本文介绍了一种采用微创方法在大鼠中高效实施心肌缺血及随后慢性再灌注的技术。此外,通过超声心动图和离体工作心脏方法评估大鼠左心室血流动力学功能。
本文介绍了一种采用微创方法在大鼠中高效实施心肌缺血及随后慢性再灌注的技术。此外,通过超声心动图和离体工作心脏方法评估大鼠左心室血流动力学功能。
心肌梗死(MI)仍是全球范围内导致发病和死亡的主要原因,因此针对该课题的研究至关重要。为了深入理解其潜在的病理变化,必须采用一种简单且高度可重复的MI诱导方法。该方法还可用于评估新型有前景的治疗手段(如药物或干预措施)在急性心肌梗死、后续心室重构及心力衰竭(HF)中的效果或效力。在完成动物插管和术前准备后,采用异氟烷进行麻醉,并迅速开展手术操作 。通过微创方法定位左前降支冠状动脉(LAD),并使用结扎线将其闭塞。该闭塞可设计为急性闭塞后进行再灌注(用于研究缺血/再灌注损伤),也可永久性结扎血管,以研究慢性心肌梗死、心室重构或心力衰竭的发展过程。尽管存在一些常见技术难点,但本方法的动物淘汰率极低。多种干预措施(如远程缺血预处理)可在术前、术中和术后评估其心脏保护潜力。由于麻醉控制精确且手术时间短,术后恢复迅速。术后给予为期三天的镇痛治疗。微创手术降低了感染和炎症的风险,同时有助于加快恢复。离体“工作心脏”功能检测可实现对前负荷、后负荷和血流的精确控制。该检测需要特定设备和专业培训才能规范操作。本文提供了进行此类检测的详细分步操作指南。
尽管发病率持续下降,急性心肌梗死(MI)仍是全球范围内导致发病和死亡的主要原因1。在评估潜在治疗方法(如药物或外科手术)对急性心肌梗死的预防和治疗效果时存在诸多限制。在对人体进行疗效研究之前,必须预先评估这些治疗方法的风险,包括在动物体内进行的体内实验。在体内条件下研究病理过程是无可替代的最佳途径。因此,通过在大鼠、小鼠甚至大型动物模型(如猪或羊)中诱导心肌梗死,可研究冠状动脉缺血及其周围心肌组织所引起的短期(急性)和长期(慢性)变化,以及心脏功能受损所导致的全身性改变。既往研究主要关注梗死面积,但近年来,急性心肌梗死或缺血/再灌注损伤以及继发性心力衰竭(HF)后的心脏重构过程日益受到关注。因此,需要一种可比性强且易于重复的方法,以获得一致的研究结果。
尽管已有报道称使用冷冻消融来获取心肌梗死(MI)模型2,我们的方法借鉴了其他研究,这些研究通过单针结扎来闭合左前降支冠状动脉(LAD)。与(半)胸骨切开术相比,本文所介绍的微创方法可显著缩短手术时间,并加快术后恢复。其他外科手术中常见的步骤是将心脏从胸腔内托出以进行心脏缝合3该方法的实施使此步骤变得不必要。根据具体实验方案,可采用两种不同的操作:一种是使用止血带进行暂时性阻断,以在规定时间内诱导缺血/再灌注;另一种是通过结扎固定实现动脉的永久性阻断。阻断成功与否可通过心电图(ECG)、左心室(LV)的宏观变化及其颜色变苍白来评估。
手术前另一项重要步骤是插管。尽管在大多数情况下,插管可通过气管切开术或在喉部皮肤切口直视下经口插入导管完成,本方案描述的是对麻醉动物进行经气管插管,以减少术后呼吸困难或感染的发生4,5。为避免术后并发症,在关闭胸腔前需使用注射器将胸腔内的空气抽出。
本文的第二个任务是通过离体工作心脏实验模型评估血流动力学功能,以及该模型在本研究所其他项目中的应用方式。6,7。尽管 超声心动图、心脏磁共振成像(MRI)以及有创性压力-容积环定量分析是评估体内心脏功能的常用且广为人知的方法,但这些方法已知存在一定的局限性。有创性方法,例如使用导管检测心脏的整体功能或特定参数,应用广泛,被视为心脏测量的金标准。相比之下,离体工作心脏装置由于其操作复杂性和高昂成本而较少被使用。该技术涉及诸多关键环节,从灌注液的配制到心脏的适当插管,均对成功评估至关重要。离体工作心脏装置最早由 Oskar Langendorff 于 1897 年描述8 并在最近几十年中经过修改9目前有两种常用模型:朗根多夫(Langendorff,LD)模式和工作心脏(working heart,WH)模式。在本研究中,采用LD模式使心脏适应新的环境(约15分钟)。在此模式下,通过主动脉插管,以顺行方式灌注冠状动脉,从而充分供应心肌。在LD模式中,心脏不进行任何压力-容积功。相比之下,在WH模式下,通过肺静脉插管进入左心房,灌注液由此流入左心房。心脏随后以生理方式将灌注液泵出,对抗预设的后负荷。通过随时间增加后负荷,可连续测定心脏功能。可测量的参数包括冠状动脉流量、心输出量(CO)、每搏输出量(SV)和做功、心房流量以及左心室收缩压和舒张压。该方法可用于直接且单独地研究各种处理对心脏的影响。6,10Liao 和 Podesser 的综述9 展示了该方法在评估药物对心脏功能和代谢影响以及在多种疾病研究中的广泛应用 如心肌梗死、心力衰竭、肥胖和糖尿病。
