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Preparazione standardizzata dell'anello coronarico di ratto e registrazione in tempo reale delle variazioni di tensione dinamica lungo il diametro del vaso

Published: June 16, 2022 doi: 10.3791/64121
* These authors contributed equally

Summary

Il presente protocollo descrive la tecnica del miografo a filo per misurare la reattività vascolare dell'arteria coronaria del ratto.

Abstract

Come evento chiave delle malattie del sistema cardiovascolare, la malattia coronarica (CAD) è stata ampiamente considerata come il principale colpevole di aterosclerosi, infarto miocardico e angina pectoris, che minacciano seriamente la vita e la salute delle persone in tutto il mondo. Tuttavia, come registrare le caratteristiche biomeccaniche dinamiche dei vasi sanguigni isolati ha a lungo sconcertato le persone. Nel frattempo, il posizionamento preciso e l'isolamento delle arterie coronarie per misurare i cambiamenti di tensione vascolare dinamica in vitro sono diventati una tendenza nello sviluppo di farmaci CAD. Il presente protocollo descrive l'identificazione macroscopica e la separazione microscopica delle arterie coronarie di ratto. La funzione di contrazione e dilatazione dell'anello coronarico lungo il diametro del vaso è stata monitorata utilizzando il sistema multi miografo stabilito. I protocolli standardizzati e programmati di misurazione della tensione dell'anello coronarico, dal campionamento all'acquisizione dei dati, migliorano enormemente la ripetibilità dei dati sperimentali, garantendo l'autenticità dei record di tensione vascolare dopo interventi fisiologici, patologici e farmacologici.

Introduction

La malattia coronarica (CAD) è stata ampiamente riconosciuta e preoccupata come una malattia cardiovascolare tipica e rappresentativa, essendo la principale causa di morte sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo 1,2. Come via di afflusso di sangue e ossigeno per la normale funzione fisiologica cardiaca, il sangue circolante entra e nutre il cuore attraverso due arterie coronarie principali e una rete vascolare del sangue sulla superficie del miocardio 3,4. I depositi di colesterolo e grasso nelle arterie coronarie interrompono l'afflusso di sangue del cuore e la violenta risposta infiammatoria del sistema vascolare, causando aterosclerosi, angina stabile, angina instabile, infarto miocardico o morte cardiaca improvvisa 5,6. In risposta alla stenosi patologica delle arterie coronarie, il battito cardiaco fisiologico accelerato compensatorio soddisfa l'afflusso di sangue del cuore stesso o degli organi vitali del corpo aumentando la produzione del ventricolo sinistro7. Se la stenosi coronarica prolungata non viene alleviata in tempo, in alcune aree del cuorepossono svilupparsi nuovi vasi sanguigni estesi. Allo stato attuale, il trattamento clinico della CAD adotta spesso trombolisi farmacologica o trombolisi meccanica chirurgica e un bypass vascolare bionico esogeno con farmaci frequenti e grande disabilità chirurgica9. Pertanto, l'indagine funzionale dell'attività fisiologica dell'arteria coronaria è ancora una svolta urgente per le malattie cardiovascolari10.

Non ci sono mezzi tecnici disponibili per rilevare l'attività fisiologica coronarica, ad eccezione dei sistemi di telemetria wireless, che possono registrare dinamicamente la pressione coronarica in vivo , la tensione vascolare, la saturazione di ossigeno nel sangue e i valori di pH11. Pertanto, considerando la segretezza e la complessità delle arterie coronarie, l'identificazione accurata e l'isolamento delle arterie coronarie sono senza dubbio le scelte migliori per esplorare molteplici meccanismi di CAD in vitro4.

Un sistema multimilografo di serie, in particolare un rilevatore di tensione microvascolare a micrografia a filo (vedi Tabella dei materiali), è un dispositivo commerciabile molto maturo per la registrazione in vitro di cambiamenti di tensione tissutale di piccoli tubi vascolari, linfatici e bronchiali con le caratteristiche di alta precisione e registrazione dinamica continua12. Il suddetto sistema è stato ampiamente utilizzato per registrare in vitro le caratteristiche di tensione tissutale di strutture di cavità con diametri da 60 μm a 10 mm. Le caratteristiche di riscaldamento continuo della piattaforma della micrografia a filo compensano in gran parte la stimolazione dell'ambiente esterno avverso. Nel frattempo, gli input costanti della miscela di gas e i valori di pH ci consentono di ottenere dati più accurati sulla tensione vascolare in uno stato fisiologico simile13. Tuttavia, considerando la complessità della localizzazione anatomica delle arterie coronarie di ratto (Figura 1), il suo isolamento ha lasciato perplessi e limitato l'esplorazione del meccanismo di malattie cardiovascolari diversificate e lo sviluppo di farmaci. Pertanto, il presente protocollo introduce in dettaglio la posizione anatomica e il processo di separazione dell'arteria coronaria del ratto, seguito dalla misurazione della tensione sulla piattaforma della micrografiaa filo 14.

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Protocol

Il protocollo animale è stato rivisto e approvato dal Comitato di gestione dell'Università di medicina tradizionale cinese di Chengdu (record n. 2021-11). Per il presente studio sono stati utilizzati ratti maschi di Sprague Dawley (SD) (260-300 g, 8-10 settimane di età). I ratti erano tenuti in una camera per animali ed erano liberi di bere e mangiare durante l'esperimento.

