Fetali del Mouse cardiovascolari Imaging mediante un sistema a ultrasuoni ad alta frequenza (30 / 45MHZ)

Sommario

Formazione immagine di ultrasuono ad alta frequenza del mouse fetale ha migliorato imaging ad alta risoluzione e può fornire precisa caratterizzazione non invasiva di sviluppo cardiaco e difetti strutturali. Il protocollo descritto nel presente documento è stato progettato per eseguire ecocardiografia fetale in tempo reale di topi in vivo.

Abstract

Difetti congeniti del cuore (CHDs) sono la causa più comune di infanzia morbilità e mortalità precoce. Rilevazione prenatale i meccanismi molecolari di CHDs è cruciale per inventare nuove strategie preventive e terapeutiche. Modelli di topo mutante sono strumenti potenti per scoprire nuovi meccanismi e modificatori di stress ambientale che guidano lo sviluppo cardiaco e loro potenziale alterazione in CHDs. Tuttavia, gli sforzi per stabilire la causalità di questi presunti collaboratori sono stati limitati a studi istologici e molecolari negli esperimenti sugli animali non-sopravvivenza, nel quale monitoraggio di parametri fisiologici ed emodinamici chiave sono spesso assenti. Tecnologia di imaging dal vivo è diventata uno strumento essenziale per stabilire l'eziologia di CHDs. In particolare, l'imaging ad ultrasuoni può essere utilizzato prenatally senza esporre chirurgicamente i feti, che permette di mantenere la loro fisiologia di base durante il monitoraggio dell'impatto dello stress ambientale sugli aspetti strutturali ed emodinamici della camera cardiaca sviluppo. Nel presente documento, utilizziamo il sistema a ultrasuoni ad alta frequenza (30/45) per esaminare il sistema cardiovascolare in topi fetali al E18.5 nell'utero alla linea di base ed in risposta all'esposizione prenatale ipossia. Dimostriamo la fattibilità del sistema per misurare dimensioni camera cardiaca, morfologia, funzione ventricolare, frequenza cardiaca fetale e indici di flusso dell'arteria ombelicale e loro alterazioni fetali topi esposti ad ipossia cronica sistemica nell'utero in tempo reale tempo.

Introduzione

Malformazioni congenite del cuore sono eterogenei difetti strutturali che si verificano durante lo sviluppo cardiaco iniziale. Gli avanzamenti tecnici correnti delle procedure operative hanno condotto ai miglioramenti significativi nei tassi di sopravvivenza dei neonati con CHDs^1,2. Tuttavia, la qualità della vita è spesso compromessa secondaria alle esigenze e l'ospedalizzazione prolungata per in scena riparazione chirurgica procedure^1,2,3,4,5. Rilevazione prenatale i meccanismi molecolari di CHDs è cruciale al fine di pianificare gli interventi precoci, per realizzare nuove strategie di prevenzione e migliorare i risultati permanente^6,7.

Anche se più fattori genetici e ambientali sono stati implicati nella patogenesi di CHDs, stabilire la causalità rimane un bisogno insoddisfatto per migliorare il sistema diagnostico, terapeutico e strategie preventive^{1,8,9 ,10,11,12}. Inoltre, esaminando il ruolo di fattori di stress nell'utero e modificatori epigenetici apre nuove sedi per le indagini future^11,12. Nell'ultimo decennio ha infatti visto rapidi progressi nel sequenziamento tecnologia di nuova generazione tra cui microarray di singolo nucleotide polymorphism (SNP), il sequenziamento dell'esoma intero e studi di metilazione del genoma, loro utilizzo nello studiare la genetica cause di malattie umane complesse, compreso spianando la strada per identificare mutazioni novelle e varianti genetiche che non sono ancora state CHDs^1,8,9,10,11 testati per la loro patogenicità in modelli animali adatti.

Tra i sistemi di modello differenti di malattia, il mouse è il modello animale di scelta, non solo per studiare i meccanismi di CHDs durante i primi cardiogenesis^13,14,15,16, ma anche per delucidare loro impatto sulla maturazione camera cardiaca e funzione a fine gestazione in fattori di stress prenatale e perinatale. Quindi, eseguendo in vivo caratterizzazione fenotipica di un cuore fetale murino, durante fasi sia precoce e tardiva di sviluppo, è fondamentale per comprendere il ruolo di queste variazioni genetiche e fattori ambientali sullo sviluppo cardiaco, e il potenziale futuro impatto sui processi di maturazione specifici di camera in topi.