综上所述,本实验方案提供了一种可重复的体内心肌梗死(MI)或心肌缺血/再灌注(MIR)损伤的建模方法。此外,该方案还允许在心肌梗死后对离体大鼠心脏的左心室(LV)功能障碍进行表征。本方案将处理与分析方法进行了独特的结合。
本研究所描述结果所依据的实验方案已获得维也纳医科大学区域实验动物伦理委员会以及奥地利联邦教育、科学和研究部(BMWFW-66.009/0023-WF/V/3b/2016)的批准。所有实验均符合美国国立卫生研究院(NIH出版号85-23,1996年修订版)发布的《实验动物护理与使用指南》。
注意:使用体重为 250−300 g 的 10−12 周龄雄性 Sprague Dawley 大鼠。由于以下操作和处理均在手术室(OR)的无菌环境中进行,因此在处理动物时需穿戴刷手服、手套、口罩和头罩。进入手术室前,应确保双手已清洗并消毒。若计划在一次手术过程中对多只动物进行操作,则每次手术之间应对器械进行清洗消毒或高压灭菌。上述卫生规范适用于本方案部分所列的所有操作步骤。
1. 术前准备与麻醉
2. 手术步骤——心肌缺血的诱导
3. 术后治疗与排除标准
| 检查项目 | 观察指标 | 评分 |
| 体重 | 稳定 | 0 |
| 减轻10% | 4 | |
| 减轻15%持续48小时 | 7 | |
| 减轻18% | 7 | |
| 正常(毛发平顺有光泽) | 0 | |
| 外部外观 | 竖毛 | 1 |
| 血肿 | 2 | |
| 皮肤伤口/切口/咬痕 | 2 | |
| 严重减少理毛行为 | 4 | |
| (体孔不洁、结痂或潮湿) | 7 | |
| 严重皮肤刺激或伤口 | 7 | |
| 蜷缩姿势 >2 小时 | 7 | |
| 明显腹部膨胀(腹水) | 7 | |
| 行为 | 正常(睡眠、好奇、社交接触、被触碰时有反应) | 0 |
| 异常行为,例如活动能力下降 | 2 | |
| 自我隔离、明显多动或刻板行为 | 4 | |
| 嗜睡 <6 小时 | 4 | |
| 嗜睡6至8小时 | 7 | |
| 淡漠 >8 小时 | 7 | |
| 刻板行为持续 >10 分钟,且2小时后仍持续 | 7 | |
| 被触碰时表现出疼痛迹象 | 7 | |
| 自残行为 | 7 | |
| 消化 | 正常 | 0 |
| 腹泻(粪便松软) | 3 | |
| 腹泻持续72小时或呈水样 | 7 | |
| 血便 | 7 |
表1:检查清单与排除标准。本表列出了必须观察的检查项目及相应的评分。应根据评分结果调整动物的术后处理措施,或咨询兽医。
4. 超声心动图测量
注意:超声心动图通常进行两次,分别在心肌梗死(MI)诱导前和器官收获前进行。
5. 器官收获(无跳动心脏)
6. 通过工作心脏系统进行离体血流动力学测量
注意:仪器的总体设置及其组件此前已有描述11。以下方案描述了动物心脏的处理方法以及评估左心室功能所需的步骤。
以下结果已由 Pilz 等人发表6。通过这种精确的手术操作,可研究远隔缺血后适应(RIPerc)的心脏保护作用。该方法可能是治疗急性心肌梗死(MI)或心肌缺血-再灌注损伤(MIR)患者及其后续心室重构的一种潜在新疗法,而心室重构在许多情况下会导致继发性心力衰竭(HF)。模拟 MI/MIR 的病理生理变化是评估治疗方法的必要步骤,因为体外(in vitro)或离体(ex vivo)研究无法提供完整的生理环境。在本实验方案中,动物接受 30 分钟的左前降支(LAD)闭塞,随后进行再灌注(即诱导 MIR)。
