Protokół ten przedstawia podejście echokardiografii przezklatkowej oparte na Dopplerze u myszy do powtarzalnej oceny funkcji skurczowej oraz konwencjonalnych wskaźników rozkurczowych.
Artykuł metodologiczny
Protokół ten przedstawia podejście echokardiografii przezklatkowej oparte na Dopplerze u myszy do powtarzalnej oceny funkcji skurczowej oraz konwencjonalnych wskaźników rozkurczowych.
Niewydolność serca (HF) to poważne globalne obciążenie zdrowotne, charakteryzujące się zaburzeniami funkcji serca. Może wynikać z obniżonej funkcji skurczowej lub nieprawidłowej relaksacji rozkurczowej, jak w przypadku niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową (HFpEF). Wiarygodne modele przedkliniczne i narzędzia ilościowe są niezbędne do badania mechanizmów chorób i interwencji terapeutycznych. Echokardiografia przeztorakalna to nieinwazyjna metoda obrazowania, szeroko stosowana do pomiaru struktury i funkcji serca w modelach myszych. Protokół ten opisuje standaryzowaną metodę wykonywania echokardiografii opartej na dopplerze wysokiej rozdzielczości u myszy z użyciem przetworników o wysokiej częstotliwości (30–40 MHz) pod znieczuleniem wdechowym. Zwierzęta są umieszczone na platformie z kontrolowaną temperaturą, z ciągłym monitorowaniem tętna, oddychania i temperatury ciała, aby zapewnić stabilność fizjologiczną. Workflow obejmuje pozyskiwanie obrazowania B-mode, M-mode, impulsed-wave Doppler, color Doppler oraz tkanek Dopplera w celu oceny struktury lewej komory, wydajności skurczowej oraz konwencjonalnych indeksów rozkurczowych. Analiza offline przeprowadza się na podstawie pomiarów zaślepionych i uśrednionych na przestrzeni wielu cykli serca. Metoda ta umożliwia powtarzalną ocenę funkcji serca i jest odpowiednia do badań podłużnych na myszowych modelach chorób sercowo-naczyniowych.
Niewydolność serca (HF) dotyka ponad 64 miliony osób na całym świecie i pozostaje główną przyczyną zachorowalności i śmiertelności 1,2. Klinicznie klasyfikuje się ją na niewydolność serca z obniżoną frakcją wyrzutową (HFrEF), łagodnie obniżoną frakcją wyrzutową (HFmrEF) oraz zachowaną frakcją wyrzutową (HFpEF)3,4. Rosnąca częstość występowania HFpEF oraz brak terapii celowanych podkreślają potrzebę solidnych modeli przedklinicznych i metod ilościowych do fenotypowania serca5. Centralną cechą HFpEF jest upośledzona funkcja rozkurczowa, co podkreśla znaczenie wiarygodnych narzędzi do oceny relaksacji komory i dynamiki wypełniania w układach eksperymentalnych.
Modele mysie są szeroko stosowane do badania chorób sercowo-naczyniowych, w tym przeciążenia ciśnieniowego, urazów niedokrwiennych oraz modeli farmakologicznych, i są podatne na modyfikacje genetyczne 6,7. Dokładna i powtarzalna ocena funkcji serca jest kluczowa w tych modelach 8,9. Echokardiografia przezklatkowa zapewnia nieinwazyjną, szybką i powtarzalną metodę, umożliwiającą powtarzalne pomiary dokumentujące przebieg choroby i jej reakcję na potencjalne interwencje terapeutyczne, z możliwością oceny struktury i funkcji serca in vivo10. Dodatkowo ma to eliminację ekspozycji na promieniowanie u badaczy lub zwierząt badawczych, co może zakłócić wyniki eksperymentów.
Głównym celem tego artykułu jest zapewnienie standaryzowanego i powtarzalnego podejścia do oceny funkcji rozkurczowej lewej komory u myszy za pomocą echokardiografii dopplerowskiej. Protokół ten integruje konwencjonalne pomiary przepływu transmisyjnego oraz obrazowanie tkanek Dopplera w celu ilościowego określenia parametrów takich jak stosunki E/A i E/e′, które służą jako markery relaksacji komory i ciśnienia wypełnienia. Dzięki umożliwieniu oceny podłużnej u tego samego zwierzęcia, technika ta ułatwia badanie postępu choroby i odpowiedzi terapeutycznych w przedklinicznych modelach niewydolności serca.