Diagnosi precoce e accurata diagnosi dei difetti cardiaci durante lo sviluppo è fondamentale per interventistica pianificazione^17,18. Essere sicuro, semplice, portatile e ripetibile, l'ecografia fetale è infatti diventata la norma tecnica per la valutazione cardiaca nella clinica di imaging. Valutazione di circolazione fetale usando ultrasuono di Doppler è stato ampiamente utilizzato nella pratica clinica non solo per la rilevazione di difetti cardiaci, ma anche per rilevare le anomalie vascolari, insufficienza di placenta e restrizione della crescita intrauterina e di valutare il benessere fetale in risposta agli insulti in utero tra cui ipossiemia, malattia materna e droga tossicità^17,18. In parallelo al suo valore nella valutazione delle malattie e difetti umani, valutazione di ultrasuono dei mouse fetali ha guadagnato sempre maggiore utilità Impostazioni sperimentali^{19,20,21,22, 23}. In particolare, ecografia del cuore fetale (ecocardiografia) permette la visualizzazione sequenziale in vivo del cuore in via di sviluppo. Molti studi sperimentali hanno utilizzato tecnologie di imaging ad ultrasuoni per osservare lo sviluppo cardiovascolare fetale in topi transgenici fetali. L'ultrasuono di Doppler è stato particolarmente utile per chiarire i parametri fisiopatologici, come i modelli di flusso nella circolazione fetale sotto fisiologiche sfide o malattia condizioni^10,19. In entrambi gli esseri umani e animali, flusso o dell'ossigeno di sangue anormale al feto può derivare da varie condizioni che possono interferire con ambiente fetale nell'utero e influenzare l'asse fetoplacental, compreso le anomalie placentare, ipossia materna, il diabete gestazionale e costrizione vascolare farmacologicamente indotto^15,22. Di conseguenza, che fissa i metodi standardizzati per l'esecuzione di ultrasuoni Doppler fetale topi tremendamente potenzieranno gli studi futuri di CHDs facilitando il monitoraggio dei flussi e indici emodinamici chiavi dei circuiti cardiovascolari durante diverse fasi di sviluppo cardiaco in modelli genetici murini.

L'ultrasuono ad alta frequenza è emerso come un potente strumento per misurare i parametri fisiologici e di sviluppo del sistema cardiovascolare in modelli murini e malattie umane¹⁸. Questa tecnologia è stata ulteriormente perfezionata negli ultimi anni. Noi ed altri ricercatori abbiamo dimostrato la fattibilità di questo sistema per lo svolgimento di studi ultrasuoni altissima frequenza sul fetali del mouse cuore^{15,19,20,21,22 ,23}. Il sistema è dotato di tracciato di flusso di Doppler di colore e allineamento lineare trasduttori che generano immagini bidimensionali, dinamiche a frequenze di fotogrammi ad alta frequenza (da 30 a 50 MHz). Questi vantaggi, rispetto ai sistemi ad ultrasuoni a bassa frequenza e la generazione precedente di alta frequenza ultrasuoni^21,22, forniscono la necessaria sensibilità e risoluzione per valutazione approfondita del fetale circolatori sistema, tra cui la completa caratterizzazione delle strutture del cuore, funzione della camera e indici di flusso dei mouse fetali nei quadri sperimentali. Qui, descriviamo i metodi per eseguire la valutazione rapida di circolazione cardiopolmonare e la circolazione feto-placentare al giorno embrionale E18.5 in vivo utilizzando un sistema ad alta frequenza. Abbiamo scelto un trasduttore di 30/45 MHz che fornisce una risoluzione assiale di circa 60 µm e una risoluzione laterale di 150 µm. Tuttavia, un trasduttore di frequenza più alto (40/50 MHz) può essere scelto per analizzare le precedenti fasi di sviluppo seguendo un simile approccio metodologico. M-modalità selezionata consente la visualizzazione dei tessuti in movimento a livelli di alta risoluzione temporale (1.000 fotogrammi/s). Infine, dimostriamo la fattibilità dell'ultrasuono alta per dettagliata completa caratterizzazione fenotipica di condizione emodinamica cardiovascolare fetale e funzione nei topi alla linea di base e nella risposta allo stress prenatale ipossia.

