利用经胸多巴酚丁胺应激超声心动图揭示小鼠心脏功能的细微变化

摘要

左心室功能障碍是多种心脏疾病的共同终末通路。本文提供了一种经胸多巴酚丁胺负荷超声心动图技术的详细方案，用于全面评估心脏疾病小鼠模型的左心室功能及心脏表型。

摘要

左心室（LV）功能障碍是多种心脏疾病发展的最终通路。通过在人体中应用无创高频经胸多巴酚丁胺负荷超声心动图，现已能够采用还原论的研究方法揭示心脏功能的细微变化。本文提供了一种在小鼠中应用该技术的实验方案，以促进对生理和病理状态下左心室结构与功能的深入分析，从而观察在非应激心脏中难以发现的心脏疾病模型中的功能改变。该检测可在同一只动物身上重复进行，既可获取基础状态下的数据，也可获得药物诱导应激状态下的测量结果。我们详细阐述了合适的麻醉标准、基于影像的左心室分析方法、对观察者内和观察者间变异性的考量，以及在接近生理条件下经腹腔注射多巴酚丁胺后小鼠体内可实现的正性肌力反应的获取方法。为了在小型动物模型中重现人类生理与疾病的特征，我们强调了评估过程中需注意的关键陷阱，例如小鼠中显著的博维奇效应（Bowditch effect）。为进一步实现转化研究目标，我们比较了人类与小鼠在应激诱导效应上的异同。在开展转化研究时，必须关注小鼠与人类之间的生理差异。由于小鼠模型在空间和时间分辨率方面的限制，实验严谨性要求对患者中常用的某些评估参数在小鼠中使用时必须谨慎对待。

引言

人类许多心脏疾病的特征是左心室（LV）的收缩和/或舒张功能受损。为了检测结构异常、诊断和管理收缩性心力衰竭，以及评估心力衰竭症状患者的舒张功能，超声心动图被用作一种基本的评估手段。

由于症状缺乏特异性，且超过三分之一具有心力衰竭临床综合征的患者实际上可能并未罹患心力衰竭，因此寻找与患者临床表现相对应的客观超声心动图指标至关重要。¹此外，某些在静息或静态状态下隐匿的症状可能在活动或应激条件下出现。在冠状动脉疾病患者中，冠状动脉灌注的轻微改变即可导致节段性室壁运动异常。然而，这些细微变化无法通过常规超声心动图进行评估，因为心脏病变的改变可能在无应激状态下被掩盖。为了更深入地理解心脏的生理病理状态，应激超声心动图可在运动或药物诱导的应激条件下对心肌结构和功能进行动态评估，从而实现症状与心脏发现的对应分析²此外，在小型动物中，该方法是一种非侵入性的可靠方法 体内工具^3,4,5与人类相似，可通过药物在小鼠和大鼠中诱导心肌的应激反应。多巴酚丁胺是一种常用药物，多巴酚丁胺应激超声心动图在人类中被广泛应用。⁶

方案

所有方法和操作均按照相关法规（《用于实验和其他科学目的的脊椎动物保护欧洲公约》（指令 2010/63/EU））进行，并符合动物护理的机构指南。人类受试者的数据分析符合所有机构、国家和国际人类福利指南，并已获得当地伦理委员会批准（20-9218-BO）。所有实验均使用 12 周龄的雄性 C57BL/6JRj 小鼠进行。

1. 材料与仪器的准备

注意：图1 展示了一个小动物超声工作场所的示例。

1. 确保在安静且光线可调的受控环境中操作。
2. 预热超声耦合剂，例如使用耦合剂加热器，使其升温至 37 °C。此过程可能需要一定时间。
3. 使用消毒湿巾清洁所有器械，包括平台。
4. 开启平台并预热至 37 °C。
5. 打开超声成像设备，输入动物编号、实验方案编号及其他相关信息。对体重约为 30 g 的小鼠，使用中心发射频率为 30 MHz 的高频超声探头。
6. 务必使用活性气体排出系统。
   注意：若使用活性炭过滤器吸附呼出气流中的异氟烷，需定期检查滤芯重量，当达到规定的最大增重时应及时更换。
7. 必要时，向蒸发器中加入适量异氟烷。
   警告：避免吸入挥发性麻醉剂。
8. 通过稀释现成的注射液或按照生产商说明将多巴酚丁胺盐酸盐粉末溶于 ....

