左心疾病所致肺动脉高压ZSF-1大鼠模型中舒张功能障碍的脉冲波多普勒评估

摘要

本文介绍了一种利用多普勒超声心动图在左心疾病所致肺动脉高压的临床前模型中评估舒张功能的实验方案。

摘要

舒张功能障碍及射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）是左心疾病所致肺动脉高压（PH）的重要病因。在临床前模型中，对舒张异常进行标准的体内评估通常包括二维（2D）超声心动图结合多普勒技术评估二尖瓣血流和组织松弛，该方法复杂、昂贵，且需要先进的超声心动图设备。本文在一种成熟的啮齿类动物模型中展示了一种有价值的替代方法，即在无需二维超声心动图的情况下，采用脉冲波多普勒超声评估左心疾病所致肺动脉高压中的舒张功能障碍。通过心尖窗获取二尖瓣舒张期血流模式，并与同步记录的心电图（ECG）进行对照。本方案描述了舒张功能指标的采集方法及其识别过程。这种低成本、易于实施的技术可识别与肺动脉高压、心血管疾病及HFpEF相关的舒张功能障碍的重要标志物。此外，当无法使用或不优先选择二维超声心动图时，该技术可重复性地检测疾病随时间的进展。该方法的主要局限性在于无法可视化心脏结构、多普勒信号的角度依赖性可能导致测量误差，以及动物体型特征的影响；但可通过调整探头位置并优化其与血流方向的对齐来减轻这些影响。

引言

肺动脉高压（PH）是一种致命性疾病，目前尚无治愈手段，其特征是肺动脉血压升高¹。左心疾病（LHD）是全球范围内导致PH的最常见病因，与高昂的医疗成本和显著的发病率相关^2,3。导致PH-LHD的心脏病因包括多种不同疾病实体，可引起收缩功能障碍或舒张功能障碍，例如心力衰竭——这是一种复杂的临床综合征，至今仍是全球主要死亡原因之一⁴。在心力衰竭患者中，射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）占所有新发住院病例的一半以上^4,5。舒张功能障碍已被确认为HFpEF和由左心疾病引起的肺动脉高压（PH-LHD）发生发展过程中最重要的前兆之一，也是二者相互作用的基本特征^6,7。由于缺乏能够充分模拟PH和HFpEF大多数临床及亚临床特征的临床前模型，目前对这些疾病潜在机制的理解仍不完整⁷。

舒张功能障碍是PH-LHD的特征性表现，可通过二维和多普勒超声心动图进行评估⁸。用于评估左心室舒张功能的二维及多普勒方法包括多个参数，例如：舒张早期二尖瓣血流E峰速度、舒张晚期A峰速度、二尖瓣A波持续时间（从A波起始至A波在零基线结束的时间间隔）、二尖瓣E/A比值、E波减速时间（DT，从E波峰值外推至零流速基线的时间间隔）、组织多普勒成像（TDI）检测室间隔侧二尖瓣环运动速度（e'，反映二尖瓣环组织舒张弛豫功能的超声参数），以及IVRT（等容舒张时间，即主动脉瓣关闭至二尖瓣开放之间的时间）。提示舒张功能受损的超声心动图标志包括：在A波增高和E波降低背景下出现E/A比值减低或倒置、IVRT延长、E波减速时间缩短、组织多普勒指标延迟（e'速度延长、平均室间隔E/e'比值升高），以及整体纵向应变（GLS）绝对值降低⁹。比较超声心动图与有创血流动力学测量的研究表明，超声心动图测量结果与有创测量结果具有可比性，是评估心脏血流动力学的可靠方法¹⁰。然而，二维超声心动图操作复杂、成本较高，且需要先进的超声设备和专业技术人员。这些因素严重限制了在动物模型中对疾病进展的连续监测。因此，研究者通常只能在纵向研究中依赖研究起始和结束两个时间点的测量数据，或在横断面研究设计中采用单次测量结果。

