ラットにおける上腕と浅大腿動脈のフロー依存性血管拡張の超音波評価
2016年11月3日
ヒトにおける内皮機能の非侵襲的評価は、フロー媒介拡張技法によって決定することができます。研究の数千人がこの技術を使用しているが、何の研究では、ラットで非侵襲的にこのテクニックを行いませんでした。次の資料は、上腕のフロー依存性血管拡張およびラットの浅大腿動脈の非侵襲的測定を説明します。
この手順の全体的な目標は、上腕動脈と表在性大腿動脈の流れを介した拡張を測定することにより、生きているラットの血管内皮機能を非回避的に評価することです。記載されている方法は、動物の器具や犠牲なしに動脈および内皮機能の評価を提供し、それにより研究者は1匹のラットへの介入中に時間を超えて複数の測定を行うことができます。一般に、このプロトコルに不慣れな個人は、超音波画像診断が難しいため苦労しますが、動脈の解剖学的サイズのためにラットではさらに困難です。
動物に麻酔をかけた後、診察台の上に仰臥位に置き、眼科用軟膏を塗布します。各上肢と各下肢をサージカルテープでテーブルに固定します。次に、右上肢に脱毛クリームを使用して皮膚を露出させます。
同じ肢に、10ミリメートルの標準血管閉塞カフを配置します。オクルーダーをプラットフォームから離しておくと、オクルーダーを使用すると、手足が動いて画像が台無しになる可能性があります。次に、超音波装置をBモードに設定します。
次に、上腕動脈に少量の超音波ジェルを塗布します。定位ホルダーに取り付けられた超高周波リニアアレイトランスデューサーを上肢に手動で位置合わせします。上腕動脈は、約3〜5ミリメートルの深さで見えるはずです。
静脈ではなく動脈が画像化されていることを確認するには、PWモードに切り替えます。動脈は、連続的な血流を持つ隣接する静脈とは対照的に、拍動性の血流を持っています。以前と同じように動物を準備し、今だけ右下肢を持ち上げます。
次に、脱毛クリームを塗布および除去し、肉眼で見える大腿静脈に注意してください。この準備では、カフをプラットフォームに載せることなく、閉塞カフを右足首の近位に置きます。次に、超音波装置をBモードに設定します。
オクルージョンカフの近位に少量の超音波ジェルを塗布し、定位ホルダーに取り付けられた超高周波リニアアレイトランスデューサーを大腿静脈に手動で位置合わせします。浅大腿動脈は、約1〜2ミリメートルの深さで見えるはずです。PWモードを使用して、大腿静脈ではないことを確認します。
動脈は、連続的な血流を持つ隣接する静脈とは対照的に、拍動性の血流を持っています。Bモード画像を最適化するには、まず、血管の水平方向の縦方向の画像が観察されていることを確認します。次に、動脈の視界を最大化するために、超音波プローブの配置をわずかに調整します。
他の標準的な最適化戦略も使用できます。画像を最適化した後、ECGゲーティングオプションをオンにして、R-wave中にキャプチャされた画像のみが表示されるようにします。次に、各心周期の各拡張期部分で直径のフレームが1つだけ収集されるようにします。
ECGゲーティングを使用しない場合、ラットの高い心拍数と拡張期の直径をキャプチャするための高いフレームレートの組み合わせにより、10〜20秒のクリップしか許可されません。クリップ数やデータ量が増えると、解析の負担が大幅に増加します。次に、クリップの録画長をクリップあたりの最大フレーム数、または1分間にラットの心拍数よりもクリップあたり少なくとも10〜20フレーム高く設定します。
次に、Bモードで60秒のベースラインデータを記録します。次に、PWモードに切り替えます。次に、カーソルをルーメンの中央に置きます。
サンプルゲートはカーソルを基準にして自動的に配置されるため、超音波キーボードを使用して幅を調整します。次に、ドップラービームの角度を変更してから、超音波キーボードで微調整を行い、超音波の角度を60度以下に調整します。さらに調整するには、プローブをより最適な角度に傾けます。
さて、PWモードで、インソネーション角度を正しく設定して、クリップの録音長さを10秒に設定し、10秒のベロシティデータを録音します。まず、空気で満たされた10ミリリットルの注射器を使用して血管閉塞器を膨らませます。次に、チューブを折り畳み、バインダークリップで空気を密封します。
PWモードで、カフの閉塞を確認します。血流速度が明らかに低下するはずです。次に、Bモードに切り替えて、クリップの長さを60秒に設定します。
オクルージョンが 4 分 45 秒間行われるまでデータを記録します。各録音の開始時と終了時の心拍数、および各録音の合計時間に注意してください。4分45秒でPWモードに切り替えて、5秒間録音します。
次に、カフを放し、カフを外す前後5秒間録音します。カフリリース中に超音波モードを切り替えると、画像がずれる場合があり、超音波プローブをすぐに調整する必要があります。このステップを実行する練習をすることで、このステップでの効率と自信が向上するはずです。
次に、Bモードに切り替えて、データを60秒のクリップで3分間記録します。各クリップを開始したら、心拍数と時間をメモします。テスト後、動物を診察台から取り出し、胸骨の横臥を維持するのに十分な意識を取り戻すまで監視します。
記載されている手順は、8匹のリスターラットの上腕動脈および表在性大腿動脈のFMDを研究するために使用されました。分析の結果、ベースラインからの変化率で表した場合、上腕動脈と表在性大腿動脈の間に同様の血管拡張反応があることが示されました。ベースラインからの絶対変化は上腕動脈で有意に高かったが、これはおそらく血管間の大きなサイズ差によるものであった。
それにもかかわらず、上腕大腿動脈FMDと表在性大腿動脈FMDの間には、ベースラインからのパーセントまたは絶対的な変化として表されると、強い線形関係があります。他の心血管変数も、ベースライン、閉塞、充血の段階で測定されました。せん断刺激に正常化した後、ピークせん断速度への血管拡張は、表在性大腿動脈よりも上腕動脈で高かった。
これはFMDにも当てはまり、ピークせん断速度に正規化された後のベースラインからの絶対変化として表されます。ただし、パーセントと絶対FMDには強い線形関係があり、FMDの絶対値はピークせん断速度に正規化されていました。一度習得すれば、この手順は20〜30分で実行できます。
この手法を実行するときは、時間を追跡し、同じ画像サイトを維持することが重要です。私たちは、人間の研究からこの技術をラットで実施するために適応させました。この技術は、ヒトでの開発後、心血管生理学の研究者が動脈機能と内皮機能との関係、および臨床心血管疾患との関係を探求する道を開きました。
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概要
この記事では、上腕および大腿表在動脈の血流誘発拡張を用いてラットの血管内皮機能を評価するための非侵襲的方法を紹介します。この技術により、動物の器具化や犠牲を必要とせずに繰り返し測定することができます。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 血管生物学
- 非侵襲的イメージング技術
背景
- 内皮機能は血管の健康にとって重要です。
- 血流誘発拡張は内皮機能を評価する一般的な方法です。
- 過去の研究は主にヒトに焦点を当てており、動物モデルでの研究は限られていました。
- この研究は、その技術をラットに適用することでそのギャップを埋めることを目指しています。
研究の目的
- ラットの内皮機能を測定するための非侵襲的プロトコルを開発すること。
- 単一の被験者で時間をかけて複数の測定を容易にすること。
- 動物モデルにおける血管の健康についての理解を深めること。
使用した方法
- ラットは麻酔を施され、検査のために仰臥位に配置されます。
- 超音波イメージングを用いて動脈の拡張を評価します。
- 手順中に目を保護するために眼科用軟膏を適用します。
- 脱毛クリームを使用して皮膚をイメージングのために露出させます。
主な結果
- この方法は、標的動脈の血流誘発拡張を正常に測定します。
- 非侵襲的アプローチにより、同じラットでの繰り返し評価が可能になります。
- ラットの動脈の解剖学的サイズに特有の超音波イメージングの課題に対処しました。
結論
- この研究は、ラットの内皮機能を評価するための実行可能な非侵襲的技術を提供します。
- この発見は、前臨床研究における血管の健康についての理解を深める可能性があります。
- 将来の研究では、様々な介入における長期評価のためにこの方法を活用できます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Establishing non-invasive vascular function assessment in rats enables longitudinal endothelial health monitoring in preclinical models, supporting mechanistic de-risking of cardiovascular interventions. This approach provides predictive confidence in target validation by translating human-relevant hemodynamic endpoints to rodent systems, facilitating early go/no-go decisions in discovery pipelines. The method addresses a critical gap in translational research by enabling repeated measurements in the same animal, reducing biological variability and enhancing data reliability for portfolio prioritization.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses related to endothelial function and vascular homeostasis pathways.
- Operational Value: Enables biological de-risking through repeated, non-terminal measurements in vivo.
- Predictive Value: Supports target confidence by quantifying vasodilatory responses to shear stress in disease-relevant arterial beds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated vascular systems for compound screening by establishing baseline endothelial responsiveness.
- Quantitative Output: Generates shear-rate-normalized dilation metrics essential for dose-response characterization.
- Reproducibility: Standardizes image acquisition and analysis protocols to minimize inter-operator variability in multi-site studies.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models human endothelial dysfunction in preclinical hypertension, diabetes, or atherosclerosis studies.
- Translational Continuity: Bridges discovery findings to preclinical validation using clinically analogous FMD endpoints.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by correlating compound effects on vascular function with safety margins.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology workflows by providing hemodynamic phenotyping upstream of lead identification, enabling early assessment of on-target vascular effects before significant resource commitment.
- Discovery Biology: Facilitates pathway clarification by linking genetic or pharmacological manipulations to functional endothelial outputs.
- Screening: Delivers quantitative, shear-normalized dilation readouts suitable for hit confirmation and SAR development.
- Analytics: Provides time-resolved diameter and velocity metrics that enable AUC and peak response calculations for comparative analysis.
- Translational Research: Ensures mechanistic continuity by using the same physiological stimulus (reactive hyperemia) employed in human endothelial testing.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable vascular function platform applicable across therapeutic areas involving endothelial modulation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in cardiovascular target validation through direct functional assessment.
- Operational Value: Enhances standardization and scalability via ultrasound-based, non-terminal measurements.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling multiple longitudinal data points per animal, reducing cohort sizes.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by identifying vascular liabilities early in the discovery phase.
Implementation Considerations
- Requires expertise in high-frequency vascular ultrasound and rat hemodynamics.
- Depends on stereotactic transducer holders and ECG-gated imaging infrastructure.
- Necessitates standardized limb positioning and occlusion timing protocols across operators.
- Involves adaptation considerations for different rat strains and arterial accessibility.
- Limited by the technical challenge of imaging small-diameter arteries, necessitating extensive training for reliable data acquisition.
