEDD）之间的时相变化可用于计算缩短分数（FS），公式如下：
   %FS = [(LVEDD - LVESD) / LVEDD] × 100
3. 通过从头侧至尾侧扫描识别左心室和右心室，并应标注左右侧。由回声较强的胎儿血液产生的可见血流束有助于将多普勒取样容积准确放置于二尖瓣口。左心室流入道速度通过心尖四腔心切面和左心室长轴切面的二尖瓣获取（图4,C）。主动脉流出道测量可用于评估收缩射血时间（图4,D）。心率可通过测量一个血流周期至下一个血流周期的时间进行计算（图4, C 和 D）。应仔细调整血流方向与多普勒声束的对齐，以尽量减小多普勒角度。当角度超过60度时，测量值不准确，应避免使用。
4. 采用B型超声扫描图像识别常见的结构性先天性异常，如室间隔缺损（图5）。将多普勒取样容积置于心室内可用于识别跨室间隔的血流。其他易于监测的参数包括胎儿大小、心率、血流速度、心包积液和胎儿水肿。特定心脏缺陷的确诊需通过尸检和组织病理学进一步评估。

技术注意事项

在胎儿心脏成像中，由于心室腔在发育过程中尺寸相似，区分左右心室可能较为困难。一种策略是通过在水平面上移动成像平台，实时确定胎儿的左右方位。识别吻突、肢芽和脊柱有助于判断胎儿的左/右方向。如果可能，追踪流出道至主动脉弓，或观察肺动脉主干的分叉，可分别用于识别左心室流出道或右心室流出道。对于每个被研究的胎儿，应在保存的图像上明确标注所确定的左右方位。

成像后动物的监测与护理

成像完成后，将母鼠放回适当的饲养环境，并根据机构标准的术后操作规程进行监测。该成像操作后无需给予镇痛处理。预计在五分钟内即可完全恢复正常的活动。

4. 胎儿超声心动图的代表性结果

高频探头（高于 8 MHz）的发展使得商用超声心动图设备在图像放大且成像深度为 1 cm 时，轴向分辨率达到约 0.2 mm，横向分辨率为 0.3 mm。最近开发的大多数换能器为线性阵列探头，其优势在于可避免近场伪影。近年来还开发出适用于小鼠胸腔和心率的高频（30–50 MHz）机械式探头，在 5–12 mm 深度下可实现约 50 μm 的轴向分辨率。最近，这些高频机械探头已具备彩色多普勒功能，能够对胎儿心脏的心室和瓣膜功能进行全面评估，并识别分流性病变。本文所述方法在 VisualSonics Vevo 770 系统上进行，可应用于几乎所有同类系统。目前市面上可购得的超高频超声系统可在 40 Hz 下运行，最大成像深度为 7 至 14 mm，横向分辨率高达 60 mm，轴向分辨率为 50 至 100 mm（Vevo770，VisualSonics, Inc.）。相比之下，临床用 Acuson Sequoia 超声系统的帧率为 60 Hz，成像深度为 20 mm，轴向分辨率为 50 至 100 mm，横向分辨率为 200 至 500 mm。

由于小鼠胎儿心脏体积较小，小鼠胎儿超声心动图研究在技术上具有挑战性。与成年小鼠的超声心动图不同，超声检查者必须采用由胎儿体轴定义的非常规超声成像切面。子宫的弯曲程度也会影响胎儿的方位，必须予以考虑。此外，超高频超声固有的穿透深度限制，可能使得在胎儿数量较多的妊娠中难以对所有样本进行成像。

一种超声成像策略可用于先天性心血管及心外畸形的高通量筛查⁷。除了用于基因改变的研究外，该技术还可用于药理学和毒理学研究中畸形的筛查。该方法还可作为介入操作的引导工具，例如注射或心室压力测量¹³。

胎儿超声检查的无创性具有显著优势，不仅能够评估生理条件下的心血管功能，还能实时提供关键的表型信息。尽管对胚胎心脏进行纵向检查在技术上是可行的，但由于多种原因，目前仍面临挑战。在缺乏明显结构异常的情况下，对同一胎儿进行连续检查并准确识别该胎儿在每次检查中的身份十分困难。此外，子宫和胎儿的移动可能完全改变样本的方向，从而导致纵向追踪和后续测量难以实施¹⁴。

尽管超声心动图是识别心脏异常的一种强大技术，但对结构性心脏缺陷的具体诊断仍需通过剖检和组织病理学进行进一步的详细表型分析¹⁵。为了将基因型与特定胎儿相对应，需通过子宫切开术获取胎儿，最好在超声心动图检查后立即进行，并在母体仍处于麻醉状态下操作，以尽量减少方位和胚胎位置的变化。

已有文献报道了胚胎小鼠心腔尺寸和功能的正常值，建议本技术使用者查阅相关文献中引用的这些数值^6-10。瓣膜形态学的评估受限于图像分辨率；然而，即使在胚胎发育第9.5天（ED 9.5）时，仍可对主要血管的瓣环尺寸和血流速度进行测量。测量时必须注意确保血流方向与换能器之间保持适当的对齐^{10, 16}。