Uzasadnienie rozwoju i powszechnego zastosowania echokardiografii Dopplera w badaniach mysich polega na jej zdolności do niwelowania luk translacyjnych między modelami przedklinicznymi a kardiologią kliniczną. Chociaż inwazyjne pomiary hemodynamiczne pozostają złotym standardem, ich terminalny charakter uniemożliwia stosowanie w badaniach sercyjnych. Echokardiografia Dopplera, zaadaptowana z praktyki klinicznej, pozwala badaczom uzyskać fizjologicznie istotne wskaźniki funkcji rozkurczowej w sposób minimalnie inwazyjny. Postępy w systemach ultrasonografii wysokiej częstotliwości dodatkowo poprawiły rozdzielczość przestrzenną i czasową, umożliwiając dokładne rejestrowanie szybkich cykli sercowych myszy do analizy ilościowej11.
Alternatywne techniki, takie jak obrazowanie rezonansu magnetycznego serca, są kosztowne, czasochłonne i ograniczone dostępne, co czyni powtarzalne badania niepraktycznymi. Analiza pętli ciśnienia-objętości, choć uważana za złoty standard oceny funkcji rozkurczowej, jest inwazyjna, technicznie wymagająca i zazwyczaj końcowa procedura. Natomiast echokardiografia oferuje praktyczną równowagę między dokładnością a wykonalnością, czyniąc ją najbardziej dostępną metodą do fenotypowania podłużnego u małych zwierząt. W porównaniu z nowymi podejściami, takimi jak obrazowanie odkształcenia ze śledzeniem plamkami czy analiza funkcjonalna lewego przedsionka, konwencjonalne metody oparte na Dopplerze wymagają mniej specjalistycznej wiedzy i są łatwiej wdrażane w różnych laboratoriach, co zwiększa powtarzalność i porównywalność wyników. Dlatego ta metoda zapewnia solidne, dostępne i łatwe do przekształcania podejście do oceny funkcji rozkurczowej w modelach myszych, szczególnie w HFpEF lub wczesnych stadiach dysfunkcji serca12,13.
Wszystkie procedury na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt Instytucjonalnych (IACUC: Zatwierdzenie nr A00007272-23-R26) i przeprowadzone zgodnie z wytycznymi instytucjonalnymi i krajowymi. W tym badaniu wykorzystano łącznie 8 kontrolnych myszy C57BL/6NJ. Znieczulenie izofluranowe było podawane za pomocą skalibrowanego waporyzatora z odpowiednim oczyszczaniem, aby zminimalizować narażenie personelu. Zwierzęta były nieustannie monitorowane pod kątem tętna i oddychania, aby utrzymać stabilność fizjologiczną i zapobiec przedawkowaniu znieczulających. Zastosowano platformę grzewczą, aby zapobiec hipotermii. Badacze mogą zdecydować się na monitorowanie głębokiej temperatury ciała za pomocą termometru analnego. Zastosowano okulisty smar, aby zapobiec wysychaniu rogówki. Zwierzęta nie były pozostawiane bez opieki pod narkozą i były monitorowane do pełnej przytomności, co potwierdza odzyskanie pozycji pionowej i prawidłowy ruch w klatce (Tabela materiałów).
