本方案允许通过导管插入术和三维血管造影术对静脉顺应性和扩张性进行体内定量分析,作为一种可存活的手术方法,具有多种潜在应用价值。
方法文章
* These authors contributed equally
本方案允许通过导管插入术和三维血管造影术对静脉顺应性和扩张性进行体内定量分析,作为一种可存活的手术方法,具有多种潜在应用价值。
合成血管移植物克服了同种异体移植物、自体移植物和异种移植物的一些挑战,但通常比植入的天然血管更僵硬且顺应性更低。与天然血管的顺应性匹配正成为移植物成功的关键特性。目前评估血管顺应性的金标准是通过切除血管并进行ex vivo双轴力学测试。我们开发了一种in vivo方法来评估静脉的顺应性和可扩张性,该方法更能反映自然生理状态,并考虑了血流引起的压力变化以及存在的任何形态学改变的影响。
该方法设计为一种存活手术,旨在促进纵向研究,同时可能减少动物使用量。我们的方法包括向静脉血管注射20 mL/kg的生理盐水推注,随后获取推注前和推注后的三维血管造影图像,以观察推注引起的改变,同时测量目标区域的血管内压力。随后,我们能够测量血管在推注前和推注后的周长及横截面积。
根据这些数据和血管内压力,我们能够使用特定方程计算顺应性和扩张性。该方法被用于比较未经手术的绵羊下腔静脉与植入长期扩聚四氟乙烯(PTFE)移植物的绵羊静脉导管的顺应性和扩张性。结果发现,在所有测量位置,天然血管的顺应性和扩张性均优于PTFE移植物。我们得出结论:该方法可安全地提供静脉顺应性和扩张性的in vivo测量结果。
存在严重心脏畸形的患者需要接受重建手术。大多数重建手术需要使用包括血管移植物在内的假体材料。可用于连接缺损区域的管道包括合成材料或生物材料。最初,同种异体移植物曾被用作Fontan手术的管道,但由于钙化和急性期事件的发生率较高,目前已不再使用1。目前采用的是由无机聚合物制成的合成血管移植物。这些移植物仍存在挑战:其顺应性低于被植入的天然血管,并可能引发长期并发症,例如狭窄、闭塞和钙化1,2,3,4,5。
合成血管移植物的结构赋予其较高的机械抗张强度,导致其顺应性 invariably 低于天然组织2。血管顺应性定义为血管在压力变化下体积的变化,是衡量血管对机械负荷响应能力的指标。移植物材料与天然血管特性之间的差异会导致顺应性不匹配,这种现象已被证实会扰乱血流模式,导致再循环区和流动分离2,6,7,8,9。该现象改变了内皮壁上的剪切应力,并诱发内膜增生2,7,8,9。此类反应可能导致移植物相关并发症,需进行移植物更换或再次干预6。
由于血管顺应性在决定移植物预后中起关键作用,因此准确测量该特性至关重要。目前测量血管顺应性的金标准是 离体 管状材料双轴力学测试。该方法包括切除目标移植物或血管,将其连接至乳胶管,并加压以评估在不同压力下周向应力-拉伸行为。通过将压力与内径测量值进行比较,确定其顺应性。10。然而, 离体 方法存在一些缺点。在评估植入移植物功能时使用 离体 方法上,牺牲动物并取出移植物是必需的,这使得无法进行长期观察。因此,我们开发了一种 体内 合规性测量方案
本课题组致力于开发用于单心室心脏畸形Fontan手术的组织工程血管移植物(TEVGs),以改善先天性心脏病左心发育不全综合征(HLHS)的治疗效果。近年来,先天性心脏外科领域的进展显著改善了术后预后,使患者预期寿命延长。这使得植入血管通路的长期性能和成功率变得愈发重要。目前尚无HLHS的动物模型,因此我们采用加速型大型动物下腔静脉(IVC)移植移植物模型来评估所开发的移植物。尽管该模型并未模拟Fontan循环的血流模式,但能有效重现其独特的血流动力学环境。我们近期应用该in vivo实验方案的研究表明,与传统的膨体聚四氟乙烯(PTFE)移植物相比,我们的TEVG在移植物顺应性方面存在显著差异11。由于此前的研究未聚焦于方法学细节,我们随后开展了额外实验,以详细阐述这一新型in vivo实验方法。
我们在多塞特绵羊实验动物中植入了目前作为治疗标准的合成移植物,该移植物由膨体聚四氟乙烯(PTFE)制成,并将其与未经手术干预的对照组动物的天然下腔静脉(IVC)进行比较。本方案在植入PTFE管道后5至7年的PTFE组以及不同年龄的未手术对照动物上实施。因此,在后续描述方案及代表性结果的部分中,我们偶尔会将感兴趣区域称为例如下腔静脉移植段的移植物中段(midgraft)区域。
本方案使我们能够分析 体内 PTFE 血管移植物与天然静脉的顺应性比较。我们选择将临床标准材料 PTFE 与未手术的天然静脉进行对比。我们选取了长期时间点进行比较,因为已知 PTFE 血管移植物在长期情况下始终缺乏顺应性,且易于发生钙化,进一步降低其顺应性。11我们选择在体内进行所有比较,因为通过体内方法获得的测量结果能够准确反映全身血流动力学的变化。通过该比较,我们发现该方案能够证实聚四氟乙烯(PTFE)的非顺应性,并获得相关测量数据 体内 以安全且可重复的方式测量静脉顺应性。该方法已在一项已发表的研究中成功应用,以证明聚四氟乙烯(PTFE)导管与组织工程血管移植物(TEVGs)之间具有统计学显著差异。 体内11.
