La reserva de flujo coronario (CFR) es útil para la evaluación de la demanda miocárdica de oxígeno y la evaluación del riesgo cardiovascular. Este estudio establece un método de ecocardiograma Doppler transtorácico (TTDE) paso a paso para el monitoreo longitudinal de los cambios en la CFR, medidos desde la arteria coronaria en ratones, bajo la sobrecarga de presión experimental de la banda aórtica.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
Evaluación Ultrasonido base de la arteria coronaria de flujo y la reserva coronaria Utilizando la sobrecarga Modelo Presión en ratones
* These authors contributed equally
En este artículo
Resumen
Resumen
La ecocardiografía Doppler transtorácica (TTDE) es una herramienta no invasiva clínicamente útil para estudiar la velocidad del flujo de las arterias coronarias y la reserva de flujo coronario (CFR) en humanos. La reducción de la CFR se acompaña de una marcada fibrosis intramiocárdica y pericoronaria y se utiliza como indicación de la gravedad de la disfunción. Este estudio explora, paso a paso, los cambios en tiempo real medidos en la velocidad del flujo coronario, la CFR y la relación entre la velocidad máxima sistólica y diastólica (S/D) en el entorno de un modelo de banda aórtica en ratones. Mediante el uso de una técnica de imagen transtorácica Doppler que proporciona datos reproducibles y fiables, el método evalúa los cambios en el flujo en la arteria coronaria septal (PCS), durante un período de más de dos semanas en ratones, que previamente se sometieron a una banda aórtica o a una toracotomía.
Durante la toma de imágenes, la hiperemia en todos los ratones fue inducida por isoflurano, un anestésico que aumentó la velocidad del flujo coronario en comparación con el flujo en reposo. Todas las imágenes fueron adquiridas por un solo generador de imágenes. Se determinaron dos relaciones, (1) CFR, la relación entre las velocidades de flujo hiperémico y basal, y (2) flujo sistólico (S) a diastólico (D), utilizando un software patentado y por dos observadores independientes. Es importante destacar que los cambios observados en el flujo coronario precedieron a la disfunción del VI, como lo demuestra la masa normal del VI y el acortamiento fraccional (FS).
El método se comparó con el estándar de oro actual de la evaluación coronaria, la histopatología. Esta última técnica mostró cambios patológicos claros en la arteria coronaria en forma de fibrosis pericoronaria que se correlacionaron con los cambios en el flujo evaluados por ecocardiografía.
El estudio subraya el valor de utilizar una técnica no invasiva para monitorizar la circulación coronaria en corazones de ratón. El método minimiza el uso redundante de animales de investigación y demuestra que los índices avanzados basados en ultrasonidos, como las relaciones CFR y S/D, pueden servir como herramientas de diagnóstico viables en una variedad de protocolos de investigación, incluidos los estudios de medicamentos y el estudio de cepas modificadas genéticamente.
Introducción
Estenosis aórtica Clínica (AS) es bien conocido por promover un aumento progresivo en ventricular izquierda (LV) poscarga. Para compensar este aumento de la carga hemodinámica crónica, hipertrofia ventricular izquierda (HVI) se produce como una respuesta adaptativa 1,2. El desarrollo de la HVI se asocia a menudo con alteraciones en la microcirculación coronaria. Se piensa que la disfunción microvascular contribuye a la isquemia crónica en estos pacientes 5. Además de flujo coronario 3,4, la reserva de flujo coronario (CFR) representa el cambio funcional de las arterias coronarias 1,3 y se define como la relación de la velocidad de flujo máxima en la hiperemia de la velocidad de flujo de línea de base o descansando velocidad de flujo 4,6,7. CFR se disminuyó durante LV remodelación 1-3,5-9 y se utiliza como un índice del grado de gravedad de la disfunción funcional coronaria 1,10,17. Se sabe que hay impedimento en muchas formas de miocardiopatía dilatada 10 y también s coronariastenosis 6. CFR es también un marcador pronóstico de pobres resultados clínicos 12.
