胰岛素诱导的血管舒张可调节肌肉灌注,并增加血液与组织间质之间溶质交换可用的微血管表面积(微血管招募)。本文介绍了结合活体显微镜与对比增强超声技术,以同时评估胰岛素在较大血管和微循环中的作用。 体内
胰岛素诱导的血管舒张可调节肌肉灌注,并增加血液与组织间质之间溶质交换可用的微血管表面积(微血管招募)。本文介绍了结合活体显微镜与对比增强超声技术,以同时评估胰岛素在较大血管和微循环中的作用。 体内
已有研究表明,胰岛素的血管作用有助于调节胰岛素敏感性。胰岛素对肌肉灌注的影响可调控餐后营养物质和激素向胰岛素敏感组织的输送。本文介绍一种结合活体显微镜(IVM)与对比增强超声(CEUS)的技术,用于同时可视化小鼠后肢内收肌室的肌肉阻力动脉及微循环灌注情况in vivo。同时评估胰岛素在血管树多个层次的作用,对于研究胰岛素多种血管活性效应与肌肉灌注之间的关系具有重要意义。本研究的实验在小鼠中进行。首先,插入尾静脉导管,用于输注麻醉剂、血管活性化合物以及超声造影剂(脂质包裹的微泡)。其次,在腹股沟区域做一小切口,以暴露内收肌室的动脉系统。然后将超声探头置于对侧后肢上部,以获得肌肉的横断面图像。为评估基础状态参数,先测量动脉直径,随后以恒定速率输注微泡,以估算肌肉血流量和微血管血容量(MBV)。在进行高胰岛素-正常血糖钳夹实验前后及期间应用该联合技术,可评估胰岛素诱导的动脉直径变化、微血管肌肉灌注以及全身胰岛素敏感性的改变。此外,还可量化微循环与阻力动脉对胰岛素反应之间的时间关系。该方法还支持对小鼠进行纵向追踪观察,因而成为研究血管功能及全身胰岛素敏感性变化的有力工具。
当血糖水平升高时,胰腺会将胰岛素分泌到血液中,胰岛素通过阻力动脉和毛细血管迅速分布至其靶组织,例如骨骼肌。骨骼肌负责约80%的餐后葡萄糖摄取1。已证明,胰岛素向骨骼肌间质的递送是胰岛素促进葡萄糖代谢利用这一代谢作用的限速步骤2,3,4。在10至15分钟内,胰岛素可增加毛细血管血容量(即微血管募集),这一效应发生在总血流量增加之前5,6。微血管募集扩大了可用于营养物质(以及胰岛素)交换的内皮表面积7,8。胰岛素介导的微血管募集先于骨骼肌葡萄糖摄取的变化,并且与其独立相关8,9。胰岛素对血管系统的作用被称为“血管胰岛素敏感性”。
研究表明,肥胖型Zucker大鼠的胰岛素介导的微血管招募及胰岛素诱导的血管舒张功能均受到损害10,11。此外,毛细血管密度降低的瘦型小鼠也表现出肌肉胰岛素抵抗12。在Kubota et al. 具有影响力的研究中显示,内皮细胞中胰岛素信号传导受损会导致胰岛素诱导的微血管 招募减少,从而使骨骼肌的葡萄糖摄取降低约40%13。这些微血管功能的异常不仅出现在肌肉组织中,也存在于心脏、视网膜和肾脏等多种其他组织和器官中14,15,16。这些实例及其他研究17,18,19,20表明,胰岛素的血管效应是胰岛素抵抗及其并发症的(病理)生理学中的重要机制。
尽管有大量证据表明胰岛素可增加骨骼肌的微血管血容量(MBV)5,6,但这一过程的具体机制尚未完全阐明9。在血管系统的不同层次上,内皮依赖性血管舒张在血管胰岛素敏感性的多个方面起着关键作用21,22,23。血管胰岛素敏感性可表现为胰岛素诱导的阻力动脉舒张,以及前毛细血管小动脉的舒张,从而增加灌注的微血管交换表面积7,24,25。
活体显微镜(IVM)已应用于多种组织准备,包括小鼠背部的皮肤褶夹26、小鼠和大鼠的肠系膜27、小鼠肢体缺血模型28以及仓鼠颊囊29。增强对比超声成像(CEUS)是另一种可用于评估心脏30及骨骼肌31微循环的成像技术。该技术利用惰性气体填充的微泡,其流变学行为类似于红细胞,并完全保留在血管腔内。这些微泡通过静脉以恒定速率输注,以达到稳态。随后,可使用高能超声波破坏微泡。微泡在感兴趣区域(ROI)的再充盈速度代表血流速度(MFV),而对比图像的总信号强度则代表微泡体积(MBV)。CEUS可重复进行(亦可用于人类),并推动了对胰岛素抵抗状态下血管功能障碍的理解(参见Barrett et al.32)。