本方案的总体目标是利用在绵羊大型动物模型中通过可存活手术获得的体内测量数据,计算胸段下腔静脉的顺应性和扩张性。为此,我们对液体推注引起的胸段下腔静脉周长和横截面积的变化进行了可视化和测量。同时记录血管内的压力变化,并利用这些测量值计算顺应性和扩张性。采用三维血管造影成像技术为我们提供了多项优势,包括能够在图像采集后调整观察视角,以确保测量数据来自静脉的横截面,同时还可沿血管在多个位置进行测量。本研究关注的三个区域分别为移植物中段、聚四氟乙烯(PTFE)移植物的两个邻近吻合口部位,以及自体下腔静脉的对应区域。通过在体内开展实验,可评估移植物在真实血流环境以及周围组织和器官存在条件下的功能表现。通过该方法获得的测量结果被认为能够反映移植物在活体生物中的实际功能状态。
该方案分为六个主要部分,包括绵羊术前准备、导管插入、采集基线前团注数据、采集研究数据、动物恢复以及数据分析。在动物准备部分,我们讨论了镇静、麻醉诱导以及导管插入过程中所用监测设备的安置。在第二部分中,我们解释了为获取数据所需放置的两个导管鞘的操作过程。在本方案中,两个导管鞘均置于右侧颈内静脉(IJV),以便将两根多道导管引入血管。其中一根导管将置于目标区域以记录压力变化,另一根则置于静脉较低位置用于对比剂注射。导管放置到位后,采集基线前团注三维血管造影图像作为对照。研究数据采集始于在加压袋系统中配制生理盐水团注液并进行给药,同时记录血管内压力,并采集团注后的三维血管造影图像。随后,我们描述了方案完成后促进绵羊恢复的操作流程。最后,我们讨论了如何获得合适的图像及横截面测量数据,以进行分析和统计比较。
本研究方案已获得全美儿童医院艾比盖尔·韦克斯纳研究所机构动物护理与使用委员会(AR22-0004)的批准。所有动物均按照美国国立卫生研究院发布的《实验动物护理与使用指南》接受人道护理。
1. 动物准备
2. 导管插入术

图1:控制面板。(A)三维血管造影系统控制面板 (B)透视脚踏板 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:动物插管术。 (A)准备进行插管的关键手术部位。(B)用于观察右侧颈内静脉的技术(黑色箭头)。(C)通过右侧颈内静脉置入两根多道血管造影导管(蓝色箭头:移植物内压力测量;红色箭头:向腹部下腔静脉注射造影剂;白色箭头:硬导丝)。缩写:IVC = 下腔静脉(inferior vena cava)。 请点击此处查看此图的放大版本。
3. 收集预实验数据

图3:C型臂定位与运动范围。(A)手术开始前的羊只体位;(B)三维血管造影程序的第一个位置;(C)C型臂在xy轴方向移动;(D)C型臂在z轴方向移动;(E)C型臂完成全范围旋转测试。 请点击此处查看本图的放大版本。
4. 输注生理盐水推注并采集数据
5. 恢复
6. 数据分析
(1)
(2)
图4:在DICOM查看器中进行数据分析。(A)将三维血管造影的原始数据载入DICOM查看器。(B)移植物的矢状面切片。(C)冠状面切片。(D)在调整矢状面和冠状面切片的角度后,可观察到真实的横截面。(E)使用铅笔工具勾画目标血管轮廓,以进行周长和横截面积的测量。请点击此处查看该图的放大版本。
我们已成功对超过25只绵羊实施了该手术操作。重要的是,未出现与该操作相关的任何发病率或死亡率事件,所有绵羊均顺利康复。这些代表性结果来自3只植入PTFE移植物的绵羊和3只未经手术的正常绵羊。 图5 提供了实验过程中从两组研究动物体内测得的血管内压力值。这些数值不仅对顺应性和扩张性计算至关重要,还可用于证明本方案的安全性,因为我们使血管内压力的变化始终低于15 mmHg。

图5:顺应性和扩张性计算中使用的血管内压力。(A)在推注给药过程中,于移植物中段或相应原生血管区域测得的绝对血管内压力的图示。(B)各实验动物血管内压力变化的汇总表。这些数值用于计算顺应性和扩张性。请点击此处查看该图的放大版本。
图6A、B 是原生组和聚四氟乙烯(PTFE)组中DICOM查看器测量结果的代表性图像。该图显示了原生绵羊血管在团注刺激下出现的周长变化,而PTFE组中未观察到此类变化。根据测量数据,我们计算了顺应性和扩张性,结果如图6C所示。这些数值随后被绘制成图并进行统计分析。原生绵羊血管与PTFE血管之间的顺应性和扩张性比较表明,原生血管比PTFE移植物更具顺应性和扩张性。所观察到的差异均趋于统计学显著性,其中仅远端顺应性和近端顺应性比较达到统计学显著性(p < 0.05)。