La remodelación del VI en el contexto de la disfunción cardiaca tales como isquemia o HVI también se acompaña de fibrosis extensa, los cambios en la microcirculación coronaria y engrosamiento de las arterias coronarias 1,2. Como resultado de estos cambios en la fisiología coronaria, es probable remodelación de las arterias coronarias. Esto ayuda a mitigar los efectos de la difusión de oxígeno baja y disfunción diastólica del VI que podría resultar en la susceptibilidad a 1,2,13 isquemia miocárdica.
Ratones genéticamente modificados son ahora una herramienta de investigación muy extendido para imitar las condiciones de enfermedades humanas como la aterosclerosis coronaria 5,7,10,12,17. En particular, el modelo de sobrecarga de presión en ratones ha sido ampliamente estudiado 14,17. El modelo de constricción trans-aórtica (TAC) se ha demostrado que se asocia con fibrosis extensa, y coronary estenosis resultante, en parte, de engrosamiento de la media de las arterias coronarias y con el acompañamiento de los cambios en los patrones de flujo coronario 1,11,17,19 similares a lo que se ve en el contexto de la HVI en los seres humanos. Aunque se sabe que la sobrecarga de presión prolongada conduce a la insuficiencia cardiaca descompensada en alrededor de 4-8 semanas, los efectos sobre la dinámica de flujo y la reserva de flujo coronario en estos modelos, temprano en el proceso de progresión de la enfermedad, y en diferentes etapas después de bandas, son todavía estar claramente delineado.
Numerosas cepas de ratones están disponibles actualmente para su uso en investigación, incluyendo la bien caracterizada LDLR - / - o ApoE - / - ratones 10-12, y estos han impulsado el desarrollo de técnicas sensibles para evaluar la función cardiovascular y la morfología en ratones vivos 11-15. Tales técnicas incluyen MRI, PET, contraste CT, ultrasonidos de alta frecuencia, y tomografía de haz de electrones 2,9,17,19, todos los cuales proporcionan alternativas prometedoras a invasivamétodos tales como cateterismos cardíacos y la angiografía coronaria 12. Sin embargo, en ratones con muy pequeño tamaño de las arterias coronarias y las altas tasas de corazón (HR), imágenes de la circulación coronaria sigue constituyendo un reto técnico para muchas técnicas disponibles en la actualidad 4,12. Curiosamente, se ha producido un aumento exponencial de los avances técnicos en el campo de la ecocardiografía Doppler transtorácica (EDT), incluyendo el desarrollo de alta frecuencia cabezales del escáner matriz con frecuencias centrales de 15 a 50 MHz que permite resoluciones axiales de aproximadamente 30 a 100 micras, a profundidades de 8-40 mm, y velocidades de fotogramas-capturados cuadros / seg mayor que 400. A su vez, las técnicas basadas en TTDE han surgido como una herramienta potencialmente poderosa para obtener imágenes de los vasos más grandes 2 o incluso más pequeños, tales como arterias coronarias 5,12.