在这些舒张功能障碍的参数中，E峰、A峰、E/A比值、A峰持续时间、减速时间（DT）和等容舒张时间（IVRT）可通过脉冲波多普勒超声心动图进行评估，无需依赖二维超声心动图。本文在已建立的ZSF-1大鼠PH-LHD模型¹¹中演示了多普勒评估舒张功能的实验方案。共纳入25只雄性ZSF1大鼠（10只为遗传性肥胖型，15只为遗传性瘦型），在8至24周龄期间进行为期16周的纵向随访，并通过超声心动图评估舒张功能障碍的发展情况。两个队列均评估相同的超声心动图参数。所有动物均在基线时（8周龄）进行评估。在16周龄时进行中期测量，此时已出现多普勒证据显示的舒张功能障碍。终点测量在24周龄时进行。尽管由于肥胖组大鼠体重明显增加，执行数据采集的研究人员无法做到盲法操作，但负责数据分析的研究人员对动物的表型保持盲态。尽管该方法易于实施，可为啮齿类动物疾病进展的纵向评估提供途径，但该技术的局限性包括高质量多普勒信号对声束角度的依赖性，而根据探头对准情况和动物体型的不同，获取理想角度可能具有挑战性。

方案

所有操作均按照约翰斯·霍普金斯大学动物护理和使用委员会（ACUC）对方案 RA21M273 的批准进行。未使任何动物因数据采集或测量目的而遭受不适。所用试剂和设备列于材料表中。

1. 设备与动物的准备

1. 使用70%乙醇清洁麻醉室，并擦拭所有表面。
2. 在麻醉室内铺上一次性更换垫和纸巾。确保气体进出气口未被堵塞。
3. 采取以下安全与麻醉操作注意事项：
   1. 确保麻醉工作站设置在通风良好的区域。
   2. 检查麻醉设备是否存在泄漏或故障。
   3. 在回路连接动物之前，切勿打开挥发罐。
   4. 在整个实验过程中保持持续供氧。
   5. 确保废气清除系统与麻醉回路系统持续连接。
   6. 用胶带封闭鼻罩与动物鼻部之间的缝隙，以减少麻醉气体泄漏，并防止空气污染物逸出至环境中。
   7. 在麻醉维持阶段，降低麻醉回路系统中的新鲜气体流速。建议使用尽可能低的新鲜气体流速。
   8. 实验结束后，继续以高流速供给氧气，以清除残余麻醉剂及呼吸系统中的气体。
4. 打开氧气瓶（100%氧气），使氧气自由流入麻醉室。
5. 打开动物笼，将动物放入麻醉室中。
6. 牢固锁紧麻醉室盖。
7. 打开异氟烷挥发罐，使2%至3%的异氟烷与氧气（2 L/min）混合后自由流入麻醉室。
8. 让动物吸入氧-异氟烷混合气体最多3分钟，或直至达到足够的全身麻醉深度。
   注意：实验开始前，当动物对无害或有害刺激均无反应，同时仍能自主平稳呼吸时，视为麻醉深度足够。

2. 获取心电图描记

1. 打开连接到心电图描记垫的平板电脑。从可用应用程序中选择 RSMonitor。按下前方的圆形按钮以开启心电图垫。
   注意：绿色指示灯闪烁表示心电图垫正在与平板电脑配对。绿色指示灯常亮表示配对完成。
2. 点击用户界面右下角的 设置。
3. 从实验设置的下拉菜单中选择 预设。
4. 点击已保存的预设下方的下拉菜单。
5. 选择 Rat CV，然后点击右下角的 确定。
   注意：垫片应处于"Rat"模式，以便通过动物足部检测心电图信号（via the paws）。
6. 使用70%乙醇清洁心电图垫，以去除残留的心电图导电凝胶。
7. 准备高导电性的心电图电极凝胶，以及水溶性低致敏性超声耦合剂用于多普勒检测。
8. 打开流向鼻罩的混合气体气流。
9. 将麻醉后的动物仰卧放置于无创心电图垫上，鼻部置于合适尺寸的鼻罩中。将蒸发器输出浓度设定在1.5%–2%之间（氧气流速为1 L/min）。确保异氟烷气体自由流入鼻罩。
10. 关闭流向麻醉舱的气体气流。
11. 使用棉签将少量电极凝胶涂抹于前肢背侧表面及后肢掌侧表面。用胶带将动物四肢固定在心电图垫的电极接触区域，并确保电极凝胶与心电图垫充分接触。
    注意：小鼠所需的鼻罩尺寸比大鼠更小。
12. 使用温和的脱毛膏去除动物胸部和腹部的毛发，以促进皮肤与探头的良好接触。擦拭掉任何残留的脱毛膏，避免引起皮肤刺激。
    注意：脱毛膏应仅在必要最短时间内使用，并彻底清除，以防皮肤刺激。
13. 确保计算机显示器上显示心电图描记中的等电位基线及P-QRS-T波形。
    注意：根据心率的不同，P波和T波振幅可能无法与QRS波群区分开来，而R波是确定多普勒波形时序的最重要成分。