需要强调的是，小鼠心脏的尺寸会因品系、性别和年龄的不同而有所差异，并在不同的胚胎发育时期和心率下迅速变化。因此，必须确认实验所用小鼠群体在这些参数上具有可比性。胎儿成像效果也因小鼠品系而异。例如，CD-1品系的妊娠母鼠通常比C57/BL6品系携带更多的胚胎，因此可能更难清晰观察到所有样本。基于这些原因，每次实验应使用年龄和品系相匹配的对照组，而不应依赖参考数值。此外，在正常小鼠中，左心室舒张末期内径和后壁厚度等个别参数的测量值可能相差高达25%⁸。

图1. 使用VisualSonics Vevo 770系统的装置概览。 (A) 集成导轨系统的VisualSonics设备，配备生理监测单元。 (B) 小鼠被正确放置并固定在加热板上，四肢用胶带固定于心电图电极处。 (C) 孕鼠及其胚胎排列的示意图。每个子宫角内的胚胎数量可能存在显著差异，且胎儿的朝向也各不相同。 (D) 位于成像平台上的母鼠，图中箭头标示了为成像而移动母鼠的操作平面（X轴和Y轴）。Z轴指换能器上下移动的方向（如B图中的箭头所示）。B，膀胱；L，左侧；R，右侧。

图 2. B 模式代表性图像。 本图展示了胚胎第 14.5 天胎儿的代表性 B 模式图像。(A) 两个相邻胎儿的可视化图像。方框标示胎儿心脏的位置。(B) 胎儿中的解剖标志，用于指导方位判断。胚胎第 14.5 天心脏的四腔心视图 (C)，左心室和右心室的短轴视图 (D)，右心室流出道和肺动脉（PA）(E)，以及左心室流出道（LVOT）和主动脉 (F)。

图3. 心室功能的代表性评估。 本图包含胚胎发育第14.5天心脏长轴切面的二维超声心动图代表性图像(A)，以及四腔心切面图像(B)。(C) M型超声取样线示意图，显示来自四腔心切面的左、右心室舒张末期内径（R/LVIDd）和收缩末期内径（R/LVIDs）测量值，同时可观察到室间隔（IVS）。

图 4. 多普勒评估的代表性结果。 本图包含胚胎发育第14.5天心脏在心尖四腔切面下的二维超声心动图代表性图像 (A)。左心房和左心室腔已标出。 (B) 脉冲波多普勒取样容积的代表性放置位置，用于记录二尖瓣血流。 (C) 二尖瓣血流多普勒图谱，从中可测量舒张早期流速（标记为“E”）和心房收缩期流速（标记为“A”）。 (D) 主动脉多普勒波形的代表性图像。通过主动脉多普勒射流可测量射血时间（ET）。心率（HR）可通过测量一个血流周期至下一个血流周期的时间来计算。 点击此处查看大图。

图 5. 室间隔缺损的代表性检测结果。 本图展示了胚胎发育第14.5天心脏的代表性B型超声图像，呈心尖四腔观(A)，其中右心室和左心室腔在(B)中被勾画出。注意室间隔的存在。(C) 成像后心脏的横切面，经苏木精-伊红染色。(D) 胚胎发育第14.5天心脏的B型超声图像，箭头所示为室间隔缺损（VSD）。(E) 右心室和左心室腔被勾画，并叠加脉冲波多普勒取样容积位置，用于记录室间隔处的血流。(F) 标本取出后，成像心脏的横切面，经苏木精-伊红染色。(G) 叠加脉冲波多普勒取样容积位置，用于记录室间隔处的血流。(H) 来自(G)的代表性多普勒频谱图，显示血流从左心室流向右心室。 点击此处查看高清大图。

讨论

能够进行连续测量并检测出具有心脏缺陷的突变胎儿，凸显了超声心动图在研究正常与异常心血管发育中的重要作用。体内心脏结构与功能的分析已成为描述遗传性和非遗传性因素对正常胎儿发育影响的重要组成部分。二维引导多普勒技术的应用使得在获取实时图像的同时，能够监测心率和血流模式。诸如室间隔缺损等发育性心脏缺陷可能在检查中出现并被检测到。尽管当前成像平台具备高分辨率能力，但由于大多数系统缺乏彩色血流多普勒成像，难以将多普勒取样容积与高分辨率二维图像精确对齐，因此获取峰值流出道速度仍然存在困难。此外，胎儿在子宫角内的位置可能限制所有测量的实施或导致成像质量不理想。超声成像的主要局限在于扫描深度，这限制了从单只母体动物中同时观察所有胚胎的能力。同一胚胎在母体腹腔内的位置会发生变化，从而增加了对同一胎儿进行纵向追踪的复杂性。尽管存在这些局限性，这种非侵入性技术在监测同窝胚胎的生理状况以及识别和随访可能存在心脏缺陷的胚胎方面仍具有重要价值。

新兴技术

VisualSonics Vevo 2100 系统是最新的超声系统，配备有用于彩色血...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Vevo 770 成像系统（加拿大，多伦多）	VisualSonics
MHz 换能器		RMV707B15-45
异氟烷蒸发器	Tec 3
异氟烷			2-氯-2-(二氟甲氧基)-1,1,1-三氟乙烷