小鼠瓣膜性心脏病全面表型特征的超声心动图方法与方案

摘要

本方案详细描述了用于小鼠心脏及心脏瓣膜功能全面表型分析的超声心动图方法。

摘要

本文及配套视频旨在概述在啮齿类动物中成像心脏瓣膜功能所采用的方法与策略，详细描述了合适的麻醉方法、超声心动图成像切面、图像采集时的成像平面与探头方向、数据分析方法，以及新兴技术在评估心脏和瓣膜功能方面的局限性。尤为重要的是，我们还指出了心脏及心脏瓣膜成像领域中若干值得未来深入研究的方向，这些方向有望被用于揭示临床前动物模型中瓣膜疾病发病机制的深层信息。我们提出，采用系统化的方法评估小鼠的心脏和心脏瓣膜功能，可获得更可靠且可重复的数据，并有助于发现基因修饰和/或生理应激小鼠中以往被低估的表型特征。

引言

衰老与心血管系统钙化程度的进行性增加相关¹。血流动力学显著的主动脉瓣狭窄影响超过65岁人群的3%²，即使为中度主动脉瓣狭窄（峰值流速为3-4 m/s）的患者，其5年无事件生存率也低于40%³。目前尚无有效治疗手段可延缓主动脉瓣钙化的进展，外科主动脉瓣置换术仍是晚期主动脉瓣狭窄唯一可用的治疗方法⁴。

旨在深入理解主动脉瓣钙化发生与进展机制的研究，是推动主动脉瓣狭窄药物治疗及非手术干预方法发展的关键第一步。^5,6基因改造小鼠在揭示多种疾病发生机制方面发挥了重要作用，如今正成为深入研究主动脉瓣狭窄生物学机制的前沿工具。^6,7,8与其他心血管疾病（如动脉粥样硬化和心力衰竭）不同，后者在评估血管和心室功能方面已有大体上成熟的标准操作流程，而本病则存在一些独特的挑战 体内 小鼠心脏瓣膜功能的表型分析。尽管近期的综述已对用于评估啮齿类动物瓣膜功能的多种成像和侵入性方法的优缺点进行了详尽讨论^9,10,11迄今为止，我们尚未发现有出版物提供针对小鼠心脏瓣膜功能表型分析的全面、逐步的实验方案。

本文旨在描述小鼠心脏瓣膜功能表型分析的方法与实验方案。所有方法和操作程序均已获得梅奥诊所机构动物护理和使用委员会的批准。本实验方案的关键要素包括麻醉深度的控制、心脏功能的评估以及心脏瓣膜功能的评估。我们希望本报告不仅能够为致力于心脏瓣膜疾病领域研究的研究人员提供指导，还能推动围绕实验方案标准化的全国性和国际性对话，以确保这一快速发展领域的数据可重复性和有效性。重要的是，利用高分辨率超声系统进行成功成像需要掌握超声成像的基本原理（以及超声领域常用的术语），理解心脏生理学的基本原理，并具备丰富的超声操作经验，以便对啮齿类动物的心脏功能进行准确且高效的评估。

方案

1. 准备材料和设备（表1和图1）

1. 打开超声设备。输入动物编号、日期和时间（用于序列成像实验）以及其他相关信息。
2. 使用高频超声探头，对体重小于约 20 g 的小鼠采用 40 MHz 探头，对体重大于约 20 g 的小鼠采用 30 MHz 探头。
3. 将平台连接至心电图（ECG）监测仪，以实现特定成像模式下的心电门控。
   注意：至关重要的是，此步骤还可实时计算心率（HR），心率可作为评估麻醉深度是否合适的多个指标之一。
4. 将平台预热至 37 °C。
   注意：所有市售超声设备均配备控制面板，提供 B 模式、M 模式和多普勒超声心动图的图像采集控制及研究管理控制功能。设备内置心脏测量工具，可自动测量和计算常用的心脏功能与瓣膜功能超声心动图参数。

