방법 논문

마우스의 이완기 기능 평가를 위한 도플러 심초음파

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DOI:

10.3791/71212

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2026년 5월 19일

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 마우스에서 수축기 기능과 기존 이완기 지수를 재현 가능하게 평가하기 위해 도플러 기반 경흉부 심초음파 접근법을 제시합니다.

초록

심부전(HF)은 심장 기능 저하가 특징인 주요 전 세계 건강 부담입니다. 이는 수축기 기능 저하나 비정상적인 이완기 이완에서 발생할 수 있으며, 이는 박출률이 보존된 심부전(HFpEF)에서 볼 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 전임상 모델과 정량적 도구는 질병 기전과 치료 개입을 연구하는 데 필수적입니다. 흉부 심초음파는 쥐 모델에서 심장 구조와 기능을 측정하는 데 널리 사용되는 비침습적 영상 기법입니다. 이 프로토콜은 흡입 마취 하에서 고주파(30–40 MHz) 변환기를 사용하여 쥐에서 고해상도 도플러 기반 심초음파를 수행하는 표준화된 방법을 설명합니다. 동물들은 심박수, 호흡, 체온을 지속적으로 모니터링하는 온도 조절 플랫폼 위에 배치되어 생리적 안정성을 보장합니다. 이 워크플로우에는 B-모드, M-모드, 펄스파 도플러, 컬러 도플러, 조직 도플러 영상을 획득하여 좌심실 구조, 수축기 성능, 기존 이완기 지수를 평가하는 작업이 포함됩니다. 오프라인 분석은 여러 심장 주기에 걸쳐 평균화된 블라인드 측정값을 사용하여 수행됩니다. 이 방법은 심장 기능을 재현 가능하게 하며, 심혈관 질환의 쥐 모델에서 종단적 연구에 적합합니다.

서론

심부전(HF)은 전 세계적으로 6,400만 명 이상에게 영향을 미치며, 이환율과 사망률의 주요 원인으로 남아 있습니다 1,2. 임상적으로는 박출률 감소(HFrEF), 경도 박출률 감소(HFmrEF), 보존박출률(HFpEF)로 분류됩니다3,4. HFpEF의 증가하는 유병률과 표적 치료법의 부재는 심장 표현형 분석을 위한 견고한 전임상 모델과 정량적 방법의 필요성을 강조합니다5. HFpEF의 핵심 특징 중 하나는 이완기 기능 저하로, 이는 실험 시스템에서 심실 이완과 충전 역학을 평가하는 신뢰할 수 있는 도구의 중요성을 강조합니다.

마우스 모델은 압력 과부하, 허혈 손상, 약리학적 모델 등 심혈관 질환 연구에 널리 사용되며, 유전자 변형에도 적합하다 6,7. 이 모델들에서 심장 기능의 정확하고 재현 가능한 평가가 매우 중요합니다 8,9. 흉부 심장초음파는 비침습적이고 신속하며 재현 가능한 방법을 제공하며, 반복 측정이 가능하여 질병의 경과와 잠재적 치료 개입에 대한 반응을 기록할 수 있으며, 생체 내 심장 구조와 기능을 평가할 수 있습니다 10. 또한 연구자나 연구 동물의 방사선 노출을 없애 실험 결과에 영향을 줄 수 있다는 추가적인 장점도 있습니다.

이 논문의 주요 목표는 도플러 심초음파를 이용해 쥐의 좌심실 이완기 기능을 표준화되고 재현 가능하게 평가하는 것입니다. 이 프로토콜은 기존의 승마관 유입 측정과 조직 도플러 영상을 통합하여 E/A 및 E/e′ 비율과 같은 매개변수를 정량화하는데, 이는 심실 이완과 충만압의 지표로 작용합니다. 동일 동물 내에서 종단 평가를 가능하게 함으로써, 이 기법은 전임상 심부전 모델에서 질병 진행과 치료 반응 연구를 용이하게 합니다.

도플러 심초음파가 생쥐 연구에서 개발되고 널리 사용되는 근거는 전임상 모델과 임상 심장학 간의 중개 간극을 메우는 능력에 있습니다. 침습적 혈역학 측정은 여전히 금본위이지만, 그 말기 특성상 연속 연구에서의 사용은 불가능합니다. 임상 실무에서 변형된 도플러 심초음파는 연구자들이 최소 침습 방식으로 이완기 기능의 생리학적으로 관련 있는 지수를 얻을 수 있게 합니다. 고주파 초음파 시스템의 발전으로 공간적·시간적 해상도가 더욱 향상되어, 정량적 분석을 위한 급속한 쥐 심장 주기를 정확하게 포착할 수 있게 되었습니다11.