3. 计算机设置

1. 打开计算机。
2. 在计算机上创建一个文件夹，用于标识动物及感兴趣的数据。实验过程中拍摄的图像将保存在此文件夹中。
3. 打开前方和后方的脉冲多普勒收发器设备（大型蓝色盒子）。
4. 打开多普勒信号处理器（小型黑色盒子）。
5. 打开多普勒信号处理工作站图标以运行软件。
   注意：初始系统设置如下：系统设置中为 10 MHz 或 20 MHz，采样率：125 kHz，样本量：512，低通滤波器：150 kHz，该设置适用于大多数实验。
6. 点击 设置 在左上角。
7. 选择 系统设置。
8. 根据实验选择合适的探头频率（小鼠和小型大鼠使用20 MHz，大型大鼠使用10 MHz）。
   注意：该界面分为两个面板：上方面板用于显示多普勒速度频谱图，下方面板用于显示心电图。
9. 研究幼年大鼠或小鼠时使用20 MHz探头。对于年长、体型较大或肥胖的大鼠，则使用10 MHz探头。需要注意的是，两个探头可同时连接，多普勒收发模块支持在两种频率/探头之间便捷切换（通过前面板上的切换开关）。
10. 在收发器模块上设置多普勒参数：
    1. 确保手持探头换能器已连接至A或B通道接口。
       注意：受体的选择不会影响数据采集，也不会引起软件的任何更改。
    2. 选择相应的10/20 MHz通道，以分别操作10 MHz或20 MHz手持式探头。
    3. 将脉冲重复频率（PRF）设置为 62 kHz，以优化距离模糊性，在最小化混叠的同时，提高从最靠近探头的取样容积通过脉冲波多普勒检测到的最大可测流速。
    4. 设置 方向 切换至 新台币 以显示任何流动情况 朝向 探针作为波形 上方 零流基线
       注意：任何远离探头流动的血流将显示为波形 下方 零流速基线
    5. 调节 范围 到 2.5 - 3.5 mm 小鼠为4-6毫米，大鼠为4-6毫米，用于选择样本体积的放置深度。
       注意：大鼠心脏位于换能器表面1厘米范围内，而小鼠心脏位于0.5厘米范围内。距离测量自皮肤-探头界面至取样容积中心，检测二尖瓣血流的范围将根据动物体型、年龄和体格特征而变化。
    6. 设置 过滤 到 15 以平滑相位速度输出 "衰减的"，以避免速度的过高或过低估计，并确保速度的最佳估算。
11. 按压 GO 位于用户界面屏幕的左上角。此时将弹出一个窗口。
    1. 在新窗口中输入相关的采集信息（动物种类、性别、出生日期、采集时年龄、体重等）。
    2. 从下拉菜单中选择所需的预创建文件夹 目录 （创建文件夹的方法见步骤3.2），并以动物和实验标识符命名。
    3. 按压 好的.
       注意：初始文件编号设置为 _00。
    4. 使用左侧的标尺栏（左键点击坐标轴并向上或向下拖动）调整心电图基线，使R波清晰可见。
       注意：可通过将光标置于心电图面板上，右键单击鼠标并前后移动鼠标来调整基线。