Protocollo

La University of California, Los Angeles, cura degli animali e uso Comitato ha approvato tutte le procedure illustrate nel presente protocollo. Gli esperimenti sono stati condotti nell'ambito di uno studio continuo sotto protocolli animale attivi approvato dalla istituzionale Animal Care and uso Comitato della University of California, Los Angeles, California, USA. Cura e manipolazione degli animali seguiti gli standard della Guida per la cura e l'uso di animali da laboratorio.

1. preparazione del sistema di Imaging a ultrasuoni ad alta frequenza

1. Accendere il sistema di imaging ad ultrasuoni e l'unità di controllo di fisiologia.
2. Collegare il trasduttore di 30/45 MHz.
3. Posizionate la testina di scansione corrispondente al suo titolare vicino alla piattaforma di imaging.
4. Selezionare l'opzione di Programma di misurazione cardiaca .
5. Posto l'ecografia gel capovolto nel relativo contenitore pre-riscaldamento impostato a 37 ° C.
6. Confermare il sistema appropriato della tubazione per l'anestesia e verificare i livelli di ossigeno e isoflurano.
7. Disinfettare la piattaforma di formazione immagine e l'area di lavoro.
8. Impostare il livello di calore della piattaforma imaging per mantenere costante la temperatura corporea e la frequenza cardiaca delle dighe.

2. preparazione del Mouse incinta

1. Posizionare la diga incinta del mouse (C57/BL6) nella camera di induzione di anestesia.
2. Inducono anestesia utilizzando continuamente consegnato da inalazione isoflurane (isoflurano 2% - 3%) mescolata con ossigeno al 100% (100% O₂) con una portata di 200 mL/min in camera di induzione.
3. Trasferire l'animale sedato sulla piattaforma di imaging in posizione supina.
4. Fornire sedazione allo steady-state utilizzando un facemask collegato per l'isoflurano consegna sistema di tubazione anestesia (1,0% - 1,5%) miscelato con il 100% O₂ a 200 mL/min.
   Attenzione: Controllare la fuoriuscita di gas anestetico utilizzando un sistema di ventilazione equipaggiato con un filtro al carbone contenente canister set.
5. Nastro degli arti delicatamente agli elettrodi elettrocardiografici incorporati dopo l'applicazione del gel elettrodo per realizzare un monitoraggio costante dei tassi materni di cardiaci e respiratori.
6. Regolare il livello di isoflurane per mantenere una frequenza cardiaca media (450 + /-50 battiti/min (bpm)).
7. Mantenere la temperatura corporea all'interno di una gamma di 37,0 ° C ± 0,5 ° C. Monitorare la temperatura corporea e la frequenza cardiaca viene visualizzato sull'unità di regolatore di fisiologia.
8. I segni vitali del mouse sedato ogni 15 minuti durante la procedura di formazione immagine del documento.
9. Valutare il livello di anestesia valutando postura, frequenza cardiaca e la risposta alla punta pizzichi del mouse.
10. Applicare il balsamo oftalmica (1 goccia in ciascun occhio) per prevenire la secchezza degli occhi e danni alla cornea.
11. Rimuovere la pelliccia dal livello medio-toracico agli arti inferiori utilizzando una crema depilatoria per ridurre al minimo l'attenuazione con ultrasuoni. Rimuovere la crema 1-1,5 min dopo applicazione da un'alternanza di secco ed umido garza salviettine per prevenire danni alla pelle.

3. embrione identificazione

1. Palpare la parete addominale delicatamente per individuare i feti e li sparsi.
2. Annotare ogni embrione sull'addome della diga e definire i loro orientamenti antero-posteriore e dorso-ventrale utilizzando un marcatore.
3. Utilizzare la cervice della diga sedata come punto di riferimento. Etichettare i feti sui corni di sinistra e destra dell'utero come L1, L2, L3, ecc (lato sinistro) e R1, R2, R3, ecc (lato destro), rispettivamente (Figura 1A).
   Attenzione: Evitare di diffondere i feti con forza. 1-2 feti in ogni cucciolata possono coincidere con gli altri, rendendo il loro posizionamento e imaging inaffidabile. Escludere questi feti dall'analisi.

