本方案描述了一种利用压力-容积导纳技术测量左心室压力和容积的方法。该方法可实现对药物对心脏作用的连续实时监测。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
心脏功能下降可能对其他器官产生不利影响。左心室压力-容积关系被认为是评估心脏功能的有效方法。实时监测心脏功能对于药物评价具有重要意义。在闭胸条件下，压力-容积导管的重要组成部分——微型传感器，经由大鼠的右颈动脉进入左心室。该设备以压力-容积环的形式直观显示实验过程中心脏功能的变化。通过向大鼠左颈静脉注射50 µL 20%的氯化钠溶液，改变血液导电性，从而计算心室的实际容积。利用压力-容积导纳导管测量已知体积下血液的导电性，可计算出大鼠心室腔的实际容积。本方案可连续观察药物对心脏的影响，有助于推动特色民族药物在心血管疾病中的合理应用。
引言
心血管疾病是全球死亡率最高的疾病1。其病因包括冠状动脉狭窄（心肌缺血）、冠状动脉阻塞（心肌梗死）以及缺血-再灌注损伤2。由于心脏持续进行收缩与舒张循环，是体内能量需求最高的器官之一。因此，当冠状动脉难以维持足够的能量和氧气供应时，心脏功能不可避免地会下降，进而对其他器官产生负面影响3,4。心脏是循环系统的动力核心，必须对心脏功能进行科学合理的评估。
通过心室压力与容积关系评估心脏功能被认为是一种全面的方法5。在整个心动周期中，心室压力和容积的实时变化构成了压力-容积环。心室压力-容积环可对心脏功能及储备能力进行定量分析，涵盖心室的不同工作阶段和能量状态。正常心室具有较小的收缩末期容积，并表现出良好的每搏做功和效率5,6,7。
压力-容积导纳导管技术是一种用于检测左心室状态的侵入性方法，可连续实时获取压力-容积环8。 压力容积导纳导管是功能强大的工具，为获得可重复且可靠的结果，规范的操作流程至关重要，包括在盐水校准过程中进行in vivo心肌并联导纳分析，以及在比色杯校准中进行in vitro血液导纳测定3。
阿魏酸（FA）是一种酚酸，广泛分布于植物界，如 Avena sativa 和 Ligusticum chuanxiong hort9，10。阿魏酸具有降低血压和抗心律失常的药理作用，是一种具有多种功能的生物活性天然产物。阿魏酸能够抵抗氧化损伤、减轻炎症反应、抑制血小板聚集，并预防冠心病和动脉粥样硬化11。然而，目前关于阿魏酸的大多数研究主要集中在心脏的某一方面，极少评估其在循环系统中的整体作用12，13，14，15。本文描述了一种闭胸法，结合使用异氟烷麻醉与氯胺酮（50 mg/kg），重点观察在颈静脉注射过程中阿魏酸溶液对心脏反应的影响。
我们将描述在闭胸条件下使用该工具的完整操作流程，包括溶液配制、换能器准备、实验前大鼠准备、导管插入右颈动脉以及数据分析。实验持续时间通常少于4小时，具体时长取决于不同的实验方案。在一次实验中，我们可获得诸如左心室压力、容积和心率等详细的心脏功能信息。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
动物实验方案经成都中医药大学实验动物福利伦理委员会审查并批准（记录编号：2023-04）。本研究采用雄性Sprague Dawley（SD）大鼠（体重280 ± 20 g，8–10周龄）。大鼠饲养于动物饲养室，可自由饮水和进食。
1. 溶液配制
- 制备0.9% NaCl溶液，用于保持工作区域充分湿润。
- 配制20%高渗NaCl溶液：将2 g NaCl溶解于10 mL双蒸水（ddH2O）中。为测定心肌的平行电导率，需改变心室内液体的电导率。
- 配制1%酶活性粉状洗涤剂溶液。实验结束时使用该溶液，将压力-容积电生理导管浸入其中1–2小时。
- 通过将10 mg阿魏酸溶解于20 mL双蒸水（ddH2O）中配制FA溶液。用0.22 µm滤膜过滤该溶液。按1 mL/kg剂量向大鼠注射阿魏酸溶液。
2. 传感器的制备
- 实验开始前约30-60分钟，将压力-容积传感器浸入37 °C的0.9% NaCl溶液中，以确保实验数据的稳定性。
