利用体表贴片式心电图确认小鼠心肌缺血与再灌注损伤

摘要

在小鼠心肌缺血/再灌注手术中，通常通过肉眼观察心肌苍白来确认结扎线位置是否正确。本文以雄性C57Bl/6小鼠为例，展示一种通过心电图确认缺血和再灌注的方法，以补充对心肌苍白的观察。

摘要

由于心肌重塑和心力衰竭是全球死亡的首要原因，目前已建立了多种动物模型用于相关研究。在人体中，冠状动脉内会形成病理性闭塞，而对该闭塞动脉进行再灌注被认为是维持风险心肌存活的关键措施。尽管再灌注对心肌恢复至关重要，但缺血心肌的再灌注过程本身也会造成组织损伤。缺血/再灌注损伤的生理反应和愈合过程与慢性闭塞损伤有所不同。心肌缺血/再灌注损伤正逐渐被认可为心肌梗死研究中具有临床相关性的模型。因此，建立相应的缺血/再灌注动物模型对于深入理解心肌损伤机制至关重要。通常情况下，小鼠左前降支（LAD）冠状动脉结扎后发生缺血，可通过结扎部位下方心肌出现肉眼可见的苍白来确认。然而，这种方法仅能主观判断结扎位置是否正确或一致，因为多个主要动脉的阻断均可能引起不同区域心肌的苍白。若能结合心电图变化记录，以评估结扎位置的准确性以及缺血和再灌注情况，作为对心肌苍白观察的补充手段，将有助于在小鼠模型中获得更一致的梗死面积，从而减少实验所需小鼠数量。此外，术后还可非侵入性地以时间依赖方式持续记录心电图变化。本文将演示一种通过心电图实时确认心肌缺血与再灌注的方法。

引言

心脏病仍然是全球死亡的首要原因^1,2。左心室（LV）不仅是心肌最发达的腔室，负责将血液从心脏泵送至全身³，也是心肌梗死后常见的心脏损伤部位⁴。左心室组织坏死常导致收缩性心力衰竭。动物心脏病模型对于推动生物医学心血管研究至关重要。C57Bl/6品系小鼠因其繁殖周期短、成本低且易于进行基因改造，已成为常用的动物模型。大多数用于研究心脏病的小鼠手术模型均涉及结扎左冠状动脉的前降支（LAD）。LAD有时被称为左钝缘支^5,6。LAD为左心室前壁及前外侧壁供血。LAD结扎研究旨在诱导前壁梗死，有时可扩展至下壁和侧壁区域⁷。

常用于心肌梗死研究的两种模型包括慢性闭塞型心肌梗死和心肌缺血/再灌注损伤。慢性闭塞模型通过外科手术结扎左前降支（LAD）并永久阻断其血流而建立。缺血/再灌注损伤模型的建立方法基本相同，唯一的区别在于缺血时间为短暂性，通常为30至60分钟。为实现短暂性缺血，需将闭合缝线围绕左前降支和一根并行放置于心脏心外膜表面的细小PE-10导管进行结扎，随后进入再灌注阶段，此时移除导管和结扎线，使血液重新流经动脉并灌注心肌组织。由于再灌注损伤的病理特征与人类心肌梗死的临床治疗过程相似，该手术模型被认为具有临床相关性，后者通常包括及时进行冠状动脉成形术和支架植入，或冠状动脉旁路移植术。通常情况下，在小鼠心脏手术过程中，左心室缺血可通过心肌壁出现明显的苍白外观来确认。然而，若将手术操作在心电图（ECG）垫上进行，并在持续监测条件下实施，则可在ECG波形中观察到明显的改变，从而确认小鼠心肌组织的缺血与再灌注状态。