在本研究中,我们描述了一种通过同时使用体内显微镜(IVM)和对比增强超声(CEUS)来研究肌肉灌注调控的新技术。本文重点探讨胰岛素在小鼠后肢内收肌区域的血管作用。该区域是小鼠体内最大的骨骼肌群之一,便于对代表性肌肉的局部葡萄糖摄取进行研究。该区域非常适合进行IVM观察,因为其动脉可通过标准化的手术方法方便地制备和可视化28。此外,我们课题组及其他研究团队已证实,该区域也可应用CEUS技术33,34。
联合使用体内显微技术(IVM)和对比增强超声技术(CEUS)的一个优势在于,能够在同一肌肉群中分别评估胰岛素对较大微动脉(供血动脉或阻力动脉)以及微循环(毛细血管床)的作用。此外,同时应用这两种方法有助于了解胰岛素在阻力动脉和微循环水平上的时间作用特征。这种联合的IVM与CEUS技术也可应用于其他血管生物学研究领域。例如,可通过基因敲除模型研究各种蛋白质以及某些影响内皮功能的病理生理状态所起的作用。此外,这两种技术可在同一只小鼠的多个时间点重复使用,从而减少研究所需的时间和成本。
所有动物实验均已获得当地动物护理与伦理委员会的批准。从小鼠麻醉诱导开始直至高胰岛素-正常血糖钳夹实验结束,整个实验流程大约需要2小时。
1. 显微外科准备
2. 基线与高胰岛素血症状态下的测量
3. 离线分析
注意:IVM 和 CEUS 测量结果的分析应由经过设盲的研究人员离线进行。CEUS 可通过使用 MBD 功能以高强度超声波暂时破坏微泡,从而实现微循环与较大血管的区分。由于微泡在相应血管中的流速不同,较大血管内的信号(以任意单位(a.u)测量)恢复速度比微循环中的信号更快。
高胰岛素-正常血糖钳夹实验(胰岛素敏感性)期间的葡萄糖输注速率为 180.21 ± 19.81 µmol/kg/min。在内收肌室局部应用石蜡油以稳定血管,未引起动脉平均基础直径的改变(73.6 ± 29.0 µm 与 68.8 ± 17.9 µm 相比;p = 0.58),但有助于减少所测动物的变异程度(图 4A)。胰岛素持续性地增加了股薄动脉的直径(60 分钟时增加 14.58 ± 6.2%;N = 9),该变化与生理盐水输注引起的直径变化(-6.3 ± 4.9%;N = 6)相比具有显著差异(p < 0.0001)。胰岛素诱导的血管舒张在 10 分钟后即可明显观察到(10.09 ± 5.1%;p = 0.002),并在 30 分钟后达到其最大舒张能力的约 95%。
通过CEUS检测,与生理盐水输注组(-10.63 ± 27.87%,N = 6)相比,胰岛素持续使肌肉微血管血容量(MBV)增加了33.5%(± 31.04%,N = 7;p = 0.0009)(图5A、图5B)。所展示的数据为肌肉MBV的信号强度除以股血管信号强度的比值,该处理方式可降低不同测量之间及不同小鼠之间的实验变异(数据未显示)。股血管中的信号强度与循环中微泡浓度呈线性关系(图3C)。对股血管信号进行校正,理论上可消除所用微泡浓度差异带来的影响(图3D)。本节数据以均值 ± 标准差形式表示。

图1: 后肢内收肌间隔的手术暴露。(A)在腹股沟处做切口,方向与腹股沟韧带平行。(B)向远端方向轻柔牵拉脂肪垫(黑色箭头),可显露脂肪垫与腹壁之间的结缔组织(*)。(C)可使用血管夹调整切口的皮肤皱褶,形成一个小腔隙以容纳浸润血管的石蜡油。(D)在使用校准显微镜观察制备好的股薄动脉后,将超声探头置于对侧后肢上部。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2: 小鼠后肢的活体显微观察。 股动脉(A)发出腹下腹壁动脉(B)和股薄动脉(C),后者走行于内收肌群(D)上方。