图6:代表性结果。(A)在注射造影剂前后,于DICOM查看器中测量的天然血管周长的代表性图像。在DICOM查看器中勾画出血管周长轮廓(绿色)。周长和横截面积数值(绿色框内文字)由DICOM查看器自动生成。(B)在注射造影剂前后,于DICOM查看器中测量的聚四氟乙烯(PTFE)移植物周长的代表性图像。在DICOM查看器中勾画出周长轮廓(绿色)。周长和横截面积数值(绿色框内文字)由DICOM查看器自动生成。(C)每只实验动物在各血管位置计算出的顺应性和扩张性数据表。负的顺应性和扩张性数值被调整为零。(D)顺应性和扩张性数据的图示。所有统计比较前均进行数据正态性检验。采用非配对Student t 检验分析顺应性和扩张性数值,除远端顺应性外,其余测量均应用Welch校正。天然血管组的远端和近端顺应性值均显著高于PTFE组(远端:p = 0.0485,近端:p = 0.0247)。两组间的中段移植物顺应性差异无统计学意义,但天然血管中段的顺应性始终高于PTFE移植物。缩写:PTFE = polytetrafluoroethylene。请点击此处查看该图的放大版本。
顺应性和扩张性是血管功能的关键属性,可作为潜在并发症和干预措施的指标。精确量化和比较这些参数的变化对于评估移植物的有效性至关重要。我们的 体内 方法克服了局限性 离体 分析并保持结果的可比性。比较我们的 体内 数据到 离体 Blum 等人提供的数据显示,两种方法均能明显区分目标合成移植物材料与天然静脉10我们的统计显著性受限于样本量较小。尽管他们关注的是不同的移植物导管,但我们发现就数据输出而言,这些实验方案在科学上具有可比性, 体内 该方法因前述原因更为可取。
该操作中的若干关键步骤需要特别注意,尤其是导管插入和团注给药过程。如果静脉通路建立困难,调整绵羊头部角度或使用体位辅助装置可能会有所帮助。使用导丝可有助于将JR导管准确放置到目标区域。另一个关键步骤可能出现在因需要大剂量团注而更换生理盐水袋时。此时快速更换至关重要,以避免明显的血管内压力波动。为避免这一问题,我们预先准备了两袋体积完全符合需求的生理盐水,并通过三通阀将两者均连接至鞘管。在开始团注前,我们对两袋生理盐水均进行加压,从而缩短从一袋切换到另一袋时的流动过渡时间。必须保持高效的时间管理,因为麻醉时间延长可能对绵羊的术后恢复产生不利影响。
在启动方案之前,必须测试C型臂的活动范围。测试C型臂时,应确保其能够准确对准目标区域。正确调整C型臂的位置,可保证最终图像中目标区域得到完整显示。准确把握成像时机对于有效捕捉团注造影剂至关重要。一旦加压袋排空,应立即启动成像序列。在注射液体前预先完成C型臂的测试旋转,有助于捕捉这一关键时间点。
值得注意的是,二维血管造影成像不能替代三维血管造影。顺应性和扩张性计算方程需要精确的横截面积和周长值,而由于血管自然角度及形态变异,二维成像无法提供这些参数。血管内超声虽曾被考虑使用,但技术上具有挑战性,且在图像采集后缺乏可调节性。
该方法目前适用于静脉系统,在应用于动脉循环前需要进行修改。该方法的潜在应用包括比较静脉系统中的移植或移植物材料,以及纵向评估与衰老相关的顺应性变化。在给予液体推注之前,当前使用3D血管造影的方法未能消除下腔静脉因心跳引起的脉动效应。
本研究部分由Gunze有限公司资助。
本工作由 R01 HL163065 和 W81XWH1810518 资助。我们向动物研究核心的敬业工作人员表示衷心感谢。同时,我们谨向 Carmen Arsuaga 致以诚挚谢意,感谢她在整个研究过程中提供的宝贵专业知识和细致周到的照护。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.035" x 260 cm 罗森弯曲导丝 | Cook Medical | G01253 | 放置交换导管(多轨道、IVUS等)的操作指南 |
| 0.035"x 150 cm Glidewire | Terumo | GR3507 | JR导管使用指南 |
| 0.9% 氯化钠生理盐水 | Baxter Healthcare Corporation | NCH 药房 | 用于稀释去甲肾上腺素及压力监测 |
| 10.0 气管插管 | Coviden | 86117 | 确保气道通畅 |
| 16 G 静脉导管 | BD | 382259 | 输注液体和麻醉药物 |
| 22 G 静脉导管 | BD | 381423 | 有创血压 |