为验证该操作的可重复性,进行了组织学切片和染色(图4A)。显然,MIR+RIPerc处理组动物的纤维化瘢痕与假手术组(Sham)的瘢痕形成相似,而假手术组与MIR组之间的纤维化差异具有显著性(图4B)。此外,与仅接受MIR处理的动物相比,MIR+RIPerc处理组动物的纤维化程度显著降低。然而,代表性组织学图像清楚地表明了该手术操作的有效性,因为MIR组中梗死区域明确存在(图4A)。通过活体超声心动图检测,测量了射血分数、左心室舒张末期和收缩末期直径(LVEDD和LVESD),结果显示MIR处理导致心脏功能显著下降,而RIPerc处理则保留了血流动力学参数(图4C−F)。离体血流动力学数据进一步证实了该操作的有效性,MIR组在左心室收缩压(LVSP)、心输出量(CO)、每搏输出量(SV)以及外周心功(EHW)方面均显著降低(图5A−G)。
关于该手术操作的文献检索显示,在规范实施的情况下,未发现任何负面或不满意的结果和评价。然而,引言和讨论中提到的潜在问题必须加以避免,且必须经过培训以获得稳定的操作水平,从而得到可比的结果。

图 1:术前准备与手术操作流程。(A)使用14 G导管对动物进行气管插管。(B)将动物置于仰卧位,并对手术区域进行消毒。(C)皮肤切口(于左侧胸壁第3肋间隙处作距胸骨旁2 mm的切口),切口需延伸至第5肋间隙水平的腋前线。(D)分离肌肉组织,暴露肋骨。(E)打开胸腔。(F)采用6−7个结扎结对左前降支(LAD)进行永久性结扎。(G)使用止血带对左前降支(LAD)进行暂时性阻断。(H)在心肌缺血与再灌注后,围绕肋骨放置三个单结缝线,关闭胸腔。(I)正确关闭胸腔:在紧扎最后一个结之前,使用10 mL注射器抽出胸腔内残余空气,此步骤对预防气胸至关重要。(J)皮肤缝合。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:器官采集。(A)在剑突下做切口,并延伸至两侧腋中线。进一步切开肋骨,以便抬起胸骨。(B)心脏的切除。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:离体心脏装置。(A)朗根多夫模式。通过主动脉插管将心脏安装至WH装置上。(B)工作心脏模式。可通过左心房插管将系统切换至WH模型,以评估心脏功能。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:远程缺血预处理对瘢痕形成、左心室功能及心室重构的影响。(A)心肌再灌注后第14天获取的左心室组织病理切片。(B)纤维化程度的定量结果,以柱状图表示。(C)代表性M型超声心动图。(D)射血分数(EF)的定量结果,以柱状图表示。(E)左心室收缩末期内径(LVESD)的定量结果,以柱状图表示。(F)左心室舒张末期内径(LVEDD)的定量结果,以柱状图表示。MIR,心肌缺血-再灌注;RIPerc,远程缺血围处理。数据以均值 ± 标准误表示。*p < 0.05;**p < 0.01;***p < 0.001。经Elsevier许可转载自Pilz等6。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:远程缺血预处理(RIPerc)对左心室血流动力学功能的影响。(A)左心室收缩压(LVSP),(B)心输出量(CO),以及(C)每搏输出量(SV)的结果来自心肌再灌注后第14天的离体工作心脏实验。(D)心输出量表示为后负荷的函数;(F)外功表示为后负荷的函数,量化结果以条形图形式展示(E 和 G)。数据以均值 ± 标准误(SEM)表示,每组 n = 4–7。*p < 0.05;**p < 0.01;***p < 0.001。MIR,心肌缺血/再灌注;RIPerc,远程缺血预处理;EHW,心脏外功;SV,每搏输出量;AUC,曲线下面积。经Elsevier许可转载自Pilz等6。请点击此处查看该图的放大版本。
心肌梗死(MI)后不良重构被认为是心力衰竭发生的关键机制。因此,为了确保心血管研究的连续性,实验操作和技术应具备可重复性。清晰明确且易于理解的实验方案是实现可重复性的基本要素。可重复性是指研究结果能够被多位科研人员重复,并在不同实验室之间得到验证。本研究旨在介绍一种半微创方法,用于在大鼠中诱导慢性或再灌注心肌梗死,并评估其心脏血流动力学功能。