- 连接实验装置。压力-容积环测量系统由压力-容积导管、两个控制单元、一个记录单元和运行软件的计算机组成。软件中的压力-容积环模块将提供参考实验流程。
- 按下开始按钮，软件将自动记录来自压力-容积传感器的监测数据。
- 使用Miro-Tip压力-容积（MPVS）软件校准压力和导电性。
3. 实验前大鼠准备
- 通过肌肉注射给予大鼠氯胺酮（50 mg/kg）和芬太尼（0.25 mg/kg）5。
- 轻捏大鼠脚趾，通过检查反射是否消失来确认麻醉深度。情绪会影响大鼠的生理状态，而疼痛会引起心脏功能的改变16。使用小型动物剃毛器和脱毛膏去除手术部位的毛发，再用碘伏和75%酒精擦拭皮肤以维持无菌状态。
- 将完全麻醉的大鼠固定在等温加热板上，使其背部与加热板接触。
- 将涂有凡士林的温度探头插入大鼠直肠，通过调节加热板将大鼠体温维持在37 °C ± 0.5。
注意：实验过程中必须保持呼吸道通畅。
4. 将导管插入右侧颈总动脉
- 沿大鼠颈部中线右侧纵向切开皮肤，做一条4厘米长的切口，用镊子分离肌肉和结缔组织。可见位于气管右侧的颈动脉。大鼠右侧颈动脉呈深红色，搏动明显，并有一条白色迷走神经与其平行。
- 用镊子将颈动脉与其他组织和神经分离。在洁净的颈动脉下方放置三条5-0外科缝线。向手术区域滴加无菌0.9%氯化钠溶液，以保持颈动脉湿润。
- 切割 左锁骨上方的皮肤切开，剥离颈静脉周围的组织。然后，在左颈静脉下方放置一根5-0外科缝线。
- 使用动脉夹在近端阻断血流，用显微剪刀在血流停止的血管部位剪开一段。切口横截面出现少量血液属正常现象。若血液正快速且间歇性地从血管流出，应抬起近端手术线，重新放置动脉夹。
- 从颈动脉横断面将导管插入并深入至左心室。确保导管进入左心室后，最低的收缩压值接近 0 mmHg。
- 为获得合理的压力-容积关系，可轻微调整心室腔内压力-容积导管的位置。为防止大量失血及导管因心跳而移位，需结扎手术线的近端。
注意：在此过程中，应保持大鼠的体温、麻醉水平、压力信号和导纳信号稳定，并保持其呼吸道通畅。
5. 药物注射与电导率校准
- 保持压力容积导管在心室腔内的位置，待数据稳定后，结扎颈静脉结扎处远端的手术线，并缓慢注射最多1 mL/kg的阿魏酸溶液。观察5-10分钟。
- 从左侧颈静脉注入50 µL的20% NaCl溶液，以消除心肌产生的并联导电性。并联导电性的容积范围约为130–280 µL5重复此步骤3次，每次间隔2 min。
- 在大鼠心室压力和容积检测完成后，使用采血针从大鼠腹主动脉采集血液。将采集的血液置于含钠肝素的采血管中，并上下颠倒混匀2次，以防止血液凝固。通过以下方式处死实验大鼠： 通过左侧颈静脉注射120 mg/kg的戊巴比妥钠。
- 使用大鼠容积校准管将测得的电导值转换为实际血容量。依次将混有肝素钠的血液注入校准管的不同孔口，导管检测各孔口内血液的电导值，并将数据记录在压力-容积监测模块中。
6. 数据分析
- 通过将已知体积血液的测量电导率值输入指定位置，软件会自动绘制曲线并外推血液的电导率。使用至少三组血液电导率值，推算待测大鼠的血液电导率。血液电导率具有个体差异性，对每只待测大鼠均需单独执行此步骤。
- 高渗校准：将三次注射高渗盐水所获得的数据输入指定位置后，软件将计算并联电导平均值，并自动校准实验数据。
- 选择血压和电导值稳定的区域，用于分析大鼠左心室功能。
- 点击 分析，软件将根据所选区域自动计算多种参数，包括 EF（左心室射血分数）、SW（每搏功）和 CO（心输出量）等。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
每次测试（n = 3）均基于压力-容积导电导管进入左心室的过程。当导管从颈动脉进入左心室时，会出现显著的信号变化，例如压力范围明显增大（图1）。通过将容积（µL）绘制在Y轴、压力（mmHg）绘制在X轴，完成压力-容积关系的图形分析。大鼠左心室压力范围为10–105 mmHg，容积的导纳值范围为65–115 µL。