2. 准备小鼠以进行成像及麻醉诱导

1. 用一只手轻轻抓住小鼠的尾巴，另一只手牢固地捏住其颈部背侧皮肤以固定动物。
2. 将小鼠的鼻部引导进入鼻罩，开始以1%异氟烷浓度输送麻醉气体。确保动物在接触气体后3–5秒内进入镇静状态。
3. 迅速而准确地将动物仰卧放置于成像平台，确保其前肢和后肢分别接触平台上的ECG传感器。
4. 使用胶带轻轻固定四肢，在鼻罩装置上轻贴胶带以稳定头部，并用胶带固定尾巴。前肢和后肢应平贴于传感器表面，以确保生理成像系统能够稳定、清晰地采集ECG信号。
5. 检查心率（HR）。可使用具备ECG功能的成像平台或外部ECG设备进行监测。确保基础心率维持在600至700次/分钟之间，且在任何情况下均不得低于450次/分钟。
   注意：在操作过程中，由于麻醉作用，心率可能略有下降，但在大多数情况下应保持在500次/分钟以上。
6. 根据需要以微小幅度逐步调节麻醉气体流量（约每15秒增加0.1%，直至达到稳定的麻醉状态）。
   注意：稳定的麻醉状态是指上述心脏参数保持稳定（见步骤2.5），且动物对探头接触不同成像窗口所产生的刺激无明显反应。重要的是，此并非外科麻醉深度，后者会导致小鼠明显的心脏抑制。对于长时间的成像过程，建议在动物眼部涂抹兽用眼膏以防止角膜干燥。
7. 使用直肠温度计检测体温，维持体温在36.5 °C至38 °C之间。
   注意：在环境温控良好的实验室内，并配合使用加热平台，直肠测量的体温在整个实验过程中可保持恒定，因此不会成为随时间变化影响心血管血流动力学的混杂因素。
8. 使用专为细毛设计的电动剪毛器剃除胸部毛发，再用湿润的纸巾擦拭胸部皮肤。此时动物已准备就绪，可进行成像。
   注意：虽然也可采用化学脱毛方法，但应避免使用此类化合物，因其在长期实验中可能引起明显的皮肤刺激。此外，化学脱毛剂的正确涂抹与清除过程可能使麻醉暴露时间延长2–3分钟（约10–20%）。从麻醉诱导至皮肤准备完成的总时间应少于3分钟。

3. 获取心脏超声图像时遵循基本原理和指南

注意：获取图像时使用了三种超声模式：B模式/二维（B-mode/2-D）、M模式以及多普勒模式（频谱脉冲波多普勒和彩色血流多普勒成像）。获取心脏及心脏瓣膜图像时采用两种基本探头位置：胸骨旁和心尖声窗（图2）。

1. 通过手动旋转和倾斜探头，从每个换能器位置获取心脏相对于其长轴和短轴的多个断层图像。
   注意：旋转是指在胸壁固定位置上枢转或扭转探头，而倾斜是指在胸壁固定点上探头的左右移动。所有超声换能器均具有以凹槽（缺口）、外部肋纹或按钮形式存在的图像索引标记。
2. 通过相应调整探头位置，确保超声信号垂直于目标结构。
3. 通过将发射的超声束与血流方向对齐，优化彩色血流和峰值速度信号。超声束与血流之间的夹角应小于60°。
4. 使用控制面板上的控件优化图像质量。仅需使感兴趣区域充满图像显示区域。
   注意：几乎总是需要对探头和平台位置进行微调才能获得清晰图像。即使在最佳条件下，呼吸运动、胸壁解剖结构（例如，肋间隙较小）以及内部解剖结构的变异（包括固有差异和疾病引起的改变）都可能限制声窗，使图像采集变得非常困难。
5. 在M型和二维/B型模式下测量左心室尺寸时，应将测量卡尺置于回声最连续的线上。
6. 通过调节面板上的扇区控制，将彩色多普勒扇区和取样容积调整至感兴趣区域。
   注意：多普勒检查中的颜色编码方案表示血流的速度和方向。红色多普勒信号表示层流朝向探头方向流动，蓝色多普勒信号表示层流远离探头方向流动。"马赛克"颜色模式表示湍流或非层流血流区域（常见于瓣膜狭窄或瓣膜反流）。
7. 从每个成像窗记录至少两条5秒长的实时B型/二维超声图像片段（或100帧），用于离线分析。
   注意：市面上可获得的超声设备具有图像采集设置，可捕获预设数量的帧或动态循环大小。可修改图像采集设置以获取更长的动态循环。高质量图像的获取需要丰富的经验和反复试验。研究人员必须找到合适的探头放置位置和平台角度组合，以便从多个视角和声窗获取图像。

4. 主动脉瓣（AV）功能的评估

注意：主动脉瓣功能的评估包括对瓣膜的定性评价（例如， 瓣膜厚度的感知、由于瓣膜钙化导致的回声增强，以及通过彩色多普勒检测反流束的存在与否）和瓣膜功能的定量指标（例如， 峰值跨瓣流速和瓣叶分离距离。

