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小鼠卵巢血管功能的活体成像与定量多普勒超声检测

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DOI：

10.3791/69169

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2025年11月14日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Animal Science, Cornell University, 2Biotechnology Resource Center Imaging Facility, Cornell University

本文内容

摘要

排卵前期卵巢血流的变化对排卵至关重要。多普勒超声已用于人类和大型动物评估卵巢血流动力学和灌注情况。本文介绍了一种在小鼠排卵前期和围排卵期应用多普勒超声评估卵巢血流动力学的实验方案。

摘要

为了有效评估卵巢血管功能并理解其在卵巢生理与病理中的作用，必须采用非侵入性的体内方法，以在不干扰正常血流的情况下捕捉实时变化。多普勒超声是一种成熟且非侵入性的工具，已广泛用于较大物种的卵巢血流评估，但在小鼠中的应用却受到限制；而小鼠是卵巢生物学研究（如排卵）中最常用的动物模型之一。排卵是一个高度调控的过程，依赖于卵泡刺激素诱导的卵泡协同成熟，随后由排卵前黄体生成素（LH）激增引发卵泡壁破裂并释放卵母细胞以供受精。LH激增还会触发卵巢血管系统的一系列结构与功能改变（即血管重塑），例如在排卵前短时间内，卵泡破裂部位的血管新生及毛细血管收缩。此外，已有多个物种报道在LH激增后卵巢血流量迅速增加的现象，但在小鼠中尚未见报道。本实验方案利用多普勒超声成像技术，对小鼠卵巢血管系统进行可视化，并量化血流动力学参数。本文所述方案详细介绍了激素预处理、麻醉、小鼠体位固定、通过能量多普勒和彩色多普勒识别卵巢及其血管结构，以及血流速度和阻力参数的测量方法。该方法实现了对活体小鼠卵巢血管功能的实时、纵向评估，为研究生理和病理状态下卵巢血管功能提供了有力工具。

引言

卵巢是一个高度血管化的器官，其血管系统经历严格调控的周期性、结构性和功能性变化（即血管重塑），这对于正常的卵巢生理功能至关重要，包括卵泡发育、排卵以及黄体形成。1,2,3,4血管重塑包含一系列协调的过程，如血管通透性的改变、血管生成、血管舒张、血管收缩以及血流（血流动力学）的变化。这些过程使卵巢能够根据动情周期中的激素信号迅速调节血液供应1,2,3,5,6,7,8,9血管重塑和卵巢血流的紊乱会损害排卵，并与多囊卵巢综合征等生育障碍疾病相关。2,3,10,11肥胖同样被证实会破坏血管生成，并降低血管介质（如内皮素-2）的表达。12,13此外，卵巢过度刺激综合征是一种主要与促性腺激素治疗诱导的卵巢刺激相关的并发症 体外 受精过程常伴随卵巢间质血流增加，凸显了血管功能失调所带来的不利影响14总体而言，这些条件凸显了卵巢血管重塑在维持女性生育力中的核心作用，并强调了血流动力学在支持卵巢功能方面的重要性。

准确评估卵巢血管功能需要在不干扰生理环境的情况下实时测量血流动力学。在人类以及牛、羊和马等大型动物模型中，多普勒超声是一种广泛使用的无创工具，可用于评估卵巢血流和血管结构15,16,17,18。该技术能够动态分析卵巢血管化过程，并捕捉由激素驱动的血流变化，为了解卵巢功能与功能障碍提供重要信息15,16,17,18。

尽管实验室小鼠因其较短的生殖周期和易于进行遗传操作而被广泛用作卵巢生物学研究的模型，但目前仍缺乏非侵入性、 体内 该模型中研究卵巢血流的方法仍然有限19,20现有的方法依赖于高度侵入性的操作，需要将卵巢外置（如活体显微镜观察），或采用CLARITY技术或整体成像等缺乏时间分辨率并破坏生理环境的技术1,2,3,4作为最常用的哺乳动物模型，小鼠在基因操作和生殖研究中为探索卵巢血流动力学的分子机制及评估靶向干预提供了重要机会。这凸显了对无创、纵向和定量成像技术的需求，以监测卵巢血管的动态变化 体内.

