在此，我们介绍一种使用该方案的协议 体内 四维超声成像和 离体 质谱成像技术用于评估小鼠心血管系统中的生物力学与生物分子改变。该技术应用于分析手术诱导心肌梗死模型中的心脏重塑以及衰老动物模型中的血管变化。
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本文内容
摘要
摘要
心血管疾病（CVD）是美国的主要死亡原因。损伤在 心血管系统疾病可能由环境暴露、创伤、药物毒性或多种其他因素引起。 因此，心肌组织和血管系统会发生结构改变，并表现出功能减退。这些损伤及其引发的重构可在器官水平通过超声成像（US）进行检测和定量，同时在分子水平利用质谱成像（MSI）加以分析。本文描述了一种研究小鼠心脏病理生理学的创新方法，结合 体内 四维（4D）超声成像与分析 ex 活体基质辅助激光解吸/电离（MALDI）质谱成像在心脏中的应用。四维超声可提供动态的容积测量数据，包括整个心动周期中的径向位移、表面积应变和纵向应变。在血管系统中，质谱成像与超声技术可用于评估血管壁成分、血流动力学及血管壁动态变化。该方法可通过调整感兴趣的功能指标和/或改变MALDI质谱成像方案以靶向特定分子，从而适用于多种心血管疾病的研究。MALDI质谱成像可用于分析脂质、小分子代谢物、多肽和糖类。本方案概述了MALDI质谱成像在非靶向脂质组学分析中的应用，以及超声成像在心血管血流动力学与生物力学研究中的使用。
引言
心血管疾病（CVD）是全球主要的死亡原因1。预防和治疗心血管疾病需要深入理解组织对生物力学力的分子适应机制，以及由此引起的力学性质变化。在整个心血管系统中，生物力学力在组织的功能和结构中起着重要作用2。心血管（CV）组织的力学性质受到这些力的影响，因此可作为健康与疾病的指标3,4,5,6。为了预防、诊断和治疗心血管疾病，开发能够理解并观察疾病起始与进展过程的方法至关重要。生物医学成像在获取生理学和机制性认识方面发挥了关键作用，新的成像技术和分析方法也正在不断涌现。本实验方案展示了一种将两种心血管成像与分析技术相结合的方法，以验证这些成像模式在缺血性心脏病和血管老化研究中的潜力。
生物力学领域的研究人员通常结合体内、离体和计算机模拟方法来开展生物力学研究。以往的分子生物力学研究主要集中在蛋白质7（尤其是对生物力学特性具有重要影响的细胞外基质蛋白胶原蛋白和弹性蛋白），而将体内成像生....
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方案
所述动物实验已获得田纳西大学诺克斯维尔分校机构动物护理和使用委员会的批准。
1. 超声成像13
- 实验设置与动物准备
- 实验开始前，检查异氟烷麻醉水平，必要时进行补充。打开气体前检查氧气罐压力。称取活性炭并记录其重量。
- 在成像平台附近摆放所需物品，准备成像区域。物品包括预先裁剪的胶带、脱毛膏、纱布、棉签、高压灭菌水、角膜润滑剂、润滑凝胶、直肠温度探头、电极导线、超声耦合剂、电极凝胶（如适用）以及加热灯（图1A）。
- 打开超声设备并初始化电机（该系统也可采集4D超声图像数据）。在超声系统上建立新实验：选择 新建研究 或 新建序列 ，并填写小鼠信息。打开生理监测平板。
- 检查三通阀，确保气流通向诱导箱，而通向鼻罩的通道关闭。通过将蒸发器氧气流量设为1 L/min，并将异氟烷旋钮调至3%-5%，预先填充麻醉诱导箱。
- 从小鼠饲养笼中取出动物。
- 将小鼠放入诱导箱，直至其在3%-5%异氟烷浓度下完全麻醉。
- 切换三通阀，使气流转向超声成像板上的鼻罩。将异氟烷旋钮调至1%-2%。
- 将小鼠从诱导箱....
