本文介绍了一种用于评估清醒状态下猪在静息及分级跑步机运动期间心肺功能的实验方案。通过慢性仪器化处理,可进行重复的血流动力学测量,且不受心肌抑制性麻醉药物的影响。
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本文介绍了一种用于评估清醒状态下猪在静息及分级跑步机运动期间心肺功能的实验方案。通过慢性仪器化处理,可进行重复的血流动力学测量,且不受心肌抑制性麻醉药物的影响。
本方案描述了对猪进行慢性置入仪器的外科手术,以及在电机驱动的跑步机上使猪进行运动的步骤。早期心肺功能障碍难以诊断,尤其是在动物模型中,因为心肺功能的测量通常具有侵入性,并需要使用麻醉。由于许多麻醉药物具有心脏抑制作用,心血管功能的细微变化可能被掩盖。相比之下,慢性置入仪器技术可在清醒状态下测量心肺功能,从而在安静休息条件下获取数据,避免麻醉和急性手术创伤的影响。此外,当动物经过适当训练后,还可于分级跑步机运动过程中获取测量结果。
将血流探头放置于主动脉或肺动脉周围,用于测量心输出量;放置于左前降支冠状动脉周围,用于测量冠状动脉血流量。将充满液体的导管植入主动脉、肺动脉、左心房、左心室和右心室,用于压力测量和血液采样。此外,将一根20 G 导管置于前室间静脉内,以实现冠状静脉血液采样。
经过一周的恢复后,将猪置于电机驱动的跑步机上,导管连接至压力和流量计,猪接受五阶段渐进式运动方案,每个阶段持续3分钟。在整个运动过程中连续记录血流动力学信号,并在每个运动阶段的最后30秒采集血样。
研究慢性置入仪器动物的主要优势在于,不仅可以在静息状态下,还可以在运动等生理应激条件下,对心肺功能进行连续评估。此外,可在疾病发展过程和慢性治疗期间重复评估心肺功能,从而提高统计效能,进而减少研究所需的动物数量。
充足的 cardiopulmonary 功能对于为机体提供氧气和营养物质至关重要,尤其是在运动等代谢需求增加的情况下1运动时的心肺反应表现为心脏功能的多种适应性变化, 即心率、收缩力和每搏输出量增加,以及微血管功能改善, 即, 运动肌肉血供血管床及肺血管系统的血管扩张,以及胃肠道系统和非活动肌肉血供血管床的血管收缩1运动能力下降是心肺功能障碍的早期特征,心肺运动试验被用作一种有效方法,用于区分运动能力受损患者的心脏功能障碍、血管功能障碍和/或肺功能障碍2早期心肺功能障碍难以诊断,尤其是在动物模型中,因为心肺功能的评估通常需要通过侵入性方法进行,且需实施麻醉,而许多麻醉剂具有心脏抑制作用。3.
慢性仪器植入技术可在动物清醒状态下测量心肺功能,当动物完全适应实验室环境后,可在安静休息状态下获取数据,从而避免麻醉和急性手术创伤的影响。此外,经过适当训练的动物还可进行分级跑步机运动时的测量4,5。更具体而言,可评估左心室和右心室功能,并将其与心肌灌注相关联,同时可测定冠状动脉、体循环和肺循环微循环中血管舒缩张力的调节情况。使用充液导管不仅可测量压力,还可采集血样,而不会对动物造成额外应激。研究慢性仪器植入动物的另一优势在于,可重复进行心肺运动测试,使动物自身作为对照,无论是在疾病发展过程中还是在慢性治疗期间,从而提高统计效能,进而减少研究所需的动物数量。
猪的心肺解剖结构与人类非常相似,且可诱导产生多种形式的心肺疾病,例如糖尿病6、心肌梗死7、肺动脉高压8,9以及起搏诱导的心力衰竭10,11。此外,猪的体型允许进行慢性仪器植入操作,并可反复采集足量血液样本,不仅可用于血气分析,还可用于神经激素水平测定和/或疾病生物标志物的检测。
本方案描述了用于对猪进行慢性仪器植入的手术操作,以及使用电机驱动的跑步机对猪进行运动训练的方案。
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涉及动物受试者的操作程序已获得荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯医学中心动物护理委员会(NL)的批准。使用本方案已成功对体重在6至80公斤之间的猪进行手术置入器械。
1. 动物对人类操作的适应
2. 手术准备
3. 手术