심장 자기공명영상과 같은 대체 기법은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되며 이용 가능성이 제한적이어서 재검사가 비현실적입니다. 압력-부피 루프 분석은 이완기 기능 평가의 금본위로 여겨지지만, 침습적이고 기술적으로 까다로우며 일반적으로 말기 수술입니다. 반면, 심초음파는 정확성과 실행 가능성 사이에서 실용적인 균형을 제공하여, 소동물의 종단 표현형 분석에 가장 접근하기 쉬운 방법입니다. 스펙클 추적 긴장 영상이나 좌심방 기능 분석과 같은 신흥 접근법과 비교할 때, 기존의 도플러 기반 방법은 전문성이 덜 필요하며 실험실 전반에 더 쉽게 적용되어 재현성과 결과의 비교 가능성을 높입니다. 따라서 이 방법은 특히 HFpEF 또는 초기 심장 기능 장애에서 이완기 기능 평가를 위한 견고하고 접근 가능하며 번역 가능한 접근법을 제공합니다12,13.

프로토콜

모든 동물 시술은 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC: 승인 번호 A00007272-23-R26)의 승인을 받았으며, 기관 및 국가 지침에 따라 진행되었습니다. 총 8마리의 C57BL/6NJ 대조군 쥐가 이 연구에서 사용되었습니다. 이소플루란 마취는 적절한 청소 기능과 함께 보정된 증기 장치를 사용하여 인원 노출을 최소화하였습니다. 동물들은 생리적 안정성을 유지하고 마취 과다복용을 방지하기 위해 심박수와 호흡을 지속적으로 모니터링했습니다. 저체온증을 예방하기 위해 온열 플랫폼이 사용되었습니다. 조사관은 항문 체온계를 사용해 심부 체온을 측정할 수도 있습니다. 각막 건조를 방지하기 위해 안과 윤활제가 적용되었습니다. 동물들은 마취 상태에서 혼자 두지 않았으며, 완전히 깨어날 때까지 모니터링되었으며, 이는 우리 안에서 직립 자세와 정상적인 움직임을 회복하는 것으로 나타났습니다(재료표).

1. 동물 준비

  1. 영상 촬영 24–48시간 전에 제모 크림을 사용해 가슴털을 제거하고, 젖은 거즈로 철저히 청소하세요.
  2. 흉부 부위에서 완전히 제거하고 피부 자극과 발적이 완전히 사라진 후 영상 촬영을 하세요.
  3. 유도 전에 영상 시스템, 마취 장비, 모니터링 장비를 준비하세요.
  4. 심장 영상 프리셋을 선택하고 영상 깊이를 2–2.5 cm, 프레임 속도≥200 프레임/초로 설정하며, 게인을 조정해 심근 시각화를 최적화합니다.

2. 마취 및 생리학적 모니터링

  1. 산소 내 2–3% 이소플루란을 사용해 마취를 유도하고, 코 콘을 통해 1–1.5%를 유지합니다.
  2. 쥐를 온도 조절 가능한 플랫폼에 눕히고 팔다리를 ECG 전극에 고정하세요.
  3. 각막 건조를 방지하기 위해 안과 윤활제를 바르세요.
  4. 심박수와 호흡수를 지속적으로 모니터링하세요.
  5. 도플러 E파와 A파가 분리되도록 심박수를 약 450–500 박수/분으로 유지하세요.
    참고: 심박수가 너무 낮으면 (<400박/분) 더 깊은 마취와 변화된 부하 상태를 반영할 수 있으며, 심박수가 >500박/분)일 경우 E/A 융합이 발생할 수 있습니다. 정상적인 생리학과 최적의 도플러 신호 해석을 모두 유지하는 범위 내에서 생리학적 매개변수를 유지하세요. 약 400–500 bpm의 심박수는 E파와 A파의 명확한 분리와 이완기 측정의 정확도를 높이기 위해 권장됩니다. 이 목표 범위는 엄격한 생리학적 요구보다는 주로 측정 고려에 의해 결정됩니다. 심박수가 400bpm 미만이면 마취 상태가 더 깊어지고 부하 상태가 변화되어 이완기 지수에 영향을 줄 수 있습니다. 반대로 심박수가 550bpm 이상일 경우 E파와 A파가 융합되어 해석 가능성을 제한할 수 있습니다. 호흡 수는 분당 80–120회, 체온은 37± 0.5 °C로 유지해야 합니다. 안정을 유지하기 위해 이소플루란 농도는 점진적으로 조절해야 합니다(±0.1–0.2%).