股薄动脉用于通过校准显微镜进行活体显微观察(IVM)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3: 增强对比超声在肌肉微血管血容量及股血管中的信号强度。 (A)在雄性小鼠后肢上部持续输注微泡期间,数字成像平台的非线性对比成像模式视图。右侧面板:绘制两个感兴趣区域(ROI),分别代表肌肉微血管血容量(MBV)和股血管。ROI 仅包含内收肌室的浅层部分,因为信号强度随深度增加而减弱。左侧面板:来自肌肉 MBV ROI 的时间-强度曲线。垂直线表示通过高能超声波破坏微泡(MBD)。MBD 后,成像平面内无对比剂,随后微泡逐渐重新填充。10–15 秒后,对比增强达到峰值。(B–D)达到稳态信号后,将浓度为 2.5 × 109 个微泡/mL 的输注速率加倍(5、10、20 µL/min)。肌肉 MBV(B)和股血管(C)的信号强度随循环中微泡浓度的加倍而同步变化。(D)通过股血管信号对肌肉 MBV 进行校正,可消除因不同微泡浓度引起的信号强度变异性(N = 9;误差棒表示标准差)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4: 股薄动脉的活体显微测量。 (A)石蜡油减少了不同动物股薄动脉的直径变异(未使用石蜡油时为 29.0 µm,使用后为 17.9 µm),同时保持平均基础直径稳定(73.6 µm 对比 68.8 µm;p = 0.58)。 (B)基础状态及胰岛素或生理盐水输注 60 分钟后的动脉直径。与生理盐水输注相比,胰岛素输注 60 分钟后 consistently 扩张股薄动脉(p <0.0001)。 (C)胰岛素诱导的血管扩张在输注开始后 10 分钟出现(p = 0.002),并在 30 分钟时达到最大扩张的 95%。误差线表示标准差;统计学分析采用非配对 Student's T 检验。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5: 利用小鼠后肢内收肌间隔的对比增强超声造影测量微血管血容量。 (A)胰岛素输注开始后 30 分钟,微血管血容量(MBV)出现持续性升高。(B)高胰岛素血症状态与基线状态之间的测量差值(MBV 变化)被定义为胰岛素介导的微血管招募。与生理盐水输注组(-10.63 ± 27.87%,N = 6)相比,胰岛素诱导的微血管招募为 33.5%(± 31.04%,p = 0.016;N = 7)。误差线表示标准差;统计学分析采用非配对 Student's T 检验。请点击此处查看该图的放大版本。
我们已开发出一种技术,可同时利用体内显微镜(IVM)评估胰岛素对大动脉的血管作用,并利用对比增强超声(CEUS)评估胰岛素对骨骼肌微循环的作用。实现成功且可靠测量的关键步骤包括:1)正确暴露股薄肌动脉而不引起出血;2)防止浸泡动脉的石蜡油泄漏;3)建立通畅的静脉通路(尾静脉插管),用于输注血管活性物质(胰岛素)和对比剂(微泡)。
在肥胖和胰岛素抵抗的背景下,肌肉微血管功能障碍的研究正受到越来越多的关注14,25,39,40。肥胖和胰岛素抵抗对血管功能的不利影响体现在血管树的不同层次上。因此,需要采用不同的方法来评估这些变化。在同一小鼠中联合使用体内显微镜(IVM)和对比增强超声(CEUS)技术,为量化胰岛素在血管系统不同层次的作用提供了强有力的工具。IVM 可实现对阻力动脉的直接可视化和定量分析,而 CEUS 则可用于评估胰岛素诱导的肌肉灌注变化。
研究内收肌室具有多个优势。动脉易于接触,且由于切口位置表浅,实验结束后可用5.0号可吸收无菌缝线关闭皮肤切口。实验完成后,动物通过皮下注射0.1 mg/kg剂量的布托啡诺作为镇痛剂,并置于温暖环境中恢复。小鼠对该操作耐受性良好,在研究的35只以上动物中,未出现动物死亡或后肢感染的情况。这使得对动物进行纵向随访或研究成为可能。然而,本实验所用动物采用1.8%异氟烷吸入麻醉,氧气流速为0.4 L/min,通过麻醉面罩给药。与异氟烷麻醉41,42不同,FMA麻醉不会干扰外周胰岛素敏感性。未来的研究计划是评估小鼠从FMA麻醉中恢复的情况。
