本文介绍了通过压力/容积分析法在不同心率下测量小鼠左心室功能的方法。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
已创建模拟人类心脏疾病的动物模型，以测试潜在的治疗策略。评估这些策略的关键环节是考察其对心脏功能的影响。目前有多种技术可用于测量 体内 心脏力学例如，超声心动图，压力/容积关系， 等等。）。与超声心动图相比，通过导管插入术进行的实时左心室（LV）压力/容积分析在评估左心室功能方面更为精确且更具洞察力。此外，左心室压力/容积分析能够在心肌收缩力调控过程中即时记录其变化例如、β-肾上腺素能刺激）及病理损伤（例如，缺血/再灌注损伤）。除了左心室压力变化的最大速率（+dP/dt）和最小速率（-dP/dt）外，还需通过多个负荷无关性指标对左心室功能进行准确评估（例如，可获得收缩末期压力-容积关系和前负荷可调节的每搏功。心率对左心室收缩力具有显著影响，心率增加是提高心输出量的主要机制即，博德维奇效应）。因此，在比较不同实验组之间的血流动力学时，必须保持心率相近。此外，许多心肌病模型的一个典型特征是收缩储备功能下降即，减弱的博维奇效应）。因此，通过测定心率增加对心肌收缩力的影响，可以获得重要的生理信息。我们及其他研究团队的数据均表明，神经元型一氧化氮合酶（NOS1）基因敲除小鼠的心肌收缩力下降。本文描述了利用NOS1基因敲除小鼠模型，在心率逐渐升高条件下测定左心室压力/容积关系的实验方法。
引言
心脏的功能是将血液泵送至全身，以满足机体的代谢需求。由于这些需求不断波动（例如，运动时），心脏必须适应（即，增加心输出量）。心脏已进化出多种途径来实现这一功能。心脏实现这一功能的主要方式是通过提高心率（即，博德维奇效应）1也就是说，当心率增加时，会导致心肌收缩力增强和心输出量增加。因此，心脏功能极度依赖于心率。遗憾的是，心脏病（例如心肌梗死，肥大 等等。）导致心脏功能下降，进而无法满足机体的代谢需求。心脏病是西方社会中发病率和死亡率的主要原因。用于模拟多种人类心肌病的动物模型被广泛应用于分子机制的研究以及潜在疗法的测试。为了阐明这些机制并评估某种疗法是否可行，研究人员必须对心脏功能进行评估。 体内.
评估心脏功能有多种方法 体内 (例如超声心动图，MRI 等等。），常规测量射血分数、缩短分数、心输出量 等等。 然而，这些参数不仅取决于心肌收缩力，还高度依赖于后负荷、前负荷和心率2测量收缩力对于理解心脏在天然环境中的内在特性至关重要。最大（dP/dt）最大值) 压力发展速率使我们更深入地理解了心肌收缩力。然而，dP/dt 也受心率和负荷条件的影响3因此，研究人员已开发出多种技术，用于测量心肌收缩力的负荷（以及心率，见下文）无关性指标即，收缩末期压力-容积关系（ESPVR）和前负荷可募集搏功（PRSW）4-6ESPVR 描述了心室在任何给定左心室容积下所能产生的最大压力。ESPVR 的斜率代表收缩末期弹性（Ees）。PRSW 是每搏功（由压力-容积环所围成的面积）与舒张末期容积之间的线性回归关系。与射血分数、心输出量和每搏容积等血流动力学参数相比，这些方法对心肌收缩力的测量更为准确和精确。ESPVR 和 PRSW 可通过短暂阻断下腔静脉（IVC）获得。为避免胸膜腔内压力变化对心脏功能的影响，IVC 阻断可在闭合胸腔的条件下进行。
心率增加还可增强心肌的收缩与舒张1因此，在比较不同实验组之间的心脏功能时（例如，±dP/dt），心率需保持相似。然而，由于各种条件（疾病、研究干预等），每只动物的心率通常难以保持一致。 等等。）。需要注意的是，麻醉（注射性和吸入性）会降低心率。由于心率是影响心肌收缩力的主要因素之一，因此麻醉会显著影响心肌收缩力。基于这一原因，我们在此描述我们的实验操作流程。此外，许多心肌病的一个典型特征是收缩储备功能下降（即，搏出量下降的博伊特效应）。因此，应在一个心率范围内测量心脏功能。本文介绍如何使用刺激器（经闭胸法）来实现这些效应。