1. Przygotowanie zwierząt
2. Znieczulenie i monitorowanie fizjologiczne
3. Workflow obrazowania
4. Odbudowa
5. Analiza obrazów
Niniejszy protokół umożliwia pozyskanie wysokiej jakości obrazów echokardiograficznych w celu wiarygodnej oceny struktury i funkcji serca u myszy. Właściwa anestezja, pozycjonowanie oraz monitorowanie fizjologiczne są niezbędne dla zapewnienia spójności obrazowania. (Rycina 1)Obrazowanie w trybie B zapewnia wyraźną wizualizację anatomii serca. Widok czterojamowy z wierzchołka umożliwia ocenę wszystkich jam serca. (Rycina 2A–B), natomiast obraz w przekroju długiej osi przymostkowej pozwala zdefiniować strukturę lewej komory i służy jako punkt odniesienia dla pomiarów (Rycina 3A–B)Obrazowanie w trybie M na poziomie mięśni brodawkowatych umożliwia dokładny pomiar wymiarów oraz grubości ścian lewej komory, w tym LVID, LVAW i LVPW. (Rysunek 4A–B), co wspomaga ocenę wielkości serca i funkcji skurczowej. Obrazowanie dopplerowskie wykazuje wyraźne fale E i A przepływu przez zastawkę mitralną, co umożliwia obliczenie stosunku E/A (Rycina 5), podczas gdy doppler tkankowy dostarcza mierzalnych prędkości E′ i A′, umożliwiając ocenę wskaźnika E/e′ (Rysunek 6)Optymalna częstość akcji serca oraz prawidłowe ustawienie sondy są kluczowe, aby uniknąć zlania się fal i zapewnić dokładność pomiarów.

Rysunek 1: Znieczulenie i pozycjonowanie myszy do echokardiografii przezklatkowej. (A) Układ obrazowania przedstawiający platformę z kontrolą temperatury, system podawania znieczulenia, połączenia elektrod EKG oraz aparat do pozycjonowania głowicy ultradźwiękowej. System jest tak skonfigurowany, aby umożliwić stabilny monitoring fizjologiczny i precyzyjne manipulowanie głowicą podczas obrazowania. (B) Zbliżenie platformy obrazowej z zintegrowanymi elektrodami EKG i maską nosową do podawania izofluranu, zaprojektowaną w celu unieruchomienia myszy w standaryzowanej pozycji na plecach przy jednoczesnym utrzymaniu znieczulenia. (C) Znieczulona mysz ułożona na plecach na platformie obrazowej, z czterema łapami przymocowanymi do elektrod EKG za pomocą taśmy chirurgicznej. Maska nosowa podaje wziewny izofluran (utrzymanie na poziomie 1,0–1,5%), a klatka piersiowa jest wyrównana płasko, aby zapewnić optymalne pozyskiwanie obrazów i spójny monitoring pracy serca. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Widok echokardiograficzny w trybie B w projekcji czterojamowej z wierzchołka. (A) Reprezentatywny obraz w skali szarości w trybie B przedstawiający wszystkie cztery jamy serca: lewy przedsionek, lewą komorę, prawy przedsionek i prawą komorę w jednej płaszczyźnie obrazowania. (B) Obraz z adnotacjami wyróżniający kluczowe struktury anatomiczne. Głowica ultradźwiękowa jest umieszczona na lewej bocznej ścianie klatki piersiowej i skierowana kranialnie w stronę wierzchołka serca w celu uzyskania optymalnej wizualizacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Obrazowanie w trybie B w przekroju długiej osi przytętniczej. (A) Reprezentacyjny obraz w trybie B w przekroju długiej osi przytętniczej przedstawiający anatomię serca, w tym jamę lewej komory, przegrodę międzykomorową i ścianę tylną. (B) Obraz o wysokiej rozdzielczości wyeksportowany do ilościowej analizy wymiarów serca. Widok ten jest wykorzystywany do oceny ogólnej struktury serca i prowadzenia kolejnych trybów obrazowania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Obrazowanie w trybie M na poziomie mięśni brodawkowatych. (A) Przekrój krótkoosiowy przyparasternalny na poziomie środkowym komory z widocznymi mięśniami brodawkowatymi. (B) Odpowiadający mu zapis w trybie M z kursorem ustawionym prostopadle do przegrody międzykomorowej i ściany tylnej. (C) Obraz w trybie M z analizą wspomaganą programowo, w której system automatycznie wykrywa i wyznacza linie wzdłuż ścian serca. Następnie oblicza wartości takie jak LVID, LVPW i LVAW w cyklach serca. Skróty; LVID = wewnętrzna średnica lewej komory (odległość między przegrodą międzykomorową a ścianą tylną); LVPW = grubość tylnej ściany lewej komory; LVAW = grubość przedniej ściany lewej komory; ECG = elektrokardiogram. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Układ eksperymentalny i przegląd sygnału Dopplera. (A) Przygotowanie eksperymentalne przedstawiające model małego zwierzęcia umieszczony na platformie z głowicą ultradźwiękową przyłożoną do klatki piersiowej w celu obrazowania serca. (B) Reprezentatywna mapa kolorowego Dopplera ilustrująca intensywność i kierunek sygnału lokalnego przepływu krwi. (C) Zapis dopplerowski z użyciem fali impulsowej demonstrujący rozmieszczenie objętości próbkowania, wraz z reprezentatywnym kształtem fali dopplerowskiej z użyciem fali impulsowej wykazującym prędkości napełniania wczesnego (E) i przedsionkowego (A). Wskazano IVRT oraz IVCT, wraz z jednoczesnym zapisem EKG w celu korelacji z cyklem serca. Skróty; IVRT = czas relaksacji izowolumetrycznej; IVCT = czas skurczu izowolumetrycznego Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Obrazowanie tkankowe dopplerowskie ruchu mięśnia sercowego. Zapis dopplerowski tkanek ilustrujący wzorce prędkości mięśnia sercowego z możliwymi do zidentyfikowania komponentami wczesnym (E′) i przedsionkowym (A′), pozyskane ze ściany mięśnia sercowego. Fala jest wyświetlana wraz z zsynchronizowanym zapisem EKG w celu skorelowania aktywności elektrycznej i mechanicznej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Protokół ten zapewnia ustandaryzowane i powtarzalne podejście do echokardiografii transthorakopowej opartej na Dopplerze u myszy, umożliwiając kompleksową ocenę struktury serca, funkcji skurczowej oraz konwencjonalnych wskaźników rozkurczowych. Połączone wykorzystanie obrazowania B-mode, M-mode i Dopplera umożliwia wiarygodne określenie wymiarów komory, funkcji kurczliwej oraz dynamiki wypełnienia w przedklinicznych modelach chorób sercowo-naczyniowych14.
Kluczowym zagadnieniem w echokardiografii myszy jest wpływ znieczulenia wdechowego na fizjologię układu sercowo-naczyniowego. Izofluran jest znany ze zmniejszania tętna, zmiany obciążenia wstępnego i następczego oraz modulacji kurczliwości mięśnia sercowego, co może wpływać na indeksy funkcji rozkurczowej15 pochodzące z Dopplera. W związku z tym konieczne jest ostrożne stosowanie znieczulenia oraz utrzymanie stabilnych warunków fizjologicznych, aby zapewnić powtarzalne i interpretowalne pomiary. Standaryzacja tętna, temperatury ciała i szybkości oddechu minimalizuje zmienność i poprawia porównywalność między grupami eksperymentalnymi16.
Konwencjonalne indeksy pochodzące z Dopplera, w tym przepływ transmisalny (E/A) oraz tkankowy E/e′, są szeroko stosowane do oceny funkcji rozkurczowej i zazwyczaj można je powtórzyć, gdy stosuje się standardowe protokoły pozyskiwania17. Powtarzalność można dodatkowo zwiększyć poprzez uśrednianie pomiarów na wiele cykli serca oraz przeprowadzanie analiz w sposób zaślepiony, aby zmniejszyć zmienność między i wewnątrz obserwatora. Konsekwentne pozycjonowanie sondy i plany obrazowania są również niezbędne do poprawy wiarygodności testów i powtórek w badaniach podłużnych18.
Utrzymanie odpowiedniego tętna podczas badań obrazowych jest szczególnie ważne u myszy ze względu na ich wysokie tętno wewnętrzne. Przy niższych tętnach, często związanych z głębszym znieczuleniem serca, zmienione warunki obciążenia mogą wpływać na wzorce wypełniania komor. Z kolei nadmiernie wysokie tętno może prowadzić do fuzji fal E i A, co ogranicza dokładną interpretację indeksów rozkurczowych. Dlatego utrzymanie tętna w zakresie zachowującym zarówno istotność fizjologiczną, jak i separację sygnałów Dopplera jest niezbędne dla dokładnej oceny19.