| 5Fr × 0.35" JR2.5 | Cook Medical | G05035 | 罗森导丝使用指南 |
| 70% 异丙醇 | Aspen Vet | 11795782 | 外用清洁溶液 |
| 7Fr × 100 cm 多导管鞘 | B. Braun | 615001 | 采集压力,向特定血管内位置注射造影剂 |
| 9Fr 导引鞘 | Terumo | RSS901 | 通过皮肤穿刺进入血管,置入导管以供导丝通过 |
| ACT cartridge | 雅培诊断 | 03P86-25 | 活化凝血时间 |
| 带注液穿刺针的血管造影注射器 | Guerbet | 900103S | 用于对比剂注射器 |
| 袋式离心机 | Advance Medical Designs, LLC | 10-102 | 刺破生理盐水袋,将生理盐水倒入无菌碗中并注满 |
| 布托啡诺 | 硕腾 | NCH 药房 | 镇静药物:浓度 10 mg/mL,剂量 0.1 mg/kg |
| 导管研究套装 | Cardinal Health | SAN33RTCH6 | 导管包及各种辅助用品 |
| Cetacaine | Cetylite | 220 | 局部麻醉喷雾 |
| 氯己定复合制剂 | BD | 930825 | 外用清洁溶液 |
| 氯己定 2% 溶液 | Vedco INC | VINV-CLOR-SOLN | 外用清洁溶液 |
| 弹性绷带固定 | Coviden | 2232 | 颈部包裹以防止出血 |
| 连接管 | Deroyal | 77-301713 | 将三通接头连接至输液/药物管路 |
| 地西泮 | Hospira Pharmaceuticals | NCH 药房 | 镇静药物:浓度 5 mg/mL,剂量 0.5 mg/kg |
| 心电图监测贴点 | 3M | 2570 | |
| 输液器套装 | Alaris | 2420-0007 | |
| 液体加温装置 | Carefusion | 50056 | |
| Hemcon 止血敷料 | Tricol 生物医学 | 1102 | 止血贴片 |
| 肝素 | Hospira, Inc | NCH 药房 | 抗凝剂:1,000 USP 单位/毫升 |
| Infinix-i INFX-8000C | 东芝医疗系统 | 2B308-124EN*E | 介入性血管造影系统 |
| 侵入式压力传感器 | Medline | 23DBB538 | 有创血压 |
| 异氟烷 | Baxter Healthcare Corporation | NCH 药房 | 准备室中使用的麻醉剂 |
| 氯胺酮 | Hospira Pharmaceuticals | NCH 药房 | 镇静药物:浓度 100 mg/mL,剂量 4 mg/kg |
| 润滑凝胶 | MedLine | MDS0322273Z | 气管插管润滑剂 |
| 微穿刺导引套件 | Cook Medical | G47945 | 经皮肤进入血管 |
| 针 &和注射器 | Cardinal Health | 309604 | 用于镇静 |
| 重酒石酸去甲肾上腺素注射液,USP | 巴克斯特医疗公司 | NCH 药房 | 1 mg/mL |
| Optiray 320 | Liebel-Flarsheim 公司有限责任公司 | NCH 药房 | 对比 |
| Optixcare | Aventix | OPX-4252 | 角膜润滑剂 |
| OsiriX MD | Pixmeo SARL | - | DICOM 查看与分析软件 |
| 加压输液袋 | Carefusion | 64-10029 | 维持有创血压 |
| 丙泊酚 | Fresenius Kabi | NCH 药房 | 麻醉药物:浓度 10 mg/mL,剂量 20–45 mg·kg-1·h-1 |
| 3-0 丝线缝合线 | Ethicon | C013D | 固定静脉导管 |
| SoftCarry 担架 | 四面旗帜飘扬在阿斯彭上空 | SSTR-4 | |
| 胃管 | Jorgensen 实验室,INC | J0348R | 释放胃液和气体,防止腹胀 |
| 三通管 | Medline | DYNDTN0001 | 连接至静脉导管 |
| 尿液引流袋 | Coviden | 3512 | 连接胃管以收集胃液 |
| 加热毯 | Jorgensen 实验室,INC | J1034B |