尽管小鼠心脏在许多方面与人类心脏相似，包括具有四腔结构，但两者之间也存在差异。一个明显的差异是，成年小鼠的平均静息心率为 600 - 700 次/分钟（bpm），而成年人的平均静息心率约为 60-100 bpm^8,9。此外，在小鼠中，复极化波 J 波和 T 波常与去极化的 QRS 复合波融合，导致难以清晰辨认 ST 段¹⁰。在临床上，人类心肌缺血和心肌梗死损伤的诊断通常依赖于 T 波抬高和 ST 段抬高作为标志，后者在临床上称为ST段抬高型心肌梗死（STEMI），这使得通过心电图确认小鼠心肌缺血的过程更加复杂。人类与小鼠心电图波形的一个关键差异在于，S 波之后立即出现 J 波，随后直接过渡为负向 T 波。在小鼠急性心肌缺血期间，S 波振幅减小，并紧接着出现异常的 J 波和倒置的 T 波¹¹。T 波在小鼠中似乎并不代表复极化过程中的主要部分¹¹。尽管存在命名法以及小鼠与人类之间的差异，通过心电图确认小鼠心肌缺血及再灌注仍是可行且相对简单的。为了简化波形解读，本文将 S-J-T 之间的片段统称为 ST 段。

2013年发布的STEMI指南建议，患者从入院至球囊扩张的用时应少于90分钟¹²。这意味着从确诊患者冠状动脉闭塞到血管重新开通的时间应控制在90分钟以内。心脏持续跳动，因此具有较高的氧化代谢率和耗氧量³。为满足这一需求，每个心肌细胞均被丰富的毛细血管网络所包绕³。心脏仅需几次搏动即可耗尽其氧气和营养供应。在90分钟的时间窗内，人体中缺血的心肌区域将无法获得相当于5,400至9,000次心跳所输送的富氧血液。在同一90分钟时间窗内，小鼠的心脏则会完成54,000至63,000次搏动。小鼠缺血/再灌注损伤的实验观察时间点通常为30至60分钟。

在小鼠模型中建立一种辅助方法来确认心肌缺血与再灌注，对于提高心肌缺血/再灌注研究中数据的一致性和可重复性具有重要意义。目前仅通过肉眼观察心脏组织颜色变化的方法作为独立诊断手段并不充分。此外，在移除导管和缝线后，再灌注也并非必然发生。尽管冠状动脉已解除结扎，但在手术过程中可能已受到损伤，导致无法实现再灌注。若能记录心电图变化以确认再灌注，将优于依赖心肌苍白与潮红（红色）的视觉观察。对于未表现出缺血/再灌注损伤标志的心脏，可迅速标记，研究人员可据此及时决定后续操作方案。

最后，建立从基线到缺血期及再灌注期全程的心电图（ECG）变化记录，可使研究人员在初次手术后持续监测心脏状况。目前，研究人员在手术一结束便失去了对心脏的观察。心电图是一种简便的方法，可用于了解术后数小时至数天内心肌发生的改变。术后不同时间点记录的心电图可能揭示晚期出现的Q波，提示持续或加重的组织坏死。然而，要有效评估新出现或加重的心电图指标，必须有可用于比较的基线心电图。