Chociaż protokół ten koncentruje się na konwencjonalnych indeksach funkcji rozkurczowej opartych na Dopplerze, nie uwzględnia bardziej zaawansowanych technik echokardiograficznych, które zyskały na znaczeniu w literaturze współczesnej. Obrazowanie naprężenia mięśnia sercowego i częstotliwość naprężenia w ocenie funkcji lewego przedsionka (w tym fazy zbiornika, przewodu i pompy wzmacniającej) oraz ocena odkręcania lewej komory dostarczają dodatkowych mechanistycznych wglądów w rozluźnienie i zgodność mięśnia sercowego19. Jednak techniki te wymagają specjalistycznych protokołów akwizycji, wyższej rozdzielczości czasowej oraz dedykowanych narzędzi do postprocessingu, przez co wykraczają poza zakres obecnego workflow. Te metody powinny być traktowane jako podejścia uzupełniające, gdy wymagane jest bardziej szczegółowe rozkurczowe fenotypowanie16.
Oprócz echokardiografii, alternatywne techniki, takie jak rezonans magnetyczny serca (MRI) oraz inwazyjna analiza pętli ciśnienia-objętości, zapewniają uzupełniające oceny funkcji serca. MRI oferuje wysoką rozdzielczość przestrzenną i dokładne pomiary objętościowe, natomiast analiza ciśnienia-objętości dostarcza danych hemodynamicznych na złotym poziomie. Jednak te metody są ograniczone kosztami, inwazyjną i zmniejszoną przydatnością do badań podłużnych. Natomiast echokardiografia przeztorakalna pozostaje szybką, nieinwazyjną i szeroko dostępną techniką seryjnej oceny funkcji serca w modelach mysich20.
Ogólnie protokół ten umożliwia pozyskiwanie wysokiej jakości, powtarzalnych danych echokardiograficznych u myszy, przy szczególnej uwagi na monitorowanie fizjologiczne i standaryzowane techniki obrazowania. Integracja pomiarów strukturalnych, skurczowych i konwencjonalnych rozkurczowych sprawia, że to podejście jest dobrze przystosowane do badań podłużnych dotyczących fizjologii serca, postępu choroby oraz interwencji terapeutycznych w przedklinicznych badaniach sercowo-naczyniowych.
Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych.
Prace te zostały wsparte przez grant NIH/NHLBI HL153407.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Krem do depilacji | Nair® | Nie ma | Usuwanie owłosienia przed obrazowaniem obrazowym |
| Poduszka grzewcza | VetEquip (lub odpowiednik) | Nie ma | Utrzymuje temperaturę ciała (~37 &°; C) |
| System ultrasonografii wysokiej częstotliwości | FUJIFILM VisualSonics | Vevo F2 (lub odpowiednik) | System obrazowania małych zwierząt z presetami kardiologii |
| Platforma obrazowania | VisualSonics | Zintegrowana platforma | EKG i monitorowanie oddychania |
| Komora indukcyjna i Stożek nosowy | VetEquip (lub odpowiednik) | Nie ma | Podawanie znieczulenia gazowego |
| Vaporizer izofluranowy | VetEquip (lub odpowiednik) | Klasyczny system anestezjologii (lub odpowiednik) | System podawania znieczulenia |
| Przetwornik matrycowy liniowy (30-40 MHz) | VisualSonics | MS550D | Sonda wysokoczęstotliwościowa do obrazowania serca u myszy |
| Smar okulistyczny | Ogólne (np. Refresh PM/odpowiednik) | Nie ma | Zapobiega wysychaniu rogówki |
| Taśma chirurgiczna | 3M (lub równoważny) | Taśma chirurgiczna mikroporowa | Zabezpiecza kończyny do EKG |
| Żel ultradźwiękowy | Parker Labs | Aquasonic 100 (lub równoważny) | Sprzężenie akustyczne |
| Oprogramowanie Vevo LAB | VisualSonics | Zależność od wersji | Akwizycja i analiza obrazów |
Ten artykuł został opublikowany
Film wkrótce dostępny