4. fetale cuore visualizzazione e annotazione

1. Applicare il gel per ultrasuoni pre-riscaldato sull'addome e distribuire attentamente per evitare la formazione di bolle. Aggiungere ulteriori quantità di gel sulla zona di scansione imaging.
2. Posizionare la sonda ad ultrasuoni sul suo supporto meccanico e mobilitare esso gradualmente verso la pelle a contatto con lo strato di gel spessa mentre cercavo il cuore utilizzando la modalità di scansione del B (Figura 1).
3. Fare clic sul pulsante modalità di scansione per ottenere immagini 2D. Utilizzare la vescica come un punto di riferimento per identificare il primo feto posizionato a destra o il sinistro corno uterino e contrassegnarlo come R1 o L1, rispettivamente.
4. Confermare l'orientamento destro e sinistro del feto individuo in tempo reale spostando la piattaforma di imaging nel piano orizzontale. Scansione dalla testa alla coda per annotare il muso, gli arti e la colonna vertebrale come punti di riferimento (Figura 1B, Video 1).
5. Il cuore pulsante di visualizzare e annotare il ventricolo sinistro (LV) e il ventricolo di destra (RV). Modo di Doppler di colore uso per ottimizzare la visualizzazione del cuore (Figura 1 C-G, video 1 - 2).
6. Fare clic sul pulsante scansione modalità B per ottenere un asse corto parasternale-vista, avere il LV e RV visualizzati nel loro massimo diametro al centro del frame di acquisizione dati. Avviare live imaging (Figura 1B-C).
7. Modificare l'orientamento del mouse rispetto alla scansione aerei per ottenere una vista del quattro-alloggiamento longitudinale (Figura 1). In primo luogo, identificare le strutture rimanenti del cuore come l'atria, setto interventricular e tratti di uscita destra e sinistra. Successivamente, hanno gli alloggiamenti ventricolari e atriali visualizzati nel loro diametro massimo. Quindi avviare acquisizione immagine.
8. Escludere le immagini non ottimale, oblique dall'analisi finale. Fare clic sul pulsante Cini per ottenere la registrazione continua 'Cineloops' per un minimo di 10 s, poi Salva le immagini registrate.

5. valutare la frequenza cardiaca fetale e funzione ventricolare

1. Fare clic sul pulsante M-modalità di scansione per ottenere immagini cardiache da quattro piani di camera (Video 3).
2. Una volta completate le immagini di tutti gli embrioni, visualizzare l'elenco delle registrazioni per l'analisi.
3. Escludere le immagini non ottimale, oblique dall'analisi finale.
4. Fare clic sul pulsante analisi di misura dello spessore di parete e del diametro interno ventricolare sinistra/destra in diastole (LVID, d; RVID, d) e sistole (LVID, s; RVID, s), come illustrato nella Figura 2.
5. Determinare la frequenza cardiaca fetale media giocando ognuno registrato M-modalità traccia e calcolare la misura del ciclo di un flusso di flusso seguente ciclo (la spaziatura tra picchi adiacenti).
6. Eseguire misurazioni multiple (almeno 5 per l'analisi) per ottenere la frequenza cardiaca media (Figura 2).
7. Misurare i cambiamenti temporali tra diametro diastolico interna ventricolare sinistra (LVID, d) e diametro interno ventricolare sinistro in sistole fine (LVID, s) durante tutto il ciclo cardiaco. Quindi calcolare la percentuale di accorciamento frazionario (% FS) come segue: % FS = [(LVID,d-LVID,s)/LVID, d] x100.
8. Eseguire misurazioni multiple (almeno 5 per l'analisi) per ottenere i valori medi di % FS.