除了心率外，一氧化氮（NO）也是调节心肌收缩力的重要因子7一氧化氮（NO）通过一类称为一氧化氮合酶（NOS）的酶生成。我们及其他研究者已发现，神经元型一氧化氮合酶（NOS1）基因敲除小鼠-/-)会减弱心肌细胞的收缩 体内 心脏血流动力学8,9该小鼠将用于演示通过在不同心率下进行的左心室压力/容积分析程序来测量左心室收缩功能的方法。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
注意：本动物实验方案已获得俄亥俄州立大学机构动物护理与使用委员会（IACUC）的批准。该操作适用于颈动脉内径足够插入导管的任何小鼠。请使用体重超过16 g（年龄大于约2个月）的小鼠。
1. 准备小鼠以进行插管
- 将所有外科手术器械和用品密封于灭菌袋中，并使用高压灭菌器对灭菌袋进行灭菌处理。整个操作过程中须保持无菌区域，并佩戴无菌手套。
- 通过腹腔注射给予小鼠氯胺酮（55 mg/kg）和赛拉嗪（15 mg/kg）进行麻醉。
注意：完成整个测量不同心率下的压力/容积以及ESPVR的流程耗时少于20分钟。若所需时间更长（即超过30分钟），应每隔30分钟追加¼剂量的麻醉剂。 - 使用脱毛膏（例如，Nair）去除小鼠颈部前侧及胸部区域的毛发，并用胶带将小鼠四肢固定于泡沫平台上。通过夹捏脚趾确认小鼠处于深度麻醉状态。
- 插入直肠探头以监测体温（37 ± 1 °C），并使用温控加热垫（置于手术单与平台之间）维持体温。
- 准备一段约10 cm长的4-0缝线。将缝线绕过上切牙后打结，并固定于平台，以保持颈部伸直。
- 用碘伏和75%酒精对术区擦拭消毒三次，完成手术区域的灭菌。
2. 导管插入术
- 根据制造商说明，在使用前至少30分钟将导管尖端浸入生理盐水或蒸馏水（37 °C）中进行预处理，以使压力传感器膜片适应湿润的生物环境，并防止压力信号漂移和负压记录。
- 在下颌与胸骨之间的颈部前区做一条纵向0.8 cm切口。用精细剪刀分离皮肤与肌肉之间的结缔组织，暴露位于茎甲状舌骨肌下方的气管。
- 用弯头镊子分离气管右侧的脂肪和肌肉组织，暴露右侧颈总动脉。
注意：颈总动脉是颈部前区最大的动脉，内含鲜红色血液，具有搏动性。切勿与平行走行的颈外静脉混淆，后者呈暗红色且无搏动。此外，在分离颈总动脉过程中，操作者应注意避免损伤迷走神经（pneumogastric nerve）。 - 用弯头镊子清除右侧颈总动脉表面的脂肪组织。若存在妨碍操作的血管分支，可使用Bovie电凝刀将其切断，以游离颈总动脉。尽可能用弯头镊子分离颈总动脉下方的组织。
- 剪取两段5 cm长的6-0丝线。将每根丝线从右侧颈总动脉下方穿过。
- 将一根丝线置于动脉近端附近，另一根置于远端附近。在远端丝线上打紧结，在近端丝线上打松结。
- 使用小型止血血管夹夹闭动脉近端（将血管夹置于近端丝线下方），以阻断血流。此时被封闭的动脉段将充满血液，便于进行步骤2.8操作。
- 用26 G针头在两根丝线之间（但靠近远端丝线处）刺穿右侧颈总动脉，形成一个小孔。将导管插入颈总动脉，并轻轻收紧近端丝线的松结，将其固定在导管周围。
注意：相比使用剪刀切开，更推荐采用针头穿刺法。先在动脉远端打紧结，再夹闭近端，可使动脉充分充盈血液，从而更容易穿刺血管。此外，26 G针头所形成的穿刺孔大小与导管直径匹配良好。而使用剪刀切开时，切口大小较难控制。然而，具体方法的选择应取决于术者个人的操作习惯和熟练程度。 - 按照步骤3开始记录压力信号。
- 松开止血夹，并继续将导管向前推进至左心室。当推进导管遇到阻力时，可轻柔回撤后再尝试前进。对于体重约为18–25 g的小鼠，导管插入的预计长度为18 mm。
注意：动脉压力信号通常在70至120 mm Hg之间波动。一旦导管进入左心室，压力波形会发生改变，压力值将在0至120 mm Hg之间波动（见图1）。导管插入后2–3分钟内心功能将趋于稳定。 - 持续监测体温、麻醉深度及呼吸频率。
3. 数据采集
- 使用 LabChartPro 7 软件（或类似软件），并选择 PV Loop LabChart 模块中的 WorkFlow 选项。通过该模块，选择“压力与容积环”默认设置。
- 设置三个通道：一个用于压力，一个用于容积，一个用于心率。将上述参数的量程范围分别设置为 0–150 mm Hg、0–100 µl 和 0–800 次/分钟。
- 按下开始键以开始记录。