完整的心动周期由逆时针方向的压力-容积环构成（图2）。给予大鼠阿魏酸后，其心脏功能出现显著变化（图3）。大鼠左心室压力范围为0–85 mmHg，容积的导纳值范围为30–100 µL。
如图4所示，当将高渗盐水注入大鼠颈静脉时，左心室压力-容积环会发生变化。由于在心室腔内对压力和导电性信号进行了直接测量，通过左颈静脉注射高渗盐水可导致导电性数值升高。通过多次测量导电性数值的变化，可消...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
针对不同的心功能状态，必须采用合理的给药策略。压力-容积导管技术是研究左心室功能最直观的方法5。该方法能够从整体角度研究药物对心功能的影响。本文详细描述了实验的各个阶段，将为心脏功能研究提供一定便利。
压力-容积导管技术是最全面且严谨的方法。单次实验可获取多达30项指标的信息，包括绝对值（压力和容积）和相对值（射血分数），甚至某些药物代谢相关信息。
在整个实验过程中，大鼠的体温维持在 37 °C ± 0.55。实验期间应尽量减少大鼠的失血量5。实验过程中应记录大鼠的血容量17。
压力-容积导纳导管技术可实现对心室状态的实时检测18。该技术在研究单一药物或药物组合对心脏作用方面具有重要价值。导纳导管可直接测量左心室的压力和导纳值，其结果与...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明，本研究是在不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
致谢
本工作由四川省重大研发项目资助。&D项目（2022YFS043）和成都中医药大学青年基金提升人才专项项目（QJJJ2022029）。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 mL 注射器 | Sartorius AG, Germany | - | |
| 动物体温维持仪 | Rayward Life Technology Co., Ltd | 69020 | |
| 双通道生物放大器 | Millar, Inc., USA | DA-100 | |
| 酶活性粉状洗涤剂 | Alconox Inc., USA | 1104 | |
| 阿魏酸 | Macklin Biochemical Co., Ltd,Shanghai, China | F900027 | |
| Mikro-Tip 导管换能器，SPR-838NR | Millar, Inc., USA | SPR-838NR | |
| Millar Miro-Tip 压力-容积（MPVS）超高效系统 | Millar, Inc., USA | SPR-869 | |
| 宠物电动剃毛器 | Jinyun County New Concept Home Supplies Co., Ltd. | - | |
| Power Lab 8 / 35 | Millar, Inc., USA | PL3508 | |
| 氯化钠，NaCl | Kelong Chemical Reagent, Chengdu, China | KX829463 | |
| 薇婷脱毛膏 | 上海松骐电子商务有限公司 | 3226470 |
参考文献
- Zaman, R., Epelman, S. Resident cardiac macrophages: Heterogeneity and function in health and disease. Immunity. 55 (9), 1549-1563 (2022).
- Schefold, J. C., Filippatos, G., Hasenfuss, G., Anker, S. D., von Haehling, S. Heart failure and kidney dysfunction: epidemiology, mechanisms and management. Nat Rev Nephrol. 12 (10), 610-623 (2016).