这些结果及进一步的已发表数据表明,该手术方法具有高效性,并在心肌梗死(MI)、心室重构和心力衰竭(HF)的研究中具有重要意义。虽然缺血/再灌注损伤模型可用于研究伴有后续再灌注的心肌梗死变化,但永久性结扎则有助于进一步理解心肌的短期和长期重构过程。其他手术方法会造成更严重的组织损伤,动物更易发生感染和气胸,导致更高的脱落率。相比之下,本手术通过在实验设置和操作上的特定改进,旨在降低死亡率。此外,由于左前降支(LAD)结扎不稳定,其他方法在纤维化瘢痕扩展方面表现出较大变异。
本方案提供了一种简便的插管方法,这是整个操作中最关键的步骤之一。与已发表的其他多种方法12不同,本方案不进行气管切开术。这一设计有助于动物术后苏醒和康复,使动物在进行术后检测前能够充分发展出该手术所预期的病理生理改变。显然,若为非存活实验方案,则可在直视下实施气管切开术,操作更为简便;此外,在存活实验方案中无法关闭气管切开口。当胸腔被打开后,必须对肺部进行通气以防止肺萎陷。因此,大鼠在手术前需预先进行气管插管。本方案采用微创方式,不切断肋骨或胸骨,从而保持胸腔的完整性和稳定性。因此,动物的恢复效果更好,发生自发性气胸或出血的风险相对较低。
如前所述,尽管插管具有明显的优势,但其操作难度较高,可能在实验初期导致较高的脱落率。通过培训和掌握一定的解剖学知识,可以缓解这一问题。插入导管时必须保持合适的角度,并拉直动物的身体,直至光线透过声唇,随后可轻柔地将导管向前推进。注意避免损伤声唇,否则可能引起肿胀、继发性声门阻塞及窒息。
正确结扎左前降支(LAD)也至关重要。由于手术视野较小、心脏跳动较快以及肺部处于通气状态(应尽可能避免触碰,因为每次接触都可能导致肺出血),使得该血管并不清晰可见。因此,解剖学知识必不可少。左心耳对于标准化缺血风险区域以及确定LAD结扎位置具有关键作用。缝合需在心肌壁内进行,而非贯穿左心室(LV)壁全层,因为后者可能导致左心室腔直径和容积减小,而这种改变并非由病理过程引起。成功的闭塞表现为风险区域心肌出现发绀以及心电图上ST段抬高。该操作的主要局限在于缝线位置的准确性。为了获得可比的结果,各实验间的缝合位置必须处于相同水平,并使用相似量的心肌组织。这需要较高的操作技能,同时必须考虑动物体重的差异。另一个需要注意的要点是在关闭肋间切口前充分排除气胸。如果此步骤操作不精确,动物将出现呼吸困难,因为左侧肺的膨胀会受到气胸的阻碍。如前所述,可通过使用注射器抽吸胸腔内残余空气来减轻这一问题。
目前,该心肌梗死(MI)手术是一种常用方法,若关键步骤操作精确,可确保结果具有可比性且动物存活率较高。未来针对心肌梗死、心力衰竭(HF)或心脏重构的各种治疗方法、器械或药物研究,均可通过实施这种微创技术进行评估。
如前所述,离体心脏(WH)测量并不常用,因为其维护和操作需要特定的设备和专业知识。为了获得具有代表性且可比较的数据,必须避免一些常见问题。其中最关键的步骤是心脏的安装以及从D模型切换到WH模式。如果心脏切除不充分,则可能难以安装,因为需要足够的主动脉组织长度才能将心脏固定在装置上。在连接到LD模式后不久,由于冷缓冲液的灌注、体内生理刺激信号的中断,或装置使用其他物种的血液进行再灌注,心脏频率可能会下降。在这种情况下,必须使用起搏器来恢复并维持生理频率,以确保所有实验动物之间结果的可比性。由于装置内的血容量是大鼠生理血容量的数倍,因此采用基于Krebs-Henseleit缓冲液悬浮的牛红细胞。
从LD模式切换到WH模式相当于从被动心脏工作转为主动心脏工作。LD模式用于使心脏适应其新环境。在WH模式下,心脏必须执行其生理射血功能。因此,在通过增加后负荷进行评估之前,需要一段短暂的适应期以适应新的条件。
另一个常被忽视的关键步骤是仪器设备和灌注液的充分准备与维护。必须准确混合每种化合物的体积,并控制和调节系统内的温度。然而,WH 法是一种可同时评估心输出量、每搏输出量、左心室收缩压和冠状动脉血流量的精巧方法。
这种高度可重复的诱导心肌梗死的方法以及通过WH装置获得的代表性数据已充分证明了其有效性。半微创手术方式、左前降支阻断程度以及插管方法有助于动物快速恢复,并显著降低梗死面积的变异性。此外,离体工作心脏模型中的心脏功能分析可提供有价值的血流动力学结果。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢生物医学研究中心手术室团队和技术人员所做出的贡献、提供的技术支持以及宝贵的意见和建议。本项目由路德维希·玻尔兹曼研究所心血管研究集群(REM项目)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>麻醉 &镇痛 | |||