本实验方案将演示如何准备、获取和解读心电图（ECG），以确认使用8至12周龄雄性C57Bl/6小鼠进行心脏缺血与再灌注的效果。

方案

对动物进行的所有外科手术均应遵循《实验动物护理与使用指南》¹³ 或其他适当的伦理准则。在开展实验前，相关方案须获得相应机构动物福利委员会的批准。

1. 心电图检查的准备工作

注意：实验开始前，请穿戴个人防护装备，包括手套、护目镜以及洁净的实验服或一次性防护服。

1. 使用不含酒精和漂白剂的去污溶液清洁心电图垫。用精细擦拭巾轻轻吸去多余的溶液，确保电极垫不被损坏。
2. 如果心电图垫具有加热功能，请开启使用。麻醉状态下的小鼠容易迅速丧失体温。将垫子加热至40–42 °C，以在整个手术过程中维持小鼠正常体温37 °C¹⁴。使用直肠温度计监测体温，并根据需要调节垫子温度，使体温维持在约37 °C。
3. 由于大多数开胸手术是在小鼠仰卧位（supine）下进行的，请确保将切换开关置于"supine"设置。许多心电图垫具有在俯卧（prone）和仰卧（supine）位置之间切换的功能。若未选择正确的体位，可能导致心电图事件的误读。
4. 使用5%吸入式异氟烷和1 L/min氧气对小鼠进行麻醉。待小鼠进入麻醉状态后，将其转移至配备麻醉鼻罩的心电图垫上，并将异氟烷浓度降至2%，氧气流速保持1 L/min。通过用镊子夹捏小鼠足部并确认其无反应，以验证麻醉效果。
5. 在小鼠眼睛上涂抹一层薄薄的眼部润滑软膏，以防止麻醉期间眼睛干燥和角膜损伤。
6. 用湿巾清洁小鼠足部，去除附着在足部或可能干扰电信号从足部传导至心电图垫的可见垫料。随后用擦拭巾将足部擦干。
7. 在心电图垫的四个金属电极上各涂抹少量高导电性电解质凝胶（体积略小于一枚美分硬币）。
   注意：务必仅使用少量凝胶，过多凝胶会使使用胶带固定足部时变得困难。此外，若在贴胶带前足部潮湿，术中足部容易从固定位置滑脱。
8. 将小鼠保持仰卧位，使用透明医用胶带将每只足部固定在对应的电极上（图1）。先将每只足部按压在胶带预定位置，再将胶带粘附于心电图垫上。确保每只被固定的足部均与电解质凝胶及电极接触良好。

2. 获取心电图

1. 根据用于采集心电图的设备，设置机器以便实时显示心电图波形。若使用超声心动图设备的生理监测设置进行心电图记录，实时B模式图像将在屏幕底部显示连续运行的心电图波形。
   注意：请参阅各设备的用户手册，以确定如何最佳配置该设备。
2. 通过按下超声心动图设备上的B模式键或其他心电图记录设备上的等效按键，启用心电图波形的实时显示。
   1. 调整分辨率以适应振幅差异。若R波峰值或Q波波谷（最低点）超出可视范围，请调节分辨率，直至整个波形的高度均可被观察到。
      注意：此操作可在超声心动图设备的生理设置选项卡下完成。点击增加或减少箭头，直至整个波形可见。
3. 每次需要获取图像时，应确保心电图记录垫上无任何工具。在记录心电图过程中，若使用镊子或手指触碰鼠标，将干扰波形。在记录任何心电图之前，务必确保鼠标静止且未被触碰地放置在心电图记录垫上。
4. 在对小鼠进行任何外科切口操作之前，使用设备的 "记录" 或 "存储" 功能。该图像将作为后续比较的基线。