内收肌群的血管隔室同样具有重要研究价值,因为可以借此评估多种介导局部及远端血管效应的血管活性物质。例如,可通过灌流技术28或外科操作在血管周围植入缓释药物的套管43,将这些化合物直接施加于目标组织。此外,股薄肌动脉可被分离出来并在压力血管肌动图仪中进行研究。本研究团队及其他学者已利用压力血管肌动图仪获得了大量实验证据,用于记录胰岛素及其他血管活性物质对这条动脉的离体(ex vivo)作用36,37,38。
使用体内显微技术(IVM)的一个固有局限性在于需要通过手术暴露肌肉,并使用石蜡油稳定血管。目前尚不明确这些操作是否会影响动脉的天然微环境。然而,图3A显示,浸润在石蜡油中的股薄肌动脉其基础直径并未发生显著变化。已有研究证明,矿物油能有效抑制氧气扩散,从而保护组织免受高氧环境的影响44。此外,石蜡油有助于减少动脉基础直径的波动。因此,我们建议使用石蜡油,并让制备的组织静置至少30分钟。值得注意的是,若使用缓冲盐溶液替代石蜡油,或完全不使用油,会导致动脉直径高度不稳定并出现血管收缩(数据未显示)。此外,在实验结束时,我们分离了浸润在石蜡油中的股薄肌动脉,并在体外通过压力肌动图检测其反应性。ex vivo结果显示,这些经石蜡油处理的动脉在胰岛素和乙酰胆碱(一种血管舒张剂)刺激下,其反应性与对照组动脉相似(数据未显示)。一致的胰岛素诱导血管舒张效应明确表明,本研究中描述的IVM实验方案可产生可靠的结果。
在同一小鼠中同时应用这两种技术,可以相互弥补各自的内在局限性:CEUS 能够在未受干扰的肌肉中活体估算微血管血容量(MBV),但无法观察单个血管;而 IVM 能够实现对单个血管的观察,却无法估算 MBV。未来的研究计划是将精索肌的 IVM 显微成像与对侧内收肌的 CEUS 检测相结合。这种改进可同时获得 MBV 的估算值(通过 CEUS)以及对毛细血管的直接光学观察(通过 IVM)。本方案还可进一步优化:用于尾部插管的四通连接器可更换为五通连接器。如此可避免在进行第二次 CEUS 测量(见步骤 2.9)时拆卸麻醉管路。根据我们的经验,小鼠对当前方案耐受良好。本方案的另一项可调整之处在于胰岛素钳夹速率的选择。本研究采用 7.5 mU/kg/min 的钳夹速率,属于超生理水平。根据具体实验需求,可采用较低的胰岛素钳夹速率(例如 3 mU/kg/min)。
尽管我们发现所述方案具有可靠性,但仍存在一些需要注意的特定局限性。在某些情况下,动脉直径的测量可能并非最佳状态。执行制备步骤需要对该模型具备一定的操作经验。必须确保石蜡油不会从血管环境泄漏,因为添加新的石蜡油会扰动血管并改变其直径,此时需让动脉再静置30分钟。此外,光源在石蜡油表面的反射(如方案步骤1.14中所述)有时过强,导致难以观察动脉。可通过调整光源方向,使光线以一定角度照射石蜡油表面且与动脉方向平行,以减轻此问题。
总之,本研究中描述的体内显微镜(IVM)与对比增强超声(CEUS)技术的结合,使得量化胰岛素在血管系统不同水平上的多种效应成为可能。对股薄肌动脉进行的体内显微镜观察可揭示上游血管变化,这些变化影响了通过对比增强超声测量的下游微血管灌注。我们建议在同一小鼠中联合使用多种实验技术,以更全面地评估血管功能。
Visual Sonics 公司承担了开放获取费用,而文章的结构和内容仍完全由作者负责。