4. 进行多普勒测量

1. 在动物胸腹部的剑突下/上腹部区域涂抹少量超声耦合剂，以促进探头与皮肤之间的超声传导。
2. 将多普勒探头置于膈肌下方、胸骨正中线下方（剑突下方稍偏左的位置），探头方向朝向动物头部及左耳，通过精细的手部动作缓慢做小范围环形扫描，逐渐增加扫描半径（每次增加1 mm），开始寻找血流信号。
3. 始终维持探头在膈肌下方皮肤上的轻柔压力。
4. 若未检测到二尖瓣血流，可按需调节RANGE旋钮，每次调节0.5 mm，以探测跨瓣血流波形（图1A），每调节一次旋钮后重复环形扫描动作。
   注意：当方向开关设置为"TWD"（朝向探头）时，若出现位于零基线上方的M形舒张期前向血流波形，则提示为二尖瓣开放时产生的舒张期血流模式。值得注意的是，二尖瓣血流波形的大部分应位于基线上方；而主要位于基线下方的不对称V形波形则提示为收缩期通过其他瓣膜（如主动脉瓣）的血流。若观察到类似主动脉瓣血流的波形，应将探头尖端轻微向动物右侧移动，并向上倾斜（移动幅度极小，约1–2 mm即可）。所有信号均实时显示。三尖瓣舒张期血流也会表现为基线上方类似的M形波形；但由于右心房与右心室之间的压力梯度较低，其峰值流速显著更低（图1B）。若检测到符合三尖瓣血流特征的波形，可在不改变探头与皮肤相对角度的情况下，将探头轻微向动物左侧滑动。
5. 确保屏幕上同时显示多普勒波形和心电图（ECG）。
   注意：可通过点击控制面板右下角的上下箭头调节心电图扫描速度至适宜水平，每屏显示4–5个心动周期为最佳。

5. 获取多普勒超声检查数据

1. 当确定正确的血流后，使用脚踏板创建快照。可根据需要多次重复此操作，以获得最佳的数据质量。
   注意：理想的图像应清晰显示频谱边界，无频谱展宽、无频谱填充、不同时显示正向与反向血流，并能同时显示舒张期二尖瓣血流和收缩期主动脉血流。按下脚踏板时，快照将自动保存。
2. 当对数据质量满意后，点击用户界面右上角的 STOP 按钮以停止数据采集。为可靠地反映平均流速及收缩/舒张时间，至少需要3次ECG与多普勒波形配对的重复数据。
3. 点击上方功能栏中的 File 菜单。
4. 从下拉菜单中选择 Open 。
5. 从预先创建的文件夹中选择数据质量最高的文件进行分析。
6. 点击左上角的 Analysis 按钮，将弹出一个窗口。
   1. 选择 Step 2：General Setup
      1. 数据类型：Doppler
      2. 信号：Mitral Inflow
      3. 动物：根据实验选择合适的模型。
      4. 在默认测量名称下设置 "All measurement names"。
7. 从分析控制下拉菜单中进入并点击 Step 5: R peak editor 。选择 Display beat and R peak markers，然后选择 Auto calculate。
   注意：R波峰值的绿色标记将出现。请将绿色标记对齐至R波的尖端。若需删除不需要的心跳标记，可将光标置于该标记上，按住右键并快速向右前方移动鼠标即可移除。
8. 从分析控制下拉菜单中点击 Step 6: Beat editor。选择 Display beat and R peak markers，然后点击 Select all beats。
9. 从分析控制下拉菜单中点击 Step 7: Marker editor。点击 Display analysis markers，然后在 "Current Marker Selected" 下选择所需测量的参数。
   1. 为确保数据完整性，以下参数必须测量（图1）：
      1. ES：早期开始（early start）。指舒张早期血流上升支的起点，测量位置为基线处。
      2. EPV：早期峰值流速（early peak velocity）。基线上方的第一个峰值流速，反映舒张早期左心房（LA）与左心室（LV）之间的压力梯度（即由于既存的LA-LV压力梯度所引起的被动血流峰值流速）。
      3. EEAS：早期结束、心房期开始（early end, atrial start）。反映LA与LV之间压力平衡及血流停止（舒张中期，diastasis）。
      4. APV：心房期峰值流速（atrial peak velocity）。基线上方的第二个峰值流速，反映舒张晚期左心房与左心室之间的压力梯度。此为“心房收缩”（"atrial kick"）期间血流的峰值流速。
      5. AE：心房期结束（atrial end）。反映舒张晚期末期血流停止，以及LA与LV之间的压力平衡。
      6. IVCTE：等容收缩期末（isovolumic contraction time end）。指收缩期开始时二尖瓣关闭至主动脉瓣开放之间的时间间隔。
      7. IVRT：等容舒张期开始（isovolumic relaxation time starts）。指舒张期开始时主动脉瓣关闭至二尖瓣开放之间的时间间隔。
   2. 完成上述测量后，从 Analysis Control 下拉菜单中选择 Step 8: Measurement results。
   3. 点击 Copy Results to Clipboard，将数据复制到Excel文件中，并保存Excel数据。
   4. 关闭 "Analysis Control" 窗口。
   5. 点击左上角的 File ，然后选择 Save。此操作将保存已完成的测量。
   6. 退出多普勒信号处理工作站。