1. 通过选择B模式图像采集开始对主动脉瓣进行成像。
2. 将动物牢固地固定在平台上，头部朝向远离操作者的方向，将平台向左倾斜15-20°。这会使心脏向前并向左移动，更靠近胸壁。在探头或动物胸部直接涂抹足量的超声耦合剂。
3. 将探头置于胸骨旁位置，使其与心脏长轴大致呈90°垂直，探头上的图像索引标记指向后方（图2）。在二维/B模式下，将探头向头侧滑动，直到主动脉瓣出现在视野中。此为主动脉瓣的"短轴"切面。
   注意：正常的主动脉瓣具有三个纤薄的瓣叶，在收缩期充分开放，在舒张期完全闭合，从而防止血液反流回左心室。瓣叶非常薄，运动迅速，通常较难清晰显示。
4. 顺时针旋转探头，使图像索引标记指向尾侧。在图像显示器上观察主动脉根部、主动脉瓣、左室流出道、二尖瓣、左心房以及部分右室流出道。
   注意：此为主动脉瓣的"胸骨旁长轴"切面。超声检查者应确认在B模式图像中整个心动周期内均可见两个主动脉瓣瓣叶，以便后续进行M型超声成像与分析（见下文）。
5. 在此切面中评估主动脉根部。仔细前后扫查，使主动脉根部图像显示其最大径线。使用机器内置测量工具中的电子卡尺测量主动脉最大的前后径。
6. 在长轴切面中定位主动脉瓣。通过调节控制面板上的图像宽度按钮，减小图像宽度，使图像显示器上仅显示主动脉瓣。将M型取样线置于与主动脉瓣瓣尖相交的位置，以准确评估瓣叶分离情况。
7. 在主动脉瓣的M型图像中，使用机器内置测量工具的电子卡尺测量瓣叶分离距离（收缩期呈方盒状图像）。
   注意：M型成像的最大优势在于极高的时间分辨率，这对评估主动脉瓣功能至关重要。虽然主动脉瓣的M型图像可在短轴和长轴切面中获取，但通常优先选择胸骨旁长轴切面，因为该成像平面可使操作者在收缩期清晰识别瓣叶尖端的方向与位置。
8. 保持在主动脉瓣的胸骨旁长轴切面，按下控制面板上的彩色多普勒控制键。将彩色多普勒应用于主动脉瓣区域。
   注意：正常情况下，收缩期血流从左心室经主动脉瓣流向探头方向，因此显示为红色。
9. 记录是否存在主动脉瓣反流。
   注意：主动脉瓣反流是一种异常血流，发生在舒张期，方向远离探头，因此显示为蓝色。
10. 按下脉冲波多普勒控制键。使用控制面板上的轨迹球，将脉冲波取样容积置于主动脉瓣上方的近端升主动脉内，通过倾斜平台和/或探头，确保超声束与血流方向之间的夹角小于60°。如有可能，从胸骨上窝切面获取跨主动脉瓣的峰值流速。
11. 使用机器内置测量工具的电子卡尺，从频谱图像中测量峰值流速（图3C 和 3F）。
    注意：马赛克样彩色信号表示高速血流，可能包含非层流的流动模式。