3. 영상 작업 흐름

  1. B-모드 이미징
    1. 트랜스듀서를 흉골을 따라 위치시켜 흉골 측 장축 시야를 얻으세요.
    2. 여러 심장 주기에 걸친 심장 챔버와 벽 움직임을 보여주는 시네 루프(연속 비디오 녹화)를 확보하세요.
  2. M-모드 이미징
    1. 이식기를 위치시켜 유두근 수준에서 흉부 측근 단축 시야를 얻으세요. 여기서 좌심실은 도넛처럼 보이고, 두 개의 유두근 기저가 4시 방향과 8시 방향에 보입니다.
    2. M 모드 커서를 뇌실 중격과 후벽에 수직으로 정렬하세요.
    3. 3–5개의 심장 주기를 기록하고 분석용으로 저장하세요.
  3. LVOT 도플러
    1. 컬러 도플러를 활성화하여 대동맥 부위의 혈류를 시각화하세요.
    2. 도플러 빔을 좌심실 유출로의 흐름과 평행하게 정렬하세요.
    3. 3–5 심장 주기 동안 펄스파 도플러 신호를 기록하세요.
  4. 승모판 유입 도플러
    1. 꼭대기 4개 방 뷰를 얻으세요.
    2. 펄스 도플러 샘플 부피를 승모판 잎 끝에 배치합니다.
    3. E파와 A파를 200–300 mm/s 속도로 기록하세요.
  5. 조직 도플러 영상
    1. 샘플 부피를 비중격 승모판 고리에 위치시킵니다.
    2. 여러 심장 주기에 걸친 초기 (e′)와 후기 (a′) 조직 이완기 속도를 기록합니다.

4. 회복

  1. 마취를 중단하고 초음파 젤을 제거하세요.
  2. 쥐를 따뜻한 회복 케이지에 넣으세요.
  3. 완전히 보행 가능해질 때까지 관찰한 후 다시 주거지로 돌아가세요.

5. 영상 분석

  1. 분석 소프트웨어를 열고 시네 루프를 불러와.
  2. 이완말기와 수축말기에서 심실 치수를 측정하세요.
  3. E와 A 파동 속도를 측정하고 E/A 비율을 계산하세요.
  4. e′ 속도를 측정하고 E/e′ 비율을 계산합니다.
  5. 3–5 심장 주기 동안 평균 측정.

결과

이 프로토콜은 마우스의 심장 구조와 기능을 신뢰성 있게 평가하기 위해 고품질 심장 초음파 영상을 획득할 수 있게 합니다. 적절한 마취, 위치 조정, 생리학적 모니터링은 일관된 영상 촬영을 위해 필수적입니다(그림 1). B-모드 영상은 심장 해부학을 명확하게 시각화할 수 있게 합니다. 심단 4개 방 시점은 모든 심장 방을 평가할 수 있게 하며(그림 2A–B), 흉골 측 장축 시점은 좌심실 구조를 정의하고 측정 기준점이 됩니다(그림 3A–B). 유두근 수준에서의 M 모드 영상은 좌심실 치수와 벽 두께(LVID, LVAW, LVPW)를 정확히 측정할 수 있게 하여 심장 크기 및 수축기 기능 평가를 지원합니다. 도플러 영상은 E/A 비율 계산을 위해 승모판 유입 E 및 A 파를 구분하여 보여주며(그림 5), 조직 도플러는 E′ 및 A′ 속도를 측정 가능하게 하여 E/e′ 평가를 제공합니다(그림 6). 최적의 심박수와 프로브 정렬은 파형 융합을 방지하고 정확한 측정을 보장하는 데 매우 중요합니다.

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그림 1: 흉부 초음파 심초음파를 위한 마우스 마취 및 위치 조정. (A) 온도 제어 플랫폼, 마취 전달 시스템, ECG 전극 연결부, 초음파 프로브 위치 장치를 보여주는 영상 장치. 이 시스템은 영상 촬영 중 안정적인 생리학적 모니터링과 정밀 프로브 조작을 가능하게 설계되어 있습니다. (B) 이소플루란 전달을 위한 통합 ECG 전극과 코 콘을 갖춘 영상 플랫폼 클로즈업으로, 마취를 유지하면서 마우스를 표준화된 누운 자세로 고정하도록 설계되었습니다. (C) 마취된 마우스가 영상 플랫폼에 누워 네 발 모두 수술용 테이프로 ECG 전극에 고정된 상태. 코 원추세포는 흡입된 이소플루란(1.0–1.5% 유지 비용)을 공급하며, 가슴은 최적의 영상 획득과 일관된 심장 모니터링을 위해 평평하게 정렬되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