结果

在PSLAX切面下获取的生理状态下无应激的超声心动图图像如图3所示。在舒张期，心室壁表现均匀（图3A），并出现一定程度的增厚（图3B、C）。腹腔注射5 µg/g体重剂量的多巴酚丁胺可显著提高心率（正性变时效应）¹² 和左心室射血分数（LVEF）（正性肌力效应）（图3，图6）。正性肌力效应在图3D–F中表现为左心室前壁在舒张期（LVAWd）增厚，收缩期（LVAWs）增厚更为明显，以及左心室后壁在舒张期和收缩期（LVPWd；LVPWs）均增厚（图3D.......

讨论

在临床环境中，通常通过运动试验或药物负荷试验对人类进行应激状态下心脏功能的评估^6,7。由于小鼠在运动后需进行镇静，导致其运动后即刻超声心动图检查受到极大限制，因此多巴酚丁胺诱导的负荷超声心动图可能是评估应激相关心脏生理病理变化最具转化价值的方法。在最终评估中，可通过实时压力-容积分析获得关于心脏功能的可靠信息²³。超声心动图可提供长期观察的重要信息，因而也进一步符合3R原则（替代、减少、优化）的要求。

在患者中，应激超声心动图最常见的用途是检测室壁运动异常和心肌存活性，以及评估心脏瓣膜疾病，其重要性已在近期指南中指出^24,25。然而，这些应用仅是心功能衰竭病理生理学拼图中的一部分。因此，我们认为，在临床前研究中采用药物应激试验将有助于揭示疾病模型和心脏表型分析中心脏功能的潜在且细微的变化。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
活性炭过滤器	UNO BV	180000140	http://www.unobv.com/Rest%20Gas%20Filters.html
Aquasonic 100 超声传导凝胶	Parker Laboratories	001-02	https://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp
化学脱毛乳液	General Supply	-
棉签	General Supply	-
ddH2O	General Supply	-
多巴酚丁胺	Carinopharm	71685.00.00	https://www.carinopharm.de/stammsortiment/#103
实验动物麻醉用流量计	UNO BV	SF3	http://www.unobv.com/Flowmeters.html
气体排气装置	UNO BV	-	http://www.unobv.com/Gas%20Exhaust%20Unit.html
加热灯	Philips	-
诱导麻醉箱	UNO BV	-	http://www.unobv.com/Induction%20box.html
医用锐器盒	BD	305626	https://legacy.bd.com/europe/safety/de/products/sharps/
MX400 超声换能器（20–46 MHz）	VisualSonics	MX400	https://www.visualsonics.com/product/transducers/mx-series-transducers
Octenisept 消毒剂	Schuelke	173711	https://www.schuelke.com/de-de/produkte/octenisept.php
Omnican F 注射器（带针头，1 mL）	B. Braun	9161502S	https://www.bbraun.de/de/products/b60/omnican-f.html
纸巾	General Supply	-
Signacreme 电极导电膏	Parker Laboratories	017-05	https://www.parkerlabs.com/Signacreme.asp
标准纱布垫	BeeSana Meditrade	4852728	https://www.meditrade.de/de/wundversorgung/verbandstoffe/beesana-mullkompresse/
Thermasonic 凝胶加热器	Parker Laboratories	82-03-20 CE	https://www.parkerlabs.com/thermasonic_apta_sbp.asp
Transpore 胶带	3M	1527NP-0	https://www.3mdeutschland.de/3M/de_DE/unternehmen-de/produkte/~/3M-Transpore-Fixierpflaster/
Vaporizer Sigma Delta 麻醉蒸发器	UNO BV	-	http://www.unobv.com/Vaporizers.html
Vevo 3100 高频临床前超声成像系统	VisualSonics	Vevo3100	https://www.visualsonics.com/product/imaging-systems/vevo-3100 * 所需软件包：心血管软件包；B 模式、M 模式、脉冲波多普勒模式
集成导轨系统、加热平台及生理监测单元的 Vevo 成像工作站	VisualSonics	-	https://www.visualsonics.com/product/accessories/imaging-stations
VevoLab 分析软件	VisualSonics	版本 3.2.5	https://www.visualsonics.com/product/software/vevo-lab *所需软件包：Vevo Strain、左心室分析