Otro avance importante que ha permitido a los investigadores a realizar estudios de diagnóstico por imágenes de la vasculatura en un pequeñonimals es el uso cuidadosamente controlada de anestésicos que mantienen el corazón y el ritmo respiratorio de los animales durante la formación de imágenes 11. Mantenimiento anestesia controlada es particularmente importante para los estudios relacionados con la vasodilatación en ratones, y el efecto de la anestesia también tiene que estudiar más a fondo en este contexto 10,11. En los seres humanos, por otro lado, las mediciones CFR derivados de TTDE se han convertido en una herramienta más comúnmente utilizado para la evaluación de las arterias coronarias epicárdicas estenosis y no obstruido, predominantemente en descendente anterior izquierda (LAD) de la arteria coronaria 5,16. Sin embargo, el papel pronóstico de CFR y cambios en el flujo coronario en pacientes asintomáticos o ratones con preservada la función sistólica del VI en reposo ha sido mucho menos explorado 16. Por lo tanto, el objetivo del estudio fue establecer primero un protocolo claro paso a paso, para evaluar los cambios en el flujo coronario mediante TTDE en un modelo de ratón de la sobrecarga de presión; en segundo lugar, este estudio examinó el signo de pronósticoificance de CFR y cambios en el flujo coronario en respuesta a la presión de sobrecarga de estrés en estos ratones. La hipótesis de que la evaluación basada TTDE de CFR y el flujo coronario puede ser útil en la detección precoz de la disfunción coronaria que puede preceder a la disfunción del VI.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Protocolo
NOTA: Todos los procedimientos se realizaron en ratones de acuerdo con la Asociación Americana de Medicina Veterinaria (AVMA) directrices y aprobados Institucional Use Comités (IACUC) protocolos y Cuidado de Animales.
1. Diseño del estudio
- Utilice 8-10 semanas de edad macho C57BL / 6 ratones (BW ~ 25 g) en el estudio.
- Selección aleatoria de los ratones (n = 11) en dos grupos, el grupo de estudio seleccionado por constricción aórtica (n = 8), y el grupo de control (n = 3) a someterse a operación simulada a través de toracotomía.
- Preparar el animal para obtener imágenes por eliminar el vello del pecho usando crema depilatoria que es de grado médico.
- Realizar una primera ultrasonido (sección 2) 24 horas antes de la constricción aórtica para determinar los parámetros de línea de base en el Día -1, entre una gama de 1% y 2,5% de isoflurano (mezclado con 100% de O 2 a través de ojiva) inducida por la anestesia.
- Elegir un agente anestésico aprobado médicamente (es decir, isoflurano) y monitorear el grado de anestesia (2.3% a induce, y 1,0% para mantener).
NOTA: la anestesia adecuada es crucial en el mantenimiento de los latidos del corazón a tasas fisiológicas normales (alrededor de 500 latidos / min). - Confirmar la profundidad de la anestesia por pérdida de movimiento del animal en respuesta a un reflejo pedal-retiro. Use ungüento veterinario paralube en los ojos para evitar la sequedad mientras que bajo anestesia.
- Realizar cirugía en el día 0 20,21.
- Para aórtica, ligar la aorta utilizando una sutura de seda 7-0 alrededor de una cónica 26 G aguja que se coloca en el arco.
NOTA: Los detalles relativos al protocolo experimental, incluidos los procedimientos de bandas aórticas quirúrgicos, se han descrito anteriormente 20,21. - Realizar ecografía posterior a la cirugía (sección 2) en el Día (s) 2, 6 y 13.
- La eutanasia a los ratones en el día 14 y la cosecha de los corazones para la evaluación histológica. La eutanasia a los animales mediante una sobredosis de pentobarbital seguido de la eliminación de un órgano vital como el corazón. Arresto los corazones en diastole y fijar con formalina. Utilice el procedimiento de la recolección de corazón que ha sido descrito previamente 22.
- Fijar todos los tejidos del corazón con buffer solución de formalina al 10%. Para tricrómico tinción, incrustar tejidos en parafina antes de seccionar. Utilice los detalles de tricrómico tinción que han sido bien ilustrado anteriormente 14,23.
- Analizar los datos utilizando software sin conexión (sección 3).
2. Protocolo Imaging
- Imágenes largas y cortas de los ejes de la arteria coronaria septal (SCA) (Modo B)
- El uso de la sonda MS550D con frecuencia central de 40 MHz conectados al puerto activo, establecer la aplicación preestablecido a "imagen cardiaca".
- Con la supina animal sobre la plataforma calentada, y bajo anestesia controlada a través de cono de la nariz, la posición de la sonda usando el sistema ferroviario para obtener el paraesternal eje largo (PSLAX) (Figura 1A). Asegúrese siempre de que el animal se mantiene caliente en la platfor precalentadom y la temperatura corporal se mantiene a niveles fisiológicos.