| 异氟烷 | 硕腾 | TU061219 / 8-00487 | |
| 氯胺酮 | Dr. E. Gräub AG | 100 mg/kg 体重 | |
| 匹瑞他米 | Hameln-Pharma Plus GmbH | 2 支安瓿瓶,每支含 30 ml 葡萄糖 5% 水溶液,溶于 250 ml 水中 | |
| 赛拉嗪 | 拜耳 | 4 mg/kg 体重 | |
| <强>插管术 | |||
| 空气 | |||
| 氧气(纯) | |||
| 呼吸机 | Hugo Sachs Electronics | UGO Basile S.R.L. | 呼吸器 |
| 14号导管 | 迪金森公司 | BD Venflon | |
| <强>样品制备 | |||
| 抗菌性聚维酮碘溶液 | Mundipharma | Betaisodona 溶液 | |
| 眼膏 | Fresenius Kabi 奥地利 | 含维生素A和泛醇的Oleovital | |
| 夏弗 | |||
| <强>外科手术器械 | |||
| 解剖镊子 | Martin | 12-272-15 | |
| 小型解剖镊 | Martin | 24-386-16 | |
| 解剖镊子 细型 | Odelga | RU4042-15 | |
| 精细电灼头 | 高温 | bvi-Accu-Temp | |
| 小杯(用于液体) | Martin | 56-231/11 | |
| 门苏尔 | MTI | 29-260/25 | |
| 蚊式钳 | MTI | 05-055/12 | |
| 持针器短款 | Martin | 20-658-14 | |
| 持针器细型 | Martin | ||
| 圆钩 | BT-190 | ||
| 3号手术刀柄 | Swann Morton | 10号,0301 | |
| 用于组织制备的剪刀 | Aesculap | BC259R | |
| 锋利的剪刀 | MTI | 01-010/10 | |
| 小型拉钩 | Alm | AM.416.10 | |
| 显微外科镊 | Martin | 12-321-13 | |
| 手术剪 | |||
| <强>缝合线 | |||
| PermaHand Silk 4-0 | Johnson & Johnson 医疗产品有限公司德国分公司 | K891H | |
| Vicryl 4-0 | Johnson &强生医疗产品有限公司 | JV2024 | 单股单丝缝线 |
| Vicryl 6-0 | Johnson &强生医疗产品有限公司德国分公司 | V301G | 聚乙烯缝合线 |
| <强>计算机程序 &和仪器 | |||
| Labchart 7 Pro | ADInstruments | v7.3.2 | Labchart 软件 |
| PowerLab 系统 | ADInstruments | Powerlab 8/30 | |
| <强>离体血流动力学 | |||
| Narcomatic RT-500 流量计 | Narco Bio-Systems | 流量探头 | |
| 离体心脏装置 | Hugo Sachs Electronics | ||
| Labchart 7 Pro | ADInstruments GmbH | v7.3.2 | Labchart 软件 |
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| 通过动物生物放大器使用的针电极 | ADInstruments GmbH | MLA1203 | |
| 生理压力传感器(MLT844)配可夹式血压膜片 | ADInstruments GmbH | MLT844 | |
| PowerLab 系统 | ADInstruments GmbH | Powerlab 8/30 |