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그림 2: 첨단 4방 B-모드 심초음파 뷰. (A) 대표적인 그레이스케일 B-모드 이미지로, 네 개의 심장 챔버(좌심방, 좌심실, 우심방, 우심실)를 단일 영상면에 보여줍니다. (B) 주요 해부학적 구조를 강조하는 주석 이미지. 초음파 탐침 은 왼쪽 외측 흉벽에 위치시키고, 최적의 시각화를 위해 두개골 방향으로 심장 꼭대기를 향해 각도를 맞춥니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

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그림 3: 흉골 측근 장축 B 모드 영상. (A) 좌심실 방, 심실 중격, 후벽을 포함한 심장 해부학을 보여주는 대표적인 흉골 측근 장축 B 모드 이미지. (B) 심장 치수의 정량적 분석을 위해 내보내는 고해상도 이미지. 이 관점은 전반적인 심장 구조를 평가하고 이후 영상 모드를 안내하는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

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그림 4: 유두근 수준에서의 M 모드 영상. (A) 중심실 수준에서 흉골 측근 단축 시점에서 유두근이 보입니다. (B) 뇌실 중격과 후벽에 수직으로 정렬된 커서가 있는 대응하는 M-모드 추적. (C) 소프트웨어 지원 분석을 이용한 M-모드 이미지로, 시스템이 심장벽을 따라 자동으로 선을 그립니다. 그 후 심장 주기별로 LVID, LVPW, LVAW 같은 값들을 계산합니다. 약어; LVID = 좌심실 내경(심실 중격과 후벽 사이의 거리); LVPW = 좌심실 후벽 두께; LVAW = 좌심실 전벽 두께; ECG = 심전도. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

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그림 5: 실험 장치 및 도플러 신호 개요. (A) 소형 동물 모델을 플랫폼 위에 배치하고, 심장 영상을 위해 흉부 부위에 초음파 탐침을 올린 실험 준비. (B) 국소적 혈류 신호 강도와 방향을 보여주는 대표적인 색상 도플러 지도. (C) 샘플 부피 배치를 시연하는 펄스파 도플러 추적과 함께 초기 (E) 및 심방 (A) 충전 속도를 보여주는 대표적인 펄스파 도플러 파형. IVRT와 IVCT가 필요하며, 심장 주기 상관관계를 위한 동시 심전도 추적이 필요합니다. 약어; IVRT = 등소적 이완 시간; IVCT = 등량 수축 시간 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

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그림 6: 심근 운동의 조직 도플러 영상. 조직 도플러 기록은 심근벽에서 수집한 초기 (E′) 및 심방(A′) 성분을 식별할 수 있는 심근 속도 패턴을 보여줍니다. 파형은 전기적 및 기계적 활동을 연관시키기 위해 동기화된 심전도 트레이스와 함께 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

토론

이 프로토콜은 마우스에서 도플러 기반 경흉부 심초음파를 표준화하고 재현 가능한 접근법으로 제공하여 심장 구조, 수축기 기능, 기존 이완기 지수를 포괄적으로 평가할 수 있게 합니다. B-모드, M-모드, 도플러 영상의 결합 사용은 심혈관 질환의 전임상 모델에서 심실 치수, 수축 기능, 충전 역학을 신뢰성 있게 정량화할 수 있게 합니다.

마우스 심초음파에서 중요한 고려 사항 중 하나는 흡입 마취가 심혈관 생리학에 미치는 영향입니다. 이소플루란은 심박수를 감소시키고, 전부하와 후부하를 변화시키며, 심근 수축력을 조절하는 것으로 알려져 있으며, 이 모든 것은 이완기 기능의 도플러 유도 지수에 영향을 줄 수 있습니다15. 따라서 마취의 신중한 사용과 안정적인 생리학적 조건의 유지가 재현 가능하고 해석 가능한 측정을 보장하는 데 필수적입니다. 심박수, 체온, 호흡수의 표준화는 변동성을 최소화하고 실험 그룹 간 비교 가능성을 향상시킵니다16.