- Girar la sonda (con la muesca apuntando caudalmente) en sentido horario tal que el ángulo de la sonda es 15 ° a la línea izquierda paraesternal (eje largo vista) (Figura 1B).
- Ajuste el ángulo de la sonda por la inclinación ligeramente a lo largo del eje y de la sonda para obtener una vista longitudinal de longitud completa de la SCA en el centro de la pantalla (Figura 1B).
- Una vez que los puntos de referencia apropiados (válvula aórtica y la arteria pulmonar) son vistos, tienda de cine la imagen utilizando la más alta frecuencia de imagen posible.
- Mediante el uso de la "xy" ejes micromanipuladores (Figura 1D), ajustar la posición de la sonda para obtener la imagen más clara de la SCA.
- Gire la sonda 90 ° (con la muesca apuntando en dirección caudal) en sentido horario tal que el extremo con muescas de la sonda está a la izquierda de la línea media (eje corto) (Figura 1 C).
- Imágenes largas y cortas de los ejes de SCA (Color-Doppler Mode)
- Una vez que una imagen de modo B es capturado o almacena cine-, haga clic en la tecla Doppler color en el teclado para activar el Doppler color de la ventana acústica (Figura 2).
NOTA: Este ayuda a aislar la arteria coronaria (flecha blanca indica SCA) o bien en el largo (Figura 2A) o en el eje corto (Figura 2C). Color rojo es como se ve en tiempo real y es indicativo de la dirección del flujo (lejos de la válvula aórtica). - Asegúrese de que la profundidad de enfoque (indicado por una punta de flecha amarilla en la derecha de la pantalla de la imagen), se encuentra en el centro de la arteria coronaria.
- Asegúrese de que los datos se graban utilizando la tecla cine-tienda, en la más alta velocidad de cuadro posible (> 100 imágenes / seg).
- Una vez que una imagen de modo B es capturado o almacena cine-, haga clic en la tecla Doppler color en el teclado para activar el Doppler color de la ventana acústica (Figura 2).
- PW Doppler Imaging de SCA (Pulsada-Wave o Modo PW)
- Mientras que en el modo Doppler color, haga clic en la tecla de PW para que aparezca una línea amarilla-indicador de la arteria coronaria (Figura 2, se muestra en rojo).
- Coloque el amarilloLínea de PW en el medio de la arteria coronaria a la vista, en un ángulo que es paralela a la direccionalidad del flujo. Tenga en cuenta que las mediciones de velocidad son altamente dependientes del ángulo de adquisición de imágenes.
- Ajustar el ángulo de flujo (clave ángulo PW) y volumen de la muestra (clave SV) de tal manera que la tecla PW ángulo es de 60 ° o menos y el volumen de muestra fluya captura justo en el centro de la SCA.
- Usar el almacén de cine para capturar las formas de onda que indican la velocidad del flujo coronario en la sístole (S) de pico y la diástole (D) (Figuras 3A y 3B), usando 1% y el 2,5% de isoflurano.
3. Cálculo y Análisis de Datos
- Seleccione el tiempo de la velocidad herramienta integral (VTI) para obtener el pico sistólica y diastólica velocidades de las imágenes mostradas en las Figuras 3A y 3B.
- Calcular el índice de reserva de flujo coronario (CFR) como la relación de hiperémica (2,5% de isoflurano) pico diastólica fbaja velocidad de la línea de base (1% isoflurano) flujo diastólico pico.
- Calcular la relación S / D como la velocidad de flujo coronario sistólica / velocidad de flujo máximo pico diastólica coronaria. Determine la relación al inicio (1% de isoflurano) y en hiperemia (2,5% de isoflurano).