排卵过程是女性生育能力的核心事件，体现了卵巢血管重塑在女性生育力中的重要性。该过程始于促卵泡激素（FSH）诱导的卵泡成熟，并以黄体生成素（LH）激增触发卵泡破裂和卵母细胞释放为终点1。在给予模拟FSH作用的马绒毛膜促性腺激素（eCG）刺激后，卵巢血管网络发生扩张2。这种血管生长从卵巢髓质向外延伸至皮质，以支持发育中的卵泡2。在排卵前不久，血管延伸进入颗粒细胞层，并在卵泡顶端（即最终发生破裂和释放卵母细胞的部位）观察到局部血管收缩3。这些协调的血管变化对于成功排卵至关重要1,2,3。在大型动物模型和人类中进行的多普勒研究揭示了排卵前期血流动力学的变化，包括卵巢灌注迅速增加以及排卵前卵泡内血流的局部重新分布，表现为卵泡基底部（靠近卵巢间质，与顶端相对）血流增加而顶端血流减少16。在女性中，LH激增后卵巢血流速度的升高与成功排卵相关15。然而，目前尚无研究对完整小鼠卵巢中这些血流动力学变化进行纵向追踪，限制了我们对这一广泛应用模型中血管重塑过程的理解。

为弥补这一空白，我们提出了一种多普勒超声成像方案，可对小鼠卵巢及其血管系统进行无创可视化，并量化卵巢血流动力学参数，包括血流速度和阻力指数。尽管本研究中使用的MS-700探头分辨率有限（轴向/横向：30/58 µm），无法对毛细血管进行精细分析，但仍可清晰显示并量化主要的卵巢血管。未来应用中使用造影剂可能进一步增强血管的可视化效果。总体而言，该方法可在同一动物个体的特定时间点（如排卵前期）进行重复、纵向的测量，同时保持生理完整性，这是相较于现有侵入性技术的一项关键优势。

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方案

所有使用的小鼠均严格按照美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》进行饲养和管理，并获得康奈尔大学机构动物护理和使用委员会的伦理批准。本方案中使用的所有动物均为未成熟小鼠（21至23日龄）C57BL6小鼠。

1. 超数排卵的激素刺激

  1. 对21至23日龄、体重10至12 g的小鼠进行腹腔注射，先注射5 IU孕马血清促性腺激素（PMSG），48小时后再注射5 IU人绒毛膜促性腺激素（hCG）。每种激素注射液的配制方法为：将50 µL激素（由5000 IU的原液冻干粉重悬获得）溶于950 µL无菌磷酸盐缓冲液中，每只小鼠注射0.1 mL。

2. 超声设备开机顺序及换能器设置

  1. 打开成像系统背面的主电源。系统启动后，拨动推车左侧的计算机待机开关，以唤醒显示器和计算机。
  2. 将所需换能器（此处使用 MS-700，30–70 MHz）连接至成像设备上的活动换能器接口（最右侧接口）。将换能器连接头上的锁销对准接口上的凹槽，完全插入连接头后，将锁紧杆转至垂直位置以固定。
  3. 单击软件图标以启动分析软件。程序打开且换能器被自动识别后，选择 ovary 应用程序包。单击 New 创建新研究，并从下拉菜单中选择合适的名称。在 Study Information 窗口中，填写必填字段：研究名称；序列名称；应用程序包：Ovary；测量程序包：Vascular。