4. 博威奇效应
- 在胸骨柄旁的心前区做一个与胸骨柄平行的1 cm切口。用剪刀切开肌层，暴露肋间间隙。
- 使用方波刺激器，设置以下参数：电压2 V，持续时间2 msec，并启用重复模式。
- 用镊子夹住负极电极，通过第四肋间间隙插入至心脏心尖区域；用另一镊子夹住正极电极，通过第二肋间间隙插入至心脏右心房区域。
- 打开刺激器，调节频率使心脏起搏，从4 Hz（240次/分钟）逐步增加至10 Hz（600次/分钟）。每次心率改变后，先刺激心脏1分钟，再进行数据采集。
5. 生成 ESPVR 和 PRSW
- 用剪刀在腹部区域沿胸骨柄垂直方向剪开皮肤和肌肉组织。打开肠体腔，暴露肝脏。
- 使用金属牵引器将肋弓向头部方向牵拉。
- 用棉签轻轻向下推动肝脏。注意不要过度推压，以免影响胸腔。否则会改变心脏功能。
- 用剪刀剪断肝镰状韧带，暴露肝上段下腔静脉（IVC）。
- 使用弯头镊子快速夹闭下腔静脉5秒，以阻断血液回流至右心房。由于流入心脏的血流减少，左心室压力和容积将下降。在生成这些数值时，不要使用低于60 mm Hg的数值。此处60 mm Hg指收缩压。
注意：该值设定为60 mm Hg，因为这将导致灌注压显著下降，从而明显减少冠状动脉灌注并影响心肌收缩力。
6. 体积校准
- 通过腹腔注射0.1 ml 1:5,000的肝素溶液（用生理盐水稀释）对小鼠进行肝素化处理。
- 从颈动脉中移除导管。当导管从颈动脉拔出时，经肝素化的血液会从导管插入处的孔洞渗出。
- 用1 ml注射器收集此血液用于体积校准。将校准比色皿的每个孔加满。
- 取出心脏，通过放血法处死小鼠。
- 将导管依次置于各孔中，获得稳定的相对体积单位（RVU）数值。利用各孔的不同标准体积及其对应的RVU值绘制标准曲线。
- 将记录的RVU值转换为µl。
7. 数据处理
- 为观察波达奇效应，选择每个心率下的稳态压力/容积曲线。点击基线分析以获取数据。
- 对于ESPVR和PRSW数据，选择前约15条压力/容积曲线，点击软件中的阻断分析，以生成ESPVR（左心室在舒张末期容积时产生压力的斜率）和PRSW（每搏功与舒张末期容积之间线性回归的斜率）。
- 注意环路的形状。确保环路闭合，无棱角点或扭曲。这可能是导管放置不当或噪声过多的表现。实验过程中应定期检查环路，以确保获得准确的压力和容积数据。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
将导管正确插入左心室是获得准确压力和容积数值的重要步骤。图1显示了使用 LabChart Pro 7 记录导管从动脉进入心室过程中压力波形（形状和数值）的变化。
将导管正确插入左心室后，所获得的压力（P）和体积（V）值将用于生成PV环（如图2所示）。
利用这些压力值，可以研究影响心肌收缩力的机制。图3展示了心率升高时压力和容积变化的一个示例。在此示例中，当心率从每分钟300次增加到600次时，左心室压力从80 mm Hg升高至100 mm Hg，而舒张期和收缩期的左心室容积则减小。图4展示了最大和最小压力发展速率（dP/dt）对心率的依赖性。随着心率增加，最大和最小压力发展速率也随之增加。此类数据分析还可用于研究收缩力的调节因子。我们的数据表明，与野生型（WT）小鼠相比，NOS1-/-小鼠的最大和最小压力发展速率降低（图4）。因此，NOS...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
获得可靠收缩力测量值的关键步骤之一是将导管正确定位至左心室（LV）。若导管位置不当，左心室收缩时心室壁可能接触导管，导致压力值异常升高，超出生理范围，从而产生形态不规则的压力-容积（PV）环。必要时可旋转导管以实现正确放置。该技术的另一关键步骤是确保小鼠接受适当的麻醉。若麻醉过深，将显著抑制心脏功能。当小鼠心率低于约250次/分钟时，可认为其处于麻醉过深状态。此外，小鼠心脏泵出的血容量较小，导致容积测量难度增加，因此对每只小鼠进行容积校准至关重要。关于容积校准，本文描述了比色杯校准技术。此外尚有其他方法也可用于容积校准（即，使用降主动脉血流探头计算每搏输出量）10.