- Para los parámetros estándar de función cardiaca tales como FS, FAC, LVM, consulte los manuales del fabricante para realizar análisis de datos utilizando el software propietario o se refieren a papel JoVe de Cheng 2.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Resultados
De los 11 ratones que fueron estudiados (anillados, n = 8 y la falsa, n = 3), se obtuvieron imágenes adecuadas y reproducibles por un solo observador en varios puntos de tiempo: al inicio del estudio (D-1), D2, D6 y D13 . Además, la velocidad de flujo en el sitio constrictiva se midió como 2,225 ± 110,9 mm / s, en comparación con 277,5 ± 10,51 mm / s en los ratones sham en el día después de la cirugía (p <0,05). El aumento en la velocidad era la verificación de la creación exitosa del modelo de sobrecarga de presión....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Discusión
En este estudio basado en la ecografía, la evaluación no invasiva del flujo coronario se realizó de forma reproducible en tiempo real, durante días, en ratones experimentales en vivo; Además, el protocolo demostró el potencial para detectar la disfunción de la arteria coronaria que estaba presente en una etapa temprana y se asoció con deficiencia en la perfusión miocárdica. Este método, en última instancia podría ser aprovechada como herramienta clínica para la estratificación del riesgo cardiovascular y / o evaluación ...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Divulgaciones
Los autores no informan divulgaciones.
Agradecimientos
Agradecemos a Fred Roberts por su ejemplar soporte técnico y también apreciamos la ayuda del núcleo de histología del Hospital Beth Israel. Agradecemos al Centro de Fisiología Cardiovascular del Brigham Women's Hospital por proporcionar la instrumentación y los fondos para este trabajo. Este trabajo fue apoyado en parte por un Fondo Diverso del Departamento de Medicina.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Crema depilatoria | Miltex, Inc. | Preparación para la cirugía: | Aplique 24 horas antes de la obtención de imágenes |
| de Isoflurano | Baxter International Inc. | NDC 10019-773-40 | 2-3 % para inducción y 1-1,5 % para mantenimiento; los latidos del corazón se mantendrán por encima de los 500 latidos por minuto |
| Ultrasonido de alta frecuencia | FUJIFILM VisualSonics, Inc. | Vevo 2100 | |
| FUJIFILM VisualSonics, Inc. | MS250, MS550D, MS400 |
Referencias
- Yang, F., et al. Coronary artery remodeling in a model of left ventricular pressure overload is influenced by platelets and inflammatory cells. PloS one. 7, e40196(2012).
- Cheng, H. W., et al. Assessment of right ventricular structure and function in mouse model of pulmonary artery constriction by transthoracic echocardiography. Journal of visualized experiments : JoVE. , e51041(2014).
- Meimoun, P., et al. Factors associated with noninvasive coronary flow reserve in severe aortic stenosis. Journal of the American Society of Echocardiography : official publication of the American Society of Echocardiography. 25, 835-841 (2012).
- Bratkovsky, S., et al. Measurement of coronary flow reserve in isolated hearts from mice. Acta physiologica Scandinavica. 181, 167-172 (2004).
- Wu, J., Zhou, Y. Q., Zou, Y., Henkelman, M. Evaluation of bi-ventricular coronary flow patterns using high-frequency ultrasound in mice with transverse aortic constriction. Ultrasound in medicine & biology. 39, 2053-2065 (2013).
- Hartley, C. J., et al. Effects of isoflurane on coronary blood flow velocity in young, old and ApoE(-/-) mice measured by Doppler ultrasound. Ultrasound in medicine & biology. 33, 512-521 (2007).
- Hartley, C. J., et al. Doppler estimation of reduced coronary flow reserve in mice with pressure overload cardiac hypertrophy. Ultrasound in medicine & biology. 34, 892-901 (2008).
- Saraste, A., et al. Coronary flow reserve and heart failure in experimental coxsackievirus myocarditis. A transthoracic Doppler echocardiography study. American journal of physiology. Heart and circulatory physiology. 291, H871-H875 (2006).