3. 麻醉、小鼠准备及超声成像阶段设置

  1. 开启生理监测仪（温度和心率）。确保平台已加热至 37 °C。
  2. 检查异氟烷液面是否高于蒸发器储液罐的最低刻度线。如有必要，佩戴适当的个人防护装备后添加异氟烷。缓慢且完全地打开氧气瓶阀门。将氧气流速设定为每分钟 1 升。
  3. 调节 Y 型管路三通阀，使氧气和异氟烷流入诱导室。此步骤中，确保通向成像平台小鼠鼻罩的三通阀处于关闭状态。将蒸发器旋钮设置为输送 3–4% 异氟烷（体积/体积）用于诱导麻醉。
  4. 将小鼠放入诱导室，并牢固关闭盖子。
    注意：诱导室在功能上是密闭的。切勿在无持续气流的情况下将动物留在密闭的诱导室内。
  5. 通过在每个电极上涂抹少量导电膏，准备成像平台，以确保心率监测时接触良好。
  6. 当动物完全镇静后，通过打开成像平台鼻罩端的三通阀并关闭诱导室端的三通阀，重新引导气体流向。
  7. 轻柔地将小鼠转移至加热的成像平台。将小鼠置于俯卧位（背部朝上）（图 1A）。将鼻罩牢固地罩住动物鼻部，确保鼻部和口部均被覆盖以维持麻醉状态。用胶带将每只脚固定在对应电极垫的导电膏上，用于生理监测。涂抹眼用软膏，防止麻醉期间角膜干燥。
  8. 通过向左旋转旋钮，将异氟烷浓度降低至 1.5–2.0%，以维持麻醉。使用脚趾夹捏反射法确认麻醉深度是否足够（不应观察到回缩反应）。在成像过程中每 5 分钟仔细监测一次动物的生命体征：(i) 呼吸频率；(ii) 心跳频率；(iii) 任何可能提示不适的活动；以及 (iv) 确保成像平台在整个过程中保持正确温度。
  9. 使用电动剃须刀剃除背部右下象限区域的毛发。从右后肢向上剃至背部中线，位置略偏脊柱外侧。在先前剃除的区域均匀涂抹一层脱毛膏，保留 30 秒至 1 分钟，以去除残留毛发。用湿润纱布彻底擦拭干净。在剃毛区域涂抹足量且均匀的超声耦合凝胶，以确保最佳声学耦合。
  10. 将换能器探头置于机械支架上，相对于小鼠呈横向位置，探头方向标记朝向操作者左侧。使用夹具将探头固定到位。

4. 使用多普勒超声检查识别卵巢及卵巢血管

  1. 在控制面板上按下 B-模式 键，激活标准灰阶成像窗口，以观察解剖结构。
  2. 将换能器轻柔地放置在涂有超声耦合剂的剃毛区域。
    1. 确保成像平台和小鼠处于水平位置（与实验台表面平行），且换能器垂直（90°角，即竖直）于小鼠和平台下降（图1A）。
    2. 为定位卵巢，将皮肤向左侧牵拉，然后将换能器置于剃毛区域的上部，靠近背部中线处。使探头的左边缘紧邻脊柱，右边缘略微延伸至右侧侧腹壁。
  3. 为识别卵巢，首先寻找肾脏——一个较大的浅灰色卵圆形结构（5 mm × 6 mm），皮质和髓质清晰可见。随后将成像平台轻微前推（朝向小鼠头部方向），使卵巢及其周围脂肪组织（POAT）显现。
    注意：卵巢为一小的圆形低回声（深灰色）结构，大小约为 1 × 2 mm（处于排卵前阶段），位于脊髓外侧。POAT呈高回声（亮白色）。
  4. 为在B模式下采集并存储卵巢视频，请等待帧数增加（最多达100帧），然后按下键盘上的 动态存储 按钮。
  5. 为确认卵巢识别结果并以高灵敏度显示低速血流的血管，可在控制面板上按下指定按键，从 B-模式 切换至 能量多普勒模式。
  6. 通过旋转键盘上的旋钮，调整以下能量多普勒参数，以优化卵巢血管的可视化效果：多普勒增益：32–55 dB；灵敏度：5；动态范围：15 DR；速度：1 kHz。
    注意：这些数值可在左侧面板上查看，并随旋钮调节而变化。
  7. 在 能量多普勒模式 或 彩色多普勒模式（按下键盘上的指定按键）下，通过轻柔前后移动平台以观察血管结构的不同切面，识别以下血管：(i) 卵巢动脉（OA），自腹主动脉分支而来，从POAT方向延伸进入卵巢门部；(ii) 位于中央髓质内的髓质血管（MV）；以及 (iii) 包绕外层皮质中发育中卵泡的皮质血管（CV）（图1B）。
    注意：由于皮质血管直径较小且血流速度低，可能无法始终清晰显示。卵泡基底部的血管较易检测，而顶部血管通常不可见，尤其在排卵前更为明显。
  8. 可在任意时刻按下 动态存储 按钮，以在 能量 或 彩色多普勒模式 下 采集并保存当前屏幕上显示的卵巢及其血管的视频。
  9. 为区分动脉与静脉血流，可按下键盘上的 彩色多普勒模式 按键。在此模式下，血流方向以颜色编码表示：红色表示血流朝向换能器，蓝色表示血流远离换能器。平均流速较高的血管为卵巢动脉。
  10. 在彩色或多普勒模式下，可通过观察血管大小及颜色强度（能量多普勒中为黄色，彩色多普勒中为红色或蓝色）来评估血流灌注的变化。