3. 手术操作与心电图记录

1. 在开始前，向麻醉小鼠注射镇痛剂（丁丙诺啡，1.5 µg，腹腔注射）。缺血/再灌注手术的详细步骤也可参见其他文献⁵。
2. 通过化学或机械方法去除手术区域周围的毛发，并用聚维酮碘溶液对该区域进行消毒。使用手术刀沿食管和气管平行方向做一垂直切口。轻轻将淋巴结向切口两侧推开，直至暴露覆盖气管的薄层组织。用镊子轻轻分离组织，直至可见气管的白色软骨环。
   注意：我们通常使用Nair脱毛乳液。将乳液涂抹于手术部位约1分钟，然后用生理盐水或水彻底冲洗干净。本实验室偏好该方法，因为在手术前后需进行高分辨率超声心动图检查（可检测毛囊）。但应注意避免接触生殖器等敏感区域，并彻底冲洗Nair，以防可能的皮肤灼伤。
3. 迅速将小鼠鼻部移离鼻罩，将通气管插入小鼠口腔并朝向咽喉方向推进。当通气管尖端透过颈部暴露区域可见时，将管子对准气管起始处。一边轻轻左右摆动管子，一边施加向上的压力，直至通气管滑入气管，可通过透明气管直观确认。
4. 确保小鼠在插管过程中保持麻醉状态。若小鼠开始苏醒，应暂停插管操作，并将其重新放回鼻罩中。
5. 使用一段细绳套住小鼠的两颗门齿，并将绳子两端固定在心电图垫上，以稳定头部，确保手术期间通气管不发生移位。迅速将通气管连接至啮齿类动物呼吸机，并根据小鼠体重调整通气参数。用胶带固定通气管。
6. 用浸有温热生理盐水的纱布覆盖小鼠暴露的气管，防止组织干燥。
7. 使用手术刀沿胸骨左侧做一垂直切口。
8. 用镊子轻轻分离筋膜层与肌肉层。小心剪开下方肌肉层，避免损伤可见的血管。
9. 用镊子夹住第三根肋骨并轻轻向上提起。一只手保持对肋骨的抓握，另一只手使用手术剪小心剪开第三与第四肋骨之间的肋间组织。注意避免损伤肺部。
   注意：由于压力梯度丧失，一旦手术切口刺破胸腔，肺部几乎会立即回缩至胸腔深处。请等待肺部完全回缩后再继续操作。
10. 用镊子夹住并轻轻分离包裹心脏的薄层心包膜。
11. 插入牵开器或用手持镊子作为肋骨牵开器，将肋骨移开至可清晰看到心脏的位置。
    注意：在结扎线放置过程中，通常会将小鼠左下肢交叉置于右下肢之上，以帮助调整心脏位置，使左心耳（或称左心耳突）在结扎时更易观察。需注意，当左下肢离开电极时，无法获得有效的心电图波形。因此，建议在缝合线穿过心肌组织后、打结前，将左下肢恢复至电极上。
12. 在左心耳下方肉眼定位前降支冠状动脉（LAD）。迅速将7-0丝线锥形缝合针插入心肌，深度足以从LAD下方穿过，但不得穿透左心室腔。拉出缝合线，使缝合丝线自由端（无针端）保留约4 cm长度。
13. 开始打一个简单的缝合结。当缝合丝线的自由端穿过线圈形成结后，暂停操作。
14. 用镊子夹住缝合丝线的自由端和带针端，在正在形成的结下方、心外膜表面之上，插入一段约1 cm长的PE-10管。
15. 若小鼠左下肢处于交叉状态，应将其恢复至对应电极上。收紧结，使PE-10管被缝合固定于心脏表面。解除对小鼠的所有物理接触，以便记录心电图。
16. 让心电图波形循环约10秒。肉眼检查心电图波形，并将其记录为"阻塞时间"。若T波振幅在1分钟内未升高，需重新评估结扎线的位置。
    1. 若T波振幅未升高，可选择将该动物从研究中剔除，或尝试纠正结扎线位置。
17. 肉眼观察心肌颜色，确认左心室出现缺血性苍白。
18. 若心电图变化和心肌颜色变化均提示缺血，围绕PE-10管对缝合线打双结固定。
19. 用温热生理盐水浸湿的纱布覆盖开放的胸腔。
20. 在缺血期间，每5–10分钟记录一次心电图。

4. 使用心电图确认再灌注

1. 移除覆盖胸腔的生理盐水纱布，暴露心脏。
2. 使用刀片切断位于PE-10导管上方的缝合丝线。切断结扎线后，移除PE-10导管段，并轻柔地将缝合结扎线从心肌组织上取下。
3. 松开与小鼠的所有物理接触，让心电图波形循环约10秒。记录波形 "再灌注时间" 每5-10分钟记录一次心电图波形，直至达到预定的实验时间点。
4. 根据需要调整振幅变化的分辨率。若移除PE-10导管和结扎线后T波未发生变化，则无法确认再灌注成功。
   1. 如果移除导管后T波仍无变化，应将该动物从研究中剔除，或尝试纠正结扎位置。
5. 目视检查心肌，通过观察其恢复为红色来进一步确认再灌注。
6. 用5-0丝线缝合肋间间隙以关闭胸腔，同时对小鼠胸部施加轻柔压力，排出手术期间进入的多余空气。随后缝合肌肉层，最后缝合皮肤。注意：对胸腔施加压力可能不足以完全排出所有小鼠胸腔内的空气。  因此，应采用注射器和针头排气法，以确保完全排出所有空气。
7. 记录关闭吸入麻醉前的最后一次心电图，并将小鼠的爪子从电极上取下。将氧气流量增加至2 L/min，并持续通气直至小鼠恢复意识。
8. 在恒温控制环境中让小鼠恢复， 例如 加热垫或温控培养箱，以避免梗死范围的变异性。术后24小时给予小鼠布托啡诺镇痛，并根据小鼠面部疼痛评分按需追加给药。
   注意：Xu 也详细讨论了再灌注的操作步骤 等⁵