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结果
上述成像方案已用于两项初步研究：心肌梗死（MI）重构和血管老化。在心脏实验中，通过永久性冠状动脉结扎手术诱导急性心肌梗死18,19。对同一样本依次进行4D超声和基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI MSI），以揭示其生理和分子层面的变化。梗死心脏中的代表性分子离子图像如图5所示。m/z 577.52被初步鉴定为Cohibin C或D。尽管仍需进一步分析（如LC-MS或串联质谱）以确认分析物身份，但已有研究在牛心脏中检测到Cohibin20，且其可能与组织重构相关21,22。心室结构和功能的变化也可能与特定区域靶向脂质的上调或下调相关（图6）。在4D超声图像中，颜色谱的绿-黄色端表示表面应变幅度低于20%的组织，对应于梗死区域
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讨论
超声成像可能受操作者影响，但通过使用解剖标志和充分的培训可减少操作者偏差。二维超声尤其容易受不同操作者之间的变异性影响，因为其成像角度依赖性强；而四维超声由于采集的是整个体积数据且不受角度影响，因此变异性较小。研究还发现，由于可调节的动物平台和探头支架的存在，图像的可重复性更容易实现。理想情况下，超声数据的采集应在整个研究过程中由同一名研究人员完成，以避免因技术差异导致的数据变化。
维持核心体温至关重要，因为温度变化可能改变心血管血流动力学和生物力学测量结果28,29,30,31。 除了成像用的加热板外，还建议使用外部加热装置（如加热灯），如图1所示。该加热灯由用户调节，以维持直肠温度在37 °C。
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披露
Craig J. Goergen 是 FUJIFILM VisualSonics 的付费顾问。
致谢
Allison Jones 由田纳西大学机械与航空航天工程系支持 & 生物医学工程系研究生奖学金。本出版物中报告的研究（Conner Earl）得到了美国国立卫生研究院国家心肺血液研究所F30HL162452基金的支持。本内容仅由作者负责，不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2,5-二羟基苯甲酸（DHB） | Supelco, >99.0% (HPLC) | 85707-10MG-F | MALDI-MS 用 DHB 基质试剂；https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/85707?cm_sp=Insite-_-wimsShippingEmailRecs_wims EmailAPI_wimsGruCrossEntropy-_-wimsEmailAPI10-3 |
| 9-氨基吖啶（9AA） | Supelco, ≥99.5% (HPLC) | 92817-1G | MALDI-MS 用 9-氨基吖啶基质试剂；https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sial/92817?srsltid=AfmBOooiQjQ4pWv_XxITkU 4Lkm0UnHXKekGS_ dFl7V40V9QLWoPpNLoc |
| Aquasonic 超声耦合凝胶 | Parker Laboratories | Parker 01-02 | 超声凝胶；https://www.parkerlabs.com/products/aquasonic-100-ultrasound-transmission-gel/ |
| 台式杜瓦瓶 | ThermoScientific | 4150-2000 | 液氮容器；https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/4150-4000?gclid=Cj0KCQjwpvK4BhDUARIsA DHt9sQVc2f-NxN04Nb5Mv F6TZ7GLHWWDEeqDYmEvtKJSQ YHDeVgZ9qylvYaAs27EALw_wcB &source=google_shopping&ISO_ CODE=us&LANG_CODE=en&ef_id =Cj0KCQjwpvK4BhDUARIsADHt9 sQVc2f-NxN04Nb5MvF6TZ7GLHWWDE eqDYmEvtKJSQYHDeVgZ9qylvYa As27EALw_wcB:G:s&s_kwcid=AL!3652 !3!716188292869!!!g!2366243726129 !!21787513085!171591181194&ev_chn =shop&cid=0se_gaw_30092024_ PBYTXL&source=google_shopping &ISO_CODE=us&LANG_CODE= en&gad_source=1 |
| 冷冻切片机 | Leica Biosystems | CM 系列 | https://www.leicabiosystems.com/us/histology-equipment/cryostats/ |
| 干燥器 | VWR | 89054-052 | https://us.vwr.com/store/product/9104882/desiccator-plastic-ace-glass-incorporated |
| Epredia MX35 Premier 一次性低剖面 切片刀 | Fisher Scientific | 3052835 | 冷冻切片机刀片；https://www.fishersci.com/shop/products/mx35-premier-disposable-low-profile-microtome-blades/3052835 |