使用彩色和能量多普勒超声评估血流动力学

  1. 在彩色多普勒或能量多普勒模式下，按下超声系统键盘上的脉冲波（PW）多普勒按钮。此时将显示取样容积门（即两条水平线）。再次按下PW按钮，以激活下方面板中的多普勒频谱波形。
  2. 将取样门（可调节的测量工具——允许用户定义速度测量区域）置于血管管腔的中心位置，确保与血流方向一致。调整入射角，使其尽可能与血管平行，并保持角度≤60°，以确保速度计算的准确性。通过旋转相应的角度旋钮来调节入射角。
  3. 根据不同血管类型，将取样门置于以下位置： 卵巢动脉：位于血管进入卵巢前的近端处。髓质血管：位于中央分支 点，即髓质血管（MV）分出皮质血管的位置。该分支 点在进入卵巢后表现为一池状血流信号。皮质血管：当可辨认时，位于生长卵泡基底部的血管内。
  4. 当取样门定位至目标位置且清晰的脉冲波形可见时，按下动态存储按钮，以记录并保存超声图像及相应的频谱多普勒波形。
  5. 成像完成后，轻柔地将小鼠从成像平台上取下。擦去背部残留的超声耦合剂，并将小鼠置于加热垫上，直至其完全苏醒。

6. 导出和保存数据

  1. 使用Cine Store功能完成所有成像操作并保存所需的静态图像和动态影像序列后，按下超声系统键盘左上角的Study Management按钮。此时将打开Study Browser窗口，显示当前会话中所有已保存的图像和动态影像序列列表。
  2. 在Study Browser窗口中，选择需要保存的文件。
    1. 如需保存整个系列，选择相应的系列名称——系统将自动高亮显示所有相关的图像和动态影像序列。点击Copy to按钮继续操作。
    2. 当系统提示时，点击用于保存导出文件的目标文件夹或外部存储设备。在最终完成导出前，请确认文件格式和目标路径正确无误。

7. 关闭程序并清理

注意：应在成像结束后立即完成这些步骤，并确保所有数据均已 保存并导出。

  1. 导出所有必要数据后，点击分析软件应用程序中研究浏览器窗口的关机图标。这将安全关闭采集计算机和控制面板。
  2. 让系统散热风扇运行5-10分钟。散热完成后，使用成像推车背面的开关关闭主电源。
  3. 关闭所有辅助设备：氧气供应装置、异氟烷蒸发器和生理监测仪。
  4. 清洁超声探头：首先使用无绒布擦拭掉残留的超声耦合剂，然后使用适用于精密电子设备的湿润无绒布或消毒湿巾对表面进行消毒。
  5. 使用消毒湿巾清洁小鼠平台和键盘。切勿将乙醇用于小鼠平台的电极上，以免损坏敏感组件。
  6. 用湿润的纸巾擦拭麻醉诱导室，并将纸巾丢弃至生物危害废物容器中。
  7. 将所有一次性使用材料（如手套、手术胶带、纱布、棉签）丢弃至指定的生物危害容器中。