1. Preparazione della soluzione

  1. Preparare la soluzione salina fisiologica (PSS) sciogliendo 118 mM di NaCl, 4,7 mM di K+, 2,5 mM di CaCl2, 1,2 mM di KH2PO4, 1,2 mM di MgCl2∙6H2O, 25 mM di NaHCO3, 11 mM di D-glucosio e 5 mM di HEPES (vedi Tabella dei materiali).
  2. Preparare una soluzione salina ad alto K+ sciogliendo 58 mM di NaCl, 60 mM di K+, 2,5 mM di CaCl2, 1,2 mM di KH2PO4, 1,2 mM di MgCl2∙6H2O, 25 mM di NaHCO3, 11 mM di D-glucosio e 5 mM di HEPES.
  3. Saturare le due soluzioni di cui sopra e bollare con un gas misto di 95% O2 e 5% CO2. Nel frattempo, mantenere i valori di pH della soluzione tra 7,38 e 7,42 con 2 mM NaOH.
    NOTA: per informazioni dettagliate sulla preparazione della soluzione, vedere il riferimento15.

2. Dissezione dell'arteria coronaria del ratto

  1. Anestetizzare il ratto per inalazione di isoflurano al 2%. Confermare l'anestesia profonda con un pizzico di punta e, se necessario, somministrare anestetici aggiuntivi. Quindi aprire immediatamente la cavità toracica per esporre il cuore sul tavolo operatorio portatile a seguito di un rapportoprecedentemente pubblicato 12.
  2. Dopo aver dissociato e rimosso il cuore, drenare il sangue residuo da tutte le camere cardiache spremendo leggermente con una pinza di plastica medica. Posizionare rapidamente il cuore pre-elaborato in una capsula di Petri contenente 95% O2 + 5% DI PSS saturo di CO2 a 4 °C, con un valore di pH di 7,40.
  3. Per identificare con precisione la posizione anatomica delle arterie coronarie, regolare la postura del cuore isolato al microscopio ottico secondo il diagramma schematico (Figura 2A).
    NOTA: Nella vista frontale, il padiglione auricolare destro e l'arteria polmonare erano rispettivamente in alto a sinistra e in alto a destra.
    1. Tagliare le cavità ventricolari sinistra e destra lungo il setto interventricolare dalla radice dell'arteria polmonare con forbici chirurgiche e pinzette (Figura 2B).
  4. Per dissociare le arterie coronarie sinistra e destra dal tessuto miocardico, sezionare il ventricolo destro sotto un microscopio anatomico ottico per esporre a fondo il ramo dell'arteria coronaria destra. Quindi identificare la posizione dell'arteria coronaria sinistra ruotando il tessuto cardiaco di 45 ° in senso orario (Figura 2D).
  5. Dopo aver rimosso il tessuto miocardico appiccicoso circostante, discernere esplicitamente le arterie coronarie sinistra (circa 5 mm) e destra (circa 5 mm) pulsanti. Separare immediatamente le arterie coronarie nel mezzo e immergere completamente nella PSS a 4 °C. Acquisire un anello arterioso di circa 2 mm tagliando verticalmente l'arteria staccata con forbici anatomiche per registrare la tensione vascolare sotto diversi stimoli (Figura 2E).

3. Sospensione e fissazione dell'anello arterioso

NOTA: per i dettagli su questo passaggio, vedere il riferimento14.

  1. Preparare due fili di acciaio inossidabile da 2 cm (vedi Tabella dei materiali) e pre-immergere in soluzione PSS a 4 °C satura di 95% O2 + 5% DI CO2. Passare entrambi i fili parallelamente attraverso l'anello arterioso insieme alla direzione del vaso sotto un microscopio anatomico ottico e con fili di uguale lunghezza esposti ad entrambe le estremità della cavità vascolare.
  2. Fissare l'anello arterioso con il filo d'acciaio davanti e dietro nella vasca da bagno della micrografia a filo riempita con PSS gorgogliante con 95% O2 + 5% CO2. Ruotare la manopola a vite orizzontale per una spaziatura anteriore e posteriore appropriata in modo che i due fili siano orizzontali e l'anello arterioso sia in uno stato naturale di rilassamento.
  3. Dopo aver installato il bagno DMT sull'apparato termostatico, aprire il software di acquisizione dati (vedere Tabella dei materiali) per assicurarsi che il segnale del percorso corrispondente sia stato registrato. Impostare i seguenti parametri: calibrazione oculare (mm/div): 0,36; pressione target (kPa): 13.3; IC1/IC100: 0,9; tempo medio online: 2 s; tempo di ritardo: 60 s. Le fasi di fissazione dell'anello arterioso sono mostrate nella Figura 3.

4. Standardizzazione della tensione vascolare nell'anello arterioso del ratto

NOTA: Per diversi campioni di cavità, era necessaria una tensione iniziale ottimale per i vasi per mantenere un'attività eccezionale in vitro. Per i dettagli, si veda il riferimento15.

  1. Ottenere la tensione iniziale ottimale dell'anello arterioso applicando una tensione ragionevole lungo il diametro del vaso.
    NOTA: Sulla base del precedente studio16, la tensione massima indotta da agonisti è stata raggiunta al valore del fattore k di 0,90 con la tensione iniziale di allungamento di 1,16 ± 0,04 mN/mm (valori di riferimento per diversi campioni di vasi: valore k, 0,90-0,95; tensione iniziale, 1,16-1,52 mN/mm).
  2. A questo punto, impostare il valore di tensione vascolare visualizzato su zero. Successivamente, applicare uno stimolo di trazione di 3 