| Falcon 15 mL 圆锥形离心管 | Fisher Scientific | 14-959-53A | 圆锥形管；https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-15ml-conical-centrifuge-tubes-5/1495953A?gclid=Cj0KCQjwpvK4BhDUARIsA DHt9sSBcy5n-lhShligJUOX5KKVGn0bt87 8AB2_muOD2PPTue1phpZgeqwa AqgiEALw_wcB&ef_id=Cj0KCQjw pvK4BhDUARIsADHt9sSBcy5n-lhS hligJUOX5KKVGn0bt878AB2_muO D2PPTue1phpZgeqwaAqgiEALw_ wcB:G:s&ppc_id=PLA_goog_20861 45674_81843405034_1495953A__ 386247001345_165426395473886 37329&ev_chn=shop&s_kwcid=AL!4428!3 !386247001345!!!g!856907751004!& gad_source=1 |
| Flex-Tubes 微量离心管 | Eppendorf | EP022364120 | 离心管；https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/ep022364120?utm_source=google%2Cgoogle&utm _medium=organicshopping%2Ccpc&utm _campaign=21043330280&utm_ content=&gclid=Cj0KCQjwpv K4BhDUARIsADHt9sTHRD35k CHPtfI2A41axodnMVr6a1eBKk zM4bSUYQAyfEKo3UgTAEQa Ap7wEALw_wcB |
| 气态氮气 | Airgas | N/A | |
| 玻璃显微镜载玻片 | Electron Microscopy Sciences | 71873-02 | https://www.emsdiasum.com/positive-charge-microscope-slides |
| 液氮 | Airgas | N/A | |
| 质谱仪 | Waters | Synapt G2-Si | https://www.waters.com/waters/en_US/SYNAPT-G2-Si-Mass-Spectrometry/nav.htm?locale=en_mkcid=1000251Foodety%3C/a%3E&cid=134740653&bcid= 134528734 |
| 基质喷涂仪 | HTX Technologies | M3+ | https://www.htximaging.com/htx-m3-sprayer |
| 甲醇（HPLC），>99.9% | Fisher Chemical | A4524 | 甲醇；https://www.fishersci.com/shop/products/methanol-hplc-fisher-chemical-9/A4524?crossRef=A4524#?keyword=A4524 |
| 临床前超声成像系统 | FUJIFILM VisualSonics | Vevo 3100 | https://www.visualsonics.com/product/imaging-systems/vevo-3100；Vevo F2 已取代 Vevo 3100 投入生产。系统包含异氟烷蒸发器和诱导箱。 |
| Reynolds Wrap | N/A | N/A | 铝箔 |
| Signagel 电极凝胶 | Parker Laboratories | Parker 15-60 | 电极导电凝胶；https://www.parkerlabs.com/products/signagel-electrode-gel/ |
| 无菌润滑胶 | Medline | MDS032273Z | 润滑凝胶；https://www.medline.com/ce/product/Sterile-Lubricating-Jelly/Lubricating-Jelly/Z05-PF03664?sku=MDPMDS032273H |
| 手术器械：剪刀、镊子/弯头镊、缝合线 | Fine Science Tools | 11252-00, 11050-10, 14016-14, 14084-08, 15000-08 | info@finescience.com |
| 外科海绵 200 个装 –非无菌纱布垫 -急救伤口护理敷料海绵 –编织医用不粘、非粘连网状擦拭海绵 | Medpride | B08RZGQ5GW | 纱布；https://www.amazon.com/Medpride-Surgical-Sponges-200-Pack/dp/B08RZGQ5GW/ref=asc_df_B08RZGQ5GW/?tag=hyprod-20&linkCode=df0&h vadid=693270340506&hvpos= &hvnetw=g&hvrand=960915122 2290977669&hvpone=&hvptwo= &hvqmt=&hvdev=c&hvdvcmdl=& hvlocint=&hvlocphy=9192978&hv targid=pla-1245491514869&psc= 1&mcid=33f4d647c88630c79116 888d565a63b0 |
| Tissue-Plus O.C.T. 包埋剂 | Fisher Scientific | 23-730-571 | OCT；https://www.fishersci.com/shop/products/tissue-plus-o-c-t-compound-2/23730571 |
| 木柄棉签和涂药棒 | Fisherbrand | 22-363-160 | 棉签；https://www.fishersci.com/shop/products/wood-handled-cotton-swabs-applicators-8/p-7146852 |
参考文献
- Tsao, C. W., et al. Heart disease and stroke statistics-2022 update: A report from the American Heart Association. Circulation. 145 (8), E153-E639 (2022).
- Kassab, G. S. Biomechanics of the cardiovascular system: The aorta as an ....
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