结果

正常小鼠心电图如图2所示，其中以字母标记电生理事件P、Q、R、S、J和T。P波代表心房初始去极化；QRS波群代表心室去极化波；J点代表早期复极，T波代表异质性复极，也称为复极恢复过程¹¹。需要注意的是，许多实验室不使用J波这一术语，而是将SJT段称为ST段^10,15-17。本文结果与分析具有代表性，基于40只小鼠的实验观察。大多数小鼠在手术过程中表现出相似的心电波形变化。对于未表现出相似波形的小鼠，标记为需进一步分析，并视为非梗死动物。类似的心电波形结果亦由Jong et al.¹⁵ 报道。

由于LAD闭塞导致区域性缺血的小鼠心脏通常表现为R波振幅增加，以及JT段的超急性高尖，随后最终出现ST段抬高。图3显示了急性心肌缺血的首个征象：T波的超急性高尖。从该图中可见，T波的振幅较基线状态有所增加。然而，此时尚不属...

讨论

利用心电图变化作为辅助手段来确认心肌缺血和再灌注，可确保结扎线放置的准确性。结扎线位置的准确对于降低动物间的数据变异性至关重要。小鼠心脏的左前降支动脉（LAD）难以直接观察，因此，在视觉苍白的基础上结合心电图变化，有助于确保结扎位置正确，并产生预期的组织损伤。

由于心电图电极贴片可提供心脏的无创视图，因此在研究过程中可多次获取心电图。这有助于更好地理解手术期间及术后发生的心脏变化。术前获取基线心电图以供术后比较至关重要。晚期阶段的心肌坏死甚至心室动脉瘤，均可通过心电生理信号的偏转及心电图形态的改变而被观察到。这些变化可能为心力衰竭的进展提供重要线索。

使用超声心动图仪器测量心电图的优点包括可在缺血/再灌注手术之前或之后同步评估心脏的结构和功能参数。该系统在记录心电图方面的局限性在于购买超声心动图设备的成本较高。然而，如果实验需要在多天内持续监测心电图，则可选择多种心电图记录装置，包括配备相应软件的远程遥测心电图单元，这些单元可编程以在不同时间间隔记录和分析心电波形。但许多心电图遥测装置需要植入手术或特殊饲养环境。此外，还存在多...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Vevo 1100	富士胶片 Visual Sonics		超声心动图仪
小鼠操作板	富士胶片 Visual Sonics		加热式心电图板
Signa-Gel			高导电性多-
电极凝胶	Parker	15-25	目的 电解质
特普贴医用胶带	3M	1527-0
PI-Spray II	药物创新	NDC 36-2013-25	ECG 板清洁剂
C57Bl6 小鼠	杰克逊实验室	000664	雄性，8–12 周龄
异氟烷麻醉系统-异氟烷	Henry Schein	NDC 1169-0500-1
Excel	微软
Systane 夜间润滑眼膏	Alcon	65050935
7-0 Perma-Hand Silk 缝合线	Ethicon	640.O32
5-0 Perma-Hand Silk 缝合线	Ethicon	K809.O32
手术剪刀	ROBOZ	RS-5881
镊子	Fine Science Tools	11052-10
纱布	Bio Nuclear Diagnostics Inc	DIS-022B
持针器	精细科学工具	12565-14
布托啡诺 CIII	帕特森兽医	0-891-9756	盐酸丁丙诺啡镇痛剂
碘伏	普渡产品	67618-150-08
Nair	Church and Dwight Co.	NRSL-22339-05