- Medert, R., Bacmeister, L., Segin, S., Freichel, M., Camacho Londoño, J. E. Cardiac response to β-adrenergic stimulation determined by pressure-volume loop analysis. J Vis Exp. (171), e62057(2021).
- Hieda, M., Goto, Y. Cardiac mechanoenergetics in patients with acute myocardial infarction: From pressure-volume loop diagram related to cardiac oxygen consumption. Heart Fail Clin. 16 (3), 255-269 (2020).
- Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Bátkai, S., Kass, D. A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and rats. Nat Protoc. 3 (9), 1422-1434 (2008).
- Ziegler, T., Laugwitz, K. L., Kupatt, C. Left ventricular pressure volume loop measurements using conductance catheters to assess myocardial function in mice. Methods Mol Biol. 2158, 33-41 (2021).
- Rosch, S., et al. Characteristics of heart failure with preserved ejection fraction across the range of left ventricular ejection fraction. Circulation. 146 (7), 506-518 (2022).
- Meyers, T. A., Townsend, D. Early right ventricular fibrosis and reduction in biventricular cardiac reserve in the dystrophin-deficient mdx heart. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 308 (4), H303-H315 (2015).
- Alaerts, G., et al. Exploratory analysis of chromatographic fingerprints to distinguish rhizoma Chuanxiong and rhizoma Ligustici. J Chromatogr A. 1217 (49), 7706-7716 (2010).
- Serreli, G., et al. Ferulic acid derivatives and Avenanthramides modulate endothelial function through maintenance of nitric oxide balance in HUVEC cells. Nutrients. 13 (6), 2026(2021).
- Li, D., et al. Ferulic acid: A review of its pharmacology, pharmacokinetics and derivatives. Life Sci. 284, 119921(2021).
- Monceaux, K., et al. Ferulic acid, Pterostilbene, and Tyrosol protect the heart from ER-stress-induced injury by activating SIRT1-dependent deacetylation of eIF2α. Int J Mol Sci. 23 (12), 6628(2022).
- Liu, Z., et al. N-terminal truncated peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α alleviates phenylephrine-induced mitochondrial dysfunction and decreases lipid droplet accumulation in neonatal rat cardiomyocytes. Mol Med Rep. 18 (2), 2142-2152 (2018).
- Sun, Y., et al. Shuangxinfang prevents S100A9-induced macrophage/microglial inflammation to improve cardiac function and depression-like behavior in rats after acute myocardial infarction. Front Pharmacol. 13, 832590(2022).
- Panneerselvam, L., et al. Ferulic acid attenuates arsenic-induced cardiotoxicity in rats. Biotechnol Appl Biochem. 67 (2), 186-195 (2020).
- Hsueh, B., et al. Cardiogenic control of affective behavioural state. Nature. 615 (7951), 292-299 (2023).
- Townsend, D. Measuring pressure volume loops in the mouse. J Vis Exp. (111), e53810(2016).
- Bastos, M. B., et al. Invasive left ventricle pressure-volume analysis: overview and practical clinical implications. Eur Heart J. 41 (12), 1286-1297 (2020).
- Wang, L. Y., et al. Effects of ferulic acid on antioxidant activity in Angelicae Sinensis Radix, Chuanxiong Rhizoma, and their combination. Chin J Nat Med. 13 (6), 401-408 (2015).
- Liu, Z., et al. Ferulic acid increases intestinal Lactobacillus and improves cardiac function in TAC mice. Biomed Pharmacother. 120, 109482(2019).
- Baan, J., et al. Continuous measurement of left ventricular volume in animals and humans by conductance catheter. Circulation. 70 (5), 812-823 (1984).
- Dam Lyhne, M., et al. Effects of mechanical ventilation versus apnea on bi-ventricular pressure-volume loop recording. Physiol Res. 71 (1), 103-111 (2022).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