5. 二尖瓣（MV）功能的评估

注意：二尖瓣功能的评估包括对瓣膜的定性评价（例如，瓣叶厚度的主观判断、由于瓣膜钙化导致的回声增强、通过彩色多普勒检测是否存在反流射流）以及瓣膜功能的定量测量。

1. 将探头置于心尖部位的B模式位置。调整探头方向，使其朝向小鼠头部倾斜（图2C）。在图像显示中观察右心室（RV）、左心室（LV）、右心房（RA）和左心房（LA）。手动轻微倾斜平台，使动物处于 "头低" 调整位置以观察二尖瓣向左心室开放的情况。
   注意：心尖四腔观是观察二尖瓣和三尖瓣血流速度以及二尖瓣环组织速度的最佳切面。该切面也适用于评估右心室及室间隔的运动与大小。
2. 从心尖四腔切面，通过减小图像宽度使二尖瓣清晰对焦。观察到二尖瓣瓣叶表现为两条纤细且可活动的丝状结构，在每个心动周期中开闭运动。
   注意：二尖瓣瓣叶的 "正常" 如果在生理心率下进行成像，小鼠可能难以观察即， >450 转/分钟。
3. 将M型超声心动图取样线光标置于二尖瓣处，以评估瓣叶的厚度。
   注意：在收缩期，当前叶与超声束垂直时，其成像最为清晰图4).
4. 采用心尖四腔观，应用彩色多普勒成像二尖瓣舒张期从左心房经二尖瓣的血流。观察是否存在二尖瓣反流。
   注意：血流方向朝向换能器，因此显示为红色。反流血流显示为蓝色，发生于收缩期（图5).
5. 使用心尖长轴切面，切换至脉冲波模式。将多普勒取样容积移至二尖瓣瓣叶尖端。观察二尖瓣血流频谱显示的两个峰值。若瓣叶显示不清，可使用彩色多普勒识别呈明亮红色或马赛克样色彩的区域，并将取样容积置于该处。
   注意：在心率较慢时，二尖瓣血流的频谱显示有两个峰值（<450 次/分钟）。在正常心率（HR）下（>450 bpm）时，早期（E）与晚期（A）充盈血流会融合。通过二尖瓣血流的频谱多普勒显示来评估左心室舒张功能（参见步骤 7.5）。

6. 右心瓣膜功能评估

注意：三尖瓣和肺动脉瓣构成右侧心脏瓣膜。在心尖长轴切面中可清晰观察三尖瓣，而在胸骨旁长轴和短轴切面中均可观察肺动脉瓣。

1. 从心尖长轴切面开始，通过摆动动作倾斜或指向探头尖端，使右心室位于图像显示的中心。减小图像宽度，仅使右心室在图像中可见。
2. 在同一图像平面内，观察三尖瓣瓣叶，其表现为右心房与右心室之间纤细且可活动的丝状结构，并在每个心动周期中开闭运动。
3. 在三尖瓣区域应用彩色多普勒。注意是否存在三尖瓣反流。 
   注：正常血流发生在舒张期，方向朝向探头，因此显示为红色。异常反流血流发生在收缩期，方向远离探头，因此显示为蓝色。反流束的峰值速度可用于估算右心室收缩压。
4. 将探头移至主动脉瓣水平的胸骨旁短轴位置。主动脉瓣上方可见右心室流出道、肺动脉瓣、主肺动脉近端以及左右肺动脉（图6）。
5. 顺时针旋转探头至改良的胸骨旁长轴位置，然后轻微向上倾斜探头，以获得肺动脉瓣的短轴切面。
6. 在此切面中，应用M型成像评估肺动脉瓣瓣叶的分离距离（图7）。
7. 在肺动脉瓣区域应用彩色多普勒，评估瓣膜反流（舒张期出现马赛克样、高速射流）和狭窄（收缩期出现马赛克样、高速射流）。
8. 按下脉冲波控制键，并将取样容积置于肺动脉瓣后方。
   注：通过分析血流频谱多普勒图像可估算肺动脉压力（图8）。

7. 心脏功能评估

注意：心脏功能的评估包括对左心室收缩功能的定性评价（例如，射血分数的视觉估计、节段性室壁运动异常以及心室壁厚度的主观判断）和左心室功能的定量测量（例如，射血分数、左心室质量、左心室舒张功能以及心肌功能指数）。

1. 将探头置于乳头肌水平的胸骨旁短轴位置，获取左心室（LV）的二维/B模式短轴切面图像。上下移动探头，从基底部至心尖部扫描左心室，观察是否存在室壁运动异常。
2. 在胸骨旁短轴切面显示左心室后，按下控制面板上的M型超声按钮。使用轨迹球将M型光标置于乳头肌水平左心室腔的中心位置，获取M型图像。
3. 测量左心室舒张末期内径，即前壁与后壁间距最大时的距离，以及收缩末期内径，即前壁和后壁向心运动达到最大程度时的距离（图9）。
4. 测量舒张末期和收缩末期的前壁及后壁厚度。
   注意：虽然乳头肌是确保成像平面正确的关键解剖标志，但在任何测量中均应避免将其包含在内。
5. 将探头移至心尖窗。参见步骤5.1。在心尖长轴切面，利用脉冲波多普勒检测二尖瓣口血流，评估左心室舒张功能。
6. 将取样容积置于二尖瓣瓣叶尖端处。从脉冲波多普勒频谱图中测量二尖瓣口舒张期峰值血流速度。
7. 将取样容积置于左心室流入道与流出道之间。观察二尖瓣和主动脉瓣的关闭与开放信号。测量等容舒张时间、等容收缩时间和左心室射血时间（图10）。
8. 在心尖长轴切面进行二尖瓣环组织多普勒成像（TDI）。按下TDI控制键，将取样容积置于二尖瓣环内侧部，确保取样容积不侵入二尖瓣瓣叶。保持多普勒取样容积大小在0.21 mm至0.27 mm之间。测量二尖瓣环舒张早期运动速度（e'）（图11）。