图1. 手术概览。左上方图示:动物体上的无菌区域,该区域应剃毛并消毒,位于蓝色线条之间。切口位置以红色虚线表示。左下方图示:导管和血流探头的实物图:充液导管(A)、主动脉/肺动脉血流探头(含橡胶环)(B)、冠状静脉导管(含20 G针头)(C)以及冠状血流探头(D)。右上方图示:导管和血流探头放置位置的示意图。MAP,平均动脉压;Cor venous,冠状静脉导管;LAP,左心房压;LVP,左心室压;RVP,右心室压;PAP,肺动脉压;CO,心输出量;CBF,冠状血流量。右下方图示:导管从背部穿出并经皮下隧道引出,通过缝线固定,缝合线上每隔约1 cm打一个结以加强固定。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 跑台实验(图2)

图2. 跑台实验。 左侧图:在跑台上的仪器化猪。充满液体的导管连接至压力传感器,并置于猪的背部。右上方图:整个实验装置的概览,包括跑台、放大器和记录用计算机。右下方图:典型的记录血流动力学数据示例。从上到下依次为:主动脉压力(AoP,蓝色)和左心室压力(LVP,红色);左心房压力(LAP,蓝色)和左心室压力(红色);肺动脉压力(PAP,蓝色)和右心室压力(RVP,红色);主动脉血流/心输出量(AoF,蓝色);冠状动脉血流(CBF,红色)。请点击此处查看该图的放大版本。
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运动速度达到5 km/hr时,心输出量从4.3 ± 0.3升/分钟增加至8.5 ± 0.7升/分钟,即增加了一倍,这主要是由于心率从每分钟137 ± 7次增加到256 ± 8次,同时每搏输出量略有增加,从32 ± 2毫升增至36 ± 3毫升(图3)。每搏输出量的增加得益于左心室收缩力的增强,表现为左心室压力一阶导数最大值(dP/dtmax)升高,左心室舒张速率加快,以及作为左心室充盈压的左心房压力升高(图3)。心输出量的增加,结合血红蛋白浓度升高(从8.5 ± 0.4 g/dl增至9.2 ± 0.4 g/dl)以及全身氧摄取率从45 ± 1%上升至71 ± 1%,使得全身耗氧量增加了近两倍(图3)。体循环血管发生扩张,表现为体循环血管导纳增加和体循环血管阻力降低,几乎完全容纳了心输出量的增加,因此平均主动脉压仅轻微升高(图3)。运动还导致肺循环出现轻度血管扩张,表现为肺血管导纳增加了33 ± 8%。然而,心输出量增加了101 ± 8%,同...
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本研究描述了对猪进行慢性仪器植入的手术方法,以及在电动跑步机上让已植入仪器的猪进行运动的同时,监测血流动力学并采集动脉血、混合静脉血和冠状静脉血样本以测定血氧含量的实验方案。
方案中的关键步骤
本方案中存在多个关键步骤,这些步骤从插管操作开始即需注意。硫喷妥钠(2.1.5)具有抑制呼吸的作用,因此在给药后必须迅速完成插管。此外,在操作过程中需密切监测呼吸机参数。当打开胸腔(步骤 3.1.4)时,会导致胸内负压丧失。为补偿这一压力损失并防止肺泡塌陷,通气过程中需使用呼气末正压(PEEP)。同时,应调整呼吸机设置(峰压吸气压),以维持潮气量约为 10 ml/kg。还需注意,当左肺被推开时(3.1.6),由于仅有部分左肺参与通气,潮气量可能下降。呼吸机参数的调整应依据血气分析结果进行。
使用充液导管进行血流动力学测量时,另一个重要注意事项是压力传感器与充液导管插入心血管系统部位之间存在静水压差。在动物手术过程中以及处死时,应估算压力传感器在弹性背心(4.2)上的位置与导管插入点之间的高度差,并通过数据预处理或后处理时的插...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了荷兰心脏基金会资助项目2000T038(授予D.J. Duncker)、资助项目2000T042(授予D. Merkus)、欧盟委员会FP7-Health-2010资助项目MEDIA-261409(授予D.J. Duncker和D. Merkus)、荷兰心血管研究倡议:荷兰心脏基金会、荷兰大学医学中心联合会、荷兰健康研究与发展组织以及荷兰皇家艺术与科学学院 CVON-ARENA CVON 2011-11(授予D.J. Duncker)、CVON-PHAEDRA CVON2012-08(授予D. Merkus) 以及CVON-RECONNECT CVON 2014-11(授予D.J. Duncker和D. Merkus)、索菲亚基金会(授予D. de Wijs-Meijler、D. Merkus和I.K.M. Reiss)的支持。
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