在小鼠中使用该方法存在诸多局限性，这些局限性均源于其体型较小。例如，该技术需要精确的显微外科操作技能。此外，该技术会导致一定程度的失血，可能影响心脏功能。相较于其他方法（例如，穿刺左心室），通过血管推进导管可避免大量失血。本文详细描述了整个操作流程，并提供了关键细节，以避免上述问题。
压力/容积分析是研究心...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
不存在相互竞争的经济利益。
致谢
本研究由美国国立卫生研究院（NIH）资助，资助项目编号为 HL091986（JPD）和 HL094692（MTZ）。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Xlyzine 100 mg/ml | Ana Sed | 4821 | |
| Katamin 50 mg/ml | Ketalar | 310006 | |
| 肝素 | APP Pharmaceuticals | 6003922 | |
| 4-0 丝线 | Surgical specialties | SP102 | |
| 6-0 丝线 | Surgical specialties | MBKF270 | |
| 镊子 | Fine Science Tools | 11251-10 | |
| 弯头镊子 | Fine Science Tools | 11274-20 | |
| 剪刀 | Fine Science Tools | 14090-09 | |
| 血管夹 | Fine Science Tools | 18555-03 | |
| 显微镜 | World precision instruments | PZM-3 | |
| 压力导管 | Millar instruments | SPR-839 | |
| 压力和容积系统 | Millar instruments | MPVS-300 | |
| PowerLab4/35 | AD instruments | N12128 | |
| LabchartPro 7 | AD instruments | ||
| 温度控制器 | CWE | TC-1000 | |
| 刺激器 | Grass | SD-5 | |
| 无菌手套 | Micro-Touch | 1305018821 | |
| 脱毛乳液 | Nair | ||
| 聚维酮碘外科洗手液 | Veterinary | NDC 6761815401 | |
| 酒精 | Decon Laboratories | 2801 | |
| Bovie 电凝器 | Bovie | AA29 | |
| 1 ml 注射器（26 G 针头） | BD | 8017299 |
参考文献
- Janssen, P. M. Myocardial contraction-relaxation coupling. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 299, H1741-H1749 (2010).
- Roman, M. J., Devereux, R. B. Comparison of noninvasive measures of contractility in dilated cardiomyopathy. Echocardiography. 8, 139-150 (1991).
- Hamlin, R. L., del Rio, C. dP/dt(max)--a measure of 'baroinometry. J Pharmacol Toxicol Methods. 66, 63-65 (2012).
- Feneley, M. P., et al. Comparison of preload recruitable stroke work, end-systolic pressure-volume and dP/dtmax-end-diastolic volume relations as indexes of left ventricular contractile performance in patients undergoing routine cardiac catheterization. J Am Coll Cardiol. 19, 1522-1530 (1992).
- Kass, D. A., et al. Comparative influence of load versus inotropic states on indexes of ventricular contractility: experimental and theoretical analysis based on pressure-volume relationships. Circulation. 76, 1422-1436 (1987).
- Nemoto, S., DeFreitas, G., Mann, D. L., Carabello, B. A. Effects of changes in left ventricular contractility on indexes of contractility in mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 283, H2504-H2510 (2002).
- Ziolo, M. T., Kohr, M. J., Wang, H. Nitric oxide signaling and the regulation of myocardial function. J Mol Cell Cardiol. 45, 625-632 (2008).
- Barouch, L. A., et al. Nitric oxide regulates the heart by spatial confinement of nitric oxide synthase isoforms. Nature. 416, 337-339 (2002).
- Wang, H., et al. Neuronal nitric oxide synthase signaling within cardiac myocytes targets phospholamban. Am J Physiol Cell Physiol. 294, C1566-C1575 (2008).
- Georgakopoulos, D., et al. In vivo murine left ventricular pressure-volume relations by miniaturized conductance micromanometry. Am J Physiol. 274, H1416-H1422 (1998).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