6. 结束实验

1. 关闭异氟烷，移除动物脚掌上的胶带。
2. 将动物从电极板上取出。
3. 清除残留的脱毛膏和电极凝胶。
4. 将动物放回笼中，并提供自由获取的水和食物。
5. 按照机构规程监测动物，使其从麻醉中恢复。
6. 关闭氧气。
7. 清洁麻醉室。

结果

该方法可用于对 PH-LHD 患者的舒张功能进行纵向评估。为了最准确地评估舒张功能，需要在多个心动周期内观察同一心动周期中与二尖瓣和主动脉瓣开闭相关的前向和逆向血流模式（图1）。主动脉瓣关闭标志着舒张期的开始，其最早阶段为主动等容舒张期，发生于二尖瓣开放之前，并随后进入舒张早、晚期的双相性二尖瓣跨瓣血流。舒张期以血流停止及二尖瓣关闭而结束。这些血流模式的变化如图1所示：收缩期主动脉跨瓣血流位于零流速基线以下；等容舒张期表现为主动脉瓣关闭至二尖瓣开放之间的零流速阶段；双相性舒张期二尖瓣跨瓣血流呈基线上方的M形波形；随后为二尖瓣关闭至主动脉瓣开放之间的零流速阶段。若无法通过频谱多普勒同时检测主动脉或二尖瓣跨瓣血流，则无法确定等容收缩和等容舒张时间。

此外，利用该模型中的双相血流模式（图2）可测定多个指标，例如：E 峰（大鼠正常值：72.5 cm/s ± 13.9 cm/s）、A 峰（大鼠正常值：46.9 cm...

讨论

本文在已建立的啮齿类动物模型中展示了一种无需二维超声心动图、仅通过脉冲波多普勒超声评估肺动脉高压-左心疾病（PH-LHD）中舒张功能障碍的替代方法。通过心尖窗获取二尖瓣跨瓣血流频谱，并与同步记录的心电图进行对照，从而确定舒张功能的各项指标。该低成本技术可纵向识别舒张功能及功能障碍的标志物，避免了昂贵的二维超声心动图检测的需要。

舒张功能障碍是PH-LHD的关键特征，其特点为心室被动僵硬度增加和主动松弛能力受损。左心室舒张顺应性降低导致静息状态下左心室舒张末期压（LVEDP）和肺毛细血管楔压（PCWP）升高（≥15 mmHg），并在运动时进一步升高（≥25 mmHg）。这些指标虽是诊断HFpEF及PH-LHD前期状态的重要依据，但若无创技术或高级影像手段则难以测定^17,18。目前获取上述参数的金标准是心脏导管检查；然而，在PH-LHD的临床前模型中，该方法并不总是可行（例如纵向连续测量）或经济可及（手术或核心服务成本高昂）¹⁹

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
麻醉设置	VetEquip 公司	901806
计算机	戴尔	7420 Plus
棉签	Puritan Medical Products Company	806-WC
脱毛膏	Church and Dwight	300725
多普勒探头 10 和 20MHz	INDUS Instruments	NA
多普勒设置	INDUS Instruments	NA
心电图电极片	INDUS Instruments	NA
电极凝胶	Parker Laboratories	45993
异氟烷蒸发器	VetEquip 公司	911103
超声耦合剂	Parker Laboratories	45659
带通气孔的麻醉诱导室	VetEquip 公司	942102