感谢Ing. Duncan van Groen为本研究中使用的图像分析软件(ImageGrabber)进行编程。本研究的资金由荷兰科学研究组织(Netherlands Organisation for Scientific Research)提供的VIDI资助(资助号016.136.372)提供。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| C57BL/6 小鼠 | Charles river | 实验所用小鼠为本实验室繁育 | |
| Vevo 2100 高分辨率超声成像系统 | VisualSonics inc. | ||
| MS250 非线性换能器 | VisualSonics inc. | ||
| Vevo 2100 软件 | VisualSonics inc. | ||
| 超声耦合剂(Aquasonic 100,无色) | CSP Medical | 133-1009 | 用于传导超声波的耦合剂 |
| 涡旋振荡器 | VWR international | 58815-234 | |
| 加热垫 | Pantlab | ||
| Freestyle Precision Xceed | Abbott | 用于在高胰岛素-正常血糖钳夹实验期间测量血糖水平 | |
| 胰岛素 Novorapid | Novo Nordisk | ||
| 葡萄糖一水合物 | Merck Millipore | 1083421000 | |
| 缓冲盐溶液 | B. Braun | 152118062 | |
| PE-20 医用导管 | Becton, Dickinson and Company | 427405 | |
| 27 号针头 | Becton-Dickinson & Co | 305109 | |
| 医用胶带 | 3M | ||
| 超声探头支架 | 本实验室自制 | ||
| 棉签 | 多种等效产品 | ||
| 脱毛膏 | 多种等效产品 | ||
| 凝胶组织粘合剂 | Derma+flex | GA30005-2222 | |
| 输液泵 | Harvard Apparatus | Harvard Apparatus PHD 2000 | |
| 小型精细直剪刀 | Fine Science Tools (FST) | 14090-09 | |
| 持针器 | Fine Science Tools (FST) | 12500-12 | |
| 细尖直镊 | Fine Science Tools (FST) | 11251-20 | |
| 体视显微镜 | Olympus | SZX12 | |
| 相机 | Basler | scA1390-17gc | |
| 图像采集程序 | 本实验室自制 | 图像采集系统 | |
| 计时器 | VWR | 33501-418 | |
| 1 mL 注射器 | Fisher | 14-817-25 | |
| 光纤光源 | Schott | KL1500 | 理想情况下配备可调节臂 |
| 石蜡油 | 多种等效产品 | ||
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 微泡 | |||
| 1,2-二硬脂酰基-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱 | Avanti Polar Lipids | 850365C | |
| 聚氧乙烯硬脂酸酯 | Sigma | p3440 | |
| 全氟丁烷气体 | F2 Chemicals | C4F10(g) | |
| Decon FS200 超声波清洗仪 | Decon Ultrasonics Ltd | ||
| Vialmix | Lantheus Medical Imaging | 515370-0810 | |
| Multisizer 库尔特计数器 | Beckman Coulter Inc |