使用多普勒脉冲波形测量血流动力学参数

  1. 在分析软件中，点击复制自，从下拉菜单中选择相应的名称，导航至研究文件的保存位置，选中该文件，然后点击确定以导入。
  2. 打开所需的PW多普勒图像，点击左下角的测量图标，以打开测量面板。
  3. 在测量面板的左上角点击速度测量工具，通过点击频谱多普勒波形中PSV和EDV波形的最高点，量化三个最高的收缩期峰值速度（PSV）和舒张末期速度（EDV）（该工具将自动测量从点击点至x轴的波形高度）。仅纳入显示至少三个清晰且稳定的心动周期、并具有明确一致的PSV和EDV峰值的波形。
  4. 为计算平均速度，首先计算所选三个PSV值的平均值和三个EDV值的平均值，然后使用以下公式计算平均速度：平均速度 = (平均PSV + 平均EDV) / 2。
  5. 对于低于10 mm/s检测阈值的速度，可根据研究目的赋予5 mm/s的值（阈值以下的平均速度），或舍弃该测量值。
  6. 为计算阻力指数（RI），使用标准公式：RI = (PSV - EDV) / PSV。该指数用于评估血管阻力，应采用平均后的PSV和EDV值以确保准确性。
  7. 为计算搏动指数（PI），使用标准公式：PI = (PSV - EDV) / 平均速度。

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结果

本实验方案的目的是应用多普勒超声成像技术对小鼠卵巢及其血管系统进行可视化观察，评估卵巢灌注的变化，并量化卵巢血流动力学参数。

图2 显示了在人绒毛膜促性腺激素（hCG）注射后围排卵期（排卵前12小时至排卵后12小时）多个时间点同一卵巢的代表性图像。图2A 展示了B型超声图像，用于根据皮下脂肪组织（POAT）和输卵管定位卵巢（方案中步骤4.3）。图2B 显示了相应的能量多普勒图像，该模式对血流具有高敏感性，可通过观察卵巢内部血管结构来帮助确认卵巢的识别（步骤4.7）。能量多普勒可实现对灌注动态变化的定性评估，并识别不同类型的血管，包括卵巢动脉（OA）、中等大小血管（MV）和小血管（CV）。灌注增加表现为信号强度增强和血管扩张。尽管目前尚无标准化的多普勒定量灌注评估方法，但能量多普勒可提供关于卵巢血管结构及血流活动变化的可靠视觉证据。图2C 展示了同...

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讨论

本研究介绍了一种用于可视化和定量卵巢血流动力学的非侵入性方法 体内 利用多普勒超声技术。与现有方法不同，该方法能够在不干扰血管功能的情况下实时评估血流。多普勒超声是一种广泛使用且有效的工具，可用于评估人类和大型动物模型的卵巢形态及血管功能15,16,17,18其在小鼠卵巢生理学中的应用为卵巢血管动态研究提供了重要的进展。

多普勒超声为评估小鼠模型中的血流提供了一种非侵入性且可重复的方法，相较于传统技术具有多项优势。传统方法如放射性标记微球注射具有高度侵入性，并且是终末性实验21,22,23。该技术涉及将微球注入左心室或动脉导管...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由 NICHD 1R01HD109392 资助。成像数据通过康奈尔大学生物技术资源中心（BRC）成像设施获取，该设施的 VisualSonics Vevo-2100 超声设备由 NIH S10OD016191 支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3M 外科胶带VWR International LLCMMM1534-3
Aquasonic Clear 超声传导凝胶 ParkerPKR-03-08
毛发修剪器Skull Shaver LLCBBT 2020
人绒毛膜促性腺激素Sigma Aldrich9002-61-3
Nair 身体脱毛乳霜Nair脱毛
Optixcare Eye Lube Plus AventixOPX-4252
Parker Signacreme 电极乳膏ParkerPKR-17-05-CS
孕马血清促性腺激素Creative EnzymesNATE-0969
VisualSonics Vevo 2100 成像系统VisualSonics Inc.

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