- Scherrer-Crosbie, M., Thibault, H. B. Echocardiography in translational research: of mice and men. Journal of the American Society of Echocardiography : official publication of the American Society of Echocardiography. 21, 1083-1092 (2008).
- Caiati, C., Montaldo, C., Zedda, N., Bina, A., Iliceto, S. New noninvasive method for coronary flow reserve assessment: contrast-enhanced transthoracic second harmonic echo Doppler. Circulation. 99, 771-778 (1999).
- Barrick, C. J., Rojas, M., Schoonhoven, R., Smyth, S. S., Threadgill, D. W. Cardiac response to pressure overload in 129S1/SvImJ and C57BL/6J mice: temporal- and background-dependent development of concentric left ventricular hypertrophy. American journal of physiology. Heart and circulatory physiology. 292, H2119-H2130 (2007).
- Wikstrom, J., Gronros, J., Gan, L. M. Adenosine induces dilation of epicardial coronary arteries in mice: relationship between coronary flow velocity reserve and coronary flow reserve in vivo using transthoracic echocardiography. Ultrasound in medicine & biology. 34, 1053-1062 (2008).
- Snoer, M., et al. Coronary flow reserve as a link between diastolic and systolic function and exercise capacity in heart failure. European heart journal cardiovascular Imaging. 14, 677-683 (2013).
- Gan, L. M., Wikstrom, J., Fritsche-Danielson, R. Coronary flow reserve from mouse to man--from mechanistic understanding to future interventions. Journal of cardiovascular translational research. 6, 715-728 (2013).
- Mahfouz, R. A. Relation of coronary flow reserve and diastolic function to fractional pulse pressure in hypertensive patients. Echocardiography (Mount Kisco, N.Y). 30, 1084-1090 (2013).
- Kawata, T., et al. Prognostic value of coronary flow reserve assessed by transthoracic Doppler echocardiography on long-term outcome in asymptomatic patients with type 2 diabetes without overt coronary artery disease). Cardiovascular diabetology. 12, 121(2013).
- Miller, D. D., Donohue, T. J., Wolford, T. L., Kern, M. J., Bergmann, S. R. Assessment of blood flow distal to coronary artery stenoses. Correlations between myocardial positron emission tomography and poststenotic intracoronary Doppler flow reserve. Circulation. 94, 2447-2454 (1996).
- Wada, T., et al. Coronary flow velocity reserve in three major coronary arteries by transthoracic echocardiography for the functional assessment of coronary artery disease: a comparison with fractional flow reserve. European heart journal cardiovascular Imaging. 15, 399-408 (2014).
- Hartley, C. J., et al. Doppler velocity measurements from large and small arteries of mice. American journal of physiology. Heart and circulatory physiology. 301, H269-H278 (2011).
- Almeida, A. C., van Oort, R. J., Wehrens, X. H. Transverse aortic constriction in mice. Journal of visualized experiments : JoVE. , 1729(2010).
- Rockman, H. A., Wachhorst, S. P., Mao, L., Ross, J. ANG II receptor blockade prevents ventricular hypertrophy and ANF gene expression with pressure overload in mice. American Journal of Physiology. , H2468-H2475 (1994).
- Virag, J. A., Lust, R. M. Coronary artery ligation and intramyocardial injection in a murine model of infarction. Journal of visualized experiments : JoVE. , 2581(2011).
- Niu, X., et al. beta3-adrenoreceptor stimulation protects against myocardial infarction injury via eNOS and nNOS activation. PloS one. 9, e98713(2014).
- Ross, J. J., Ren, J. F., Land, W., Chandrasekaran, K., Mintz, G. S. Transthoracic high frequency (7.5 MHz) echocardiographic assessment of coronary vascular reserve and its relation to left ventricular mass. Journal of the American College of Cardiology. 16, 1393-1397 (1990).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Reimpresiones y permisos