6. valutare i parametri di flusso cardiopolmonare

1. Regolare il settore con un angolo di acquisizione inferiore a 60^o. Fare clic sul pulsante Doppler per eseguire misurazioni Doppler pulsato dal piano 2-D quattro camera-imaging utilizzando un trasduttore 45-MHz.
   1. In primo luogo, visualizzare la biforcazione dell'arteria polmonare per identificare il tratto di efflusso destro. Successivamente, fare clic su pulsante onda pulsata Doppler per ottenere il modello di flusso attraverso la polmonare e le valvole aortiche (Figura 3A, Video 4).
2. Ottenere misure di flusso polmonare dall'onda pulsata Doppler traccia, tra cui il picco di velocità sistolica (PkV), tempo di accelerazione (a) e il tempo di espulsione (ET).
3. Eseguire misurazioni multiple (almeno 5 per l'analisi) per ottenere misure medie come mostrato in Figura 3A (a destra).
4. Calcolare l'AT / ET ratio per ciascuna valvola di deflusso come indicatore della pervietà di tratti di deflusso e flusso sanguigno.
5. Procedere per ottenere i modelli di flusso mitrale e aortica da viste 2D apicale quattro camera mediante l'onda pulsata Doppler. In primo luogo, identificare la sinistra camere ventricolari atriali e sinistra. Successivamente, inserire il volume campione Doppler pulsato per la registrazione dei modelli Doppler mitrale afflusso e misurazione velocità diastolica precoce (E) e velocità di contrazione atriale (A) (Figura 3B)^24,25.
6. Regolare il volume campione Doppler per ottenere il modello jet aortico di Doppler. Utilizzare l'analisi per misurare l'accelerazione tempo (AT) e tempo di espulsione (ET) come illustrato in Figura 3B (a destra) il getto di Doppler aortico (Video 5)

7. valutare l'asse Feto-placentare

1. Utilizzare la scansione di Doppler di colore per visualizzare l'arteria uterina e l'albero vascolare feto-placentare utilizzando il trasduttore 45 MHz (Figura 4A).
2. Identificare i vasi ombelicali (due arterie e una vena) nel segmento intra-amniotic del cordone ombelicale, appena dopo il cavo esce dall'addome fetale.
3. Luogo onda pulsata volume campione Doppler per ottenere il modello di flusso dell'arteria ombelicale (Figura 4A).
4. Misurare i parametri di flusso vascolare picco compreso il tempo di accelerazione (a), tempo di espulsione (ET) e al massimo la velocità di flusso in sistole fine (PkV, s) usando l'onda pulsata Doppler scansione record (Figura 4B).
5. Ottenere 5 forme d'onda consecutive in ogni nave, in assenza di movimenti fetali e materni movimenti respiratori, per misurare la velocità di punta media per ciascuna nave.
6. Procedere all'embrione successivo.

8. post-Imaging monitoraggio animali

1. Spegnere il contenitore di isoflurane dopo il completamento del processo di imaging.
2. Continuare a monitorare la temperatura corporea, frequenza respiratoria e la frequenza cardiaca durante la fase di recupero.
3. Rimuovere la maschera e il sistema di tubazione collegato una volta che la diga inizia movimenti spontanei.
4. Restituire la diga all'alloggiamento appropriato e continuare osservazione secondo protocolli standard di post-procedura istituzionale.
5. Documento il momento di piena ripresa della normale attività.

9. prestazioni requisiti e considerazioni tecniche

1. Limitare il tempo di elaborazione per i feti di ~ 8 a circa 1 h per evitare gli effetti negativi dell'anestesia prolungata su segni vitali e parametri fisiologici.
2. Completare la formazione con 8-10 topi incinto per ottimizzare tecniche per motivi di immagine acquisizione e flusso della traccia in un breve lasso di tempo.

Risultati

Analisi statistiche degli indici cardiaci ed emodinamici sono state eseguite non in linea. I mezzi di 5 misurazioni consecutive in 3 immagini ottimali sono stati calcolati. I dati sono stati espressi come media ± SEM. dello studente t-test è stato utilizzato per dedurre i confronti intergruppo. Un valore P ≤ 0.05 è stato considerato statisticamente significativo.

A seguito del protocollo di cui sopra, abbiamo c...

Discussione

Malattie e malformazioni cardiovascolari sono sostanzialmente influenzati da fattori genetici e ambientali elementi¹⁹. Precedentemente abbiamo dimostrato un impatto significativo della restrizione calorica materna, avviata durante il secondo trimestre, il flusso circolatorio feto-placentare e funzione cardiaca fetale⁹.

L'ipossia prenatale è un altro fattore di stress comuni durante lo sviluppo fetale che può influenzare enormemente la fisiologia ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Vevo 2100	VisualSonics, Toronto, Ontario, Canada	N/A	Biomicroscopia ad ultrasuoni ad alta libertà. La configurazione è disponibile presso la struttura di base di fisiologia animale, divisione di medicina molecolare, UCLA. Topi
consanguinei USA (c57/BL6)	Charles River Laboratories	N/A	Ceppo di topo selvatico Inbread