8. 最后步骤

1. 查看所获取的图像，确认所有必需的图像均已获得。 
2. 清除小鼠胸部多余的超声耦合剂，并轻轻移除固定动物的胶带。关闭麻醉装置。
3. 将动物置于吸水性纸巾上（避免使用垫料，以防在恢复期间被吸入或阻塞气道）。观察动物直至其恢复胸卧位。若麻醉操作得当，动物应在30至60秒内恢复意识。

结果

本文包含了动物心脏超声成像中常规获取的图像示例。文中提供了超声探头在动物胸部放置位置的示意图，以帮助读者清楚理解为获得所述图像时探头的具体位置。同时还附有超声实验室配置的照片，以强调正确设备的重要性，特别是所用超声探头以及麻醉方法。正常与异常瓣膜、左右心室及主动脉根部的二维/B模式、M模式、彩色多普勒和频谱多普勒图像均已正确标注。尽管应变率成像并不常规开展，本文也提供了一个示例。

二尖瓣反流的特征是在收缩期通过瓣膜出现高速、通常为非层流的血流速度（呈马赛克样着色）（图5）。当多普勒血流图像显示血流从左心室经二尖瓣至左心房呈现此类马赛克样信号，并且该信号出现在心电图QRS波群之后时，即可明确诊断为二尖瓣反流。若此类情况在不存在主动脉瓣反流和/或左心室功能障碍的前提下发生，则可诊断为孤立性二尖瓣脱垂。如果存在明显的左心室扩张（由实验性诱导的心力衰竭或麻醉过深所致），则应归类为缺血性二尖瓣反流（或继发于心脏功能障碍的反流）。...

讨论

麻醉诱导

正确诱导和维持麻醉对于准确评估小鼠心脏瓣膜和心脏功能的变化至关重要。由于异氟烷诱导麻醉的速度较快，且在深度麻醉后该麻醉剂的清除时间相对较长，因此我们不使用独立的麻醉舱进行诱导。相反，如上文详细所述，动物被直接引导至麻醉罩，从而可在相对较低的麻醉剂浓度下实现快速且可控的麻醉诱导。

大多数小鼠品系在异氟烷浓度低于1.5%时仍能保持充分的镇静状态。然而，应密切监测异氟烷对心脏功能的累积效应，且可能需要随时间推移略微降低麻醉剂浓度。反之，也可能需要略微增加麻醉剂浓度。需仔细观察动物是否出现任何活动（提示麻醉深度不足）以及心率（HR）是否升高或降低；这有助于及时主动地调节麻醉深度。

与人类不同，异氟烷会导致小鼠心率（HR）下降。尽管在麻醉剂过量使用初期左心室功能可能得以维持，但心率降低几乎普遍继发左心室扩张，这是由于心肌收缩力受到抑制所致。因此，射血分数下降，瓣膜跨瓣（主动脉瓣和二尖瓣）峰值血流速度降低，主动脉瓣提前关闭，组织多普勒速度也下降。...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高分辨率超声成像系统	VisualSonics, Fujifilm	Vevo 2100
异氟烷扩散器（可输送1%至1.5%异氟烷，混合1 L/min的100% O2	VisualSonics, Fujifilm	N/A
适用于小型或大型小鼠的换能器（550D 或 400）	MicroScan, VisualSonics, Fujifilm	MS 550D, MS 400
动物承载平台	VisualSonics, Fujifilm	11503
高级生理监测单元	VisualSonics, Fujifilm	N/A
异氟烷	Terrell	NDC 66794-019-10
连接至异氟烷扩散器和100% O2的鼻罩及管路	本单位自行定制加工	--
脱毛剃刀	Andis Super AGR+ vet pack clipper	AD65340
超声耦合凝胶	Parker Laboratories	REF 01-08
电极导电凝胶	Parker Laboratories	REF 15-25
粘性胶带	Fisher Laboratories	1590120B
纸巾