기존의 도플러 유도 지수, 예를 들어 승갑체 유입(E/A)과 조직 도플러 유도 E/e′는 이완기 기능 평가에 널리 사용되며, 표준화된 획득 프로토콜을 준수할 경우 일반적으로 재현 가능합니다. 재현성을 추가로 높여 여러 심장 주기에 걸친 측정값을 평균화하고, 관찰자 간 및 내부 변동성을 줄이기 위해 블라인드 방식으로 분석할 수 있습니다. 일관된 프로브 위치 및 영상 평면은 종단 연구에서 테스트-재테스트 신뢰성을 높이는 데 필수적입니다.

영상 촬영 중 적절한 심박수를 유지하는 것은 쥐의 고유 심박수 때문에 특히 중요합니다. 심박수가 낮아지고, 종종 더 깊은 마취와 관련이 있을 때, 변화된 부하 상태가 심실 충전 패턴에 영향을 줄 수 있습니다. 반대로 지나치게 높은 심박수는 E파와 A파의 융합을 일으켜 이완기 지수의 정확한 해석을 제한할 수 있습니다. 따라서 생리적 관련성과 도플러 신호 분리를 모두 유지하는 범위 내에서 심박수를 유지하는 것이 정확한 평가를 위해 필수적입니다19.

이 프로토콜은 이완기 기능의 기존 도플러 기반 지수에 중점을 두지만, 최근 문헌에서 주목받고 있는 더 발전된 심초음파 기법은 포함하지 않습니다. 심근 긴장 및 긴장 속도 영상, 좌심방 기능 평가(저장소, 관로, 부스터 펌프 단계 포함), 좌심실 비틀림 완화 평가는 심근 이완 및 순응에 대한 추가적인 기전적 통찰을 제공합니다19. 하지만 이러한 기법들은 전문 획득 프로토콜, 더 높은 시간 해상도, 전용 후처리 도구가 필요하므로 현재 워크플로우의 범위를 벗어납니다. 이러한 기법들은 보다 상세한 이완기 표현형이 필요할 때 보완적 접근법으로 간주되어야 합니다16.

심초음파 외에도 심장 자기공명영상(MRI)과 침습적 압력-부피 루프 분석과 같은 대체 기법이 심장 기능에 대한 보완적 평가를 제공합니다. MRI는 높은 공간 해상도와 정확한 체적 측정을 제공하는 반면, 압력-부피 분석은 골드 스탠다드의 혈역학적 데이터를 제공합니다. 하지만 이러한 방법들은 비용, 침습성, 그리고 종단 연구에 적합성이 떨어지는 한계가 있습니다. 반면, 흉부 심장초음파는 마우스 모델에서 심장 기능을 연속적으로 평가하기 위해 빠르고 비침습적이며 널리 접근 가능한 기법으로 남아 있습니다20.

전반적으로, 이 프로토콜은 생리학적 모니터링과 표준화된 영상 기법에 주의를 기울일 때 쥐에서 고품질의 재현 가능한 심장초음파 데이터를 획득할 수 있게 합니다. 구조적, 수축기적 및 기존 이완기 측정의 통합은 이 접근법을 심장 생리학, 질병 진행, 전임상 심혈관 연구의 치료 중재를 조사하는 종단적 연구에 적합합니다.

공개 사항

저자들은 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.

감사의 글

이 연구는 NIH/NHLBI 보조금의 지원으로 HL153407되었습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
제모 크림Nair®해당 없음영상 촬영 전 제모
온열 패드VetEquip (또는 동등한 제품)해당 없음체온 유지 (~37 & deg; C)
고주파 초음파 시스템후지필름 비주얼소닉스Vevo F2 (또는 동등한 모델)심장 프리셋이 있는 소동물 영상 시스템
영상 플랫폼비주얼소닉통합 플랫폼심전도(ECG) 및/nbsp; 호흡 모니터링
유도실 및 노즈 콘VetEquip (또는 동등한 제품)해당 없음가스 마취 투여
아이소플루란 증기VetEquip (또는 동등한 제품)고전적 마취 시스템(또는 동등한 시스템)마취 전달 시스템
선형 배열 변환기 (30-40 MHz)비주얼소닉MS550D마우스 심장 영상용 고주파 프로브
안과 윤활제일반(예: Refresh PM/동등)해당 없음각막 건조를 방지합니다
수술용 테이프3M(또는 이에 상응하는 것)마이크로포어 수술용 테이프심전도(ECG)를 위해 팔다리를 고정합니다
초음파 젤파커 연구소아쿠아소닉 100 (또는 동등한 모델)음향 결합
Vevo LAB 소프트웨어비주얼소닉버전 의존이미지 획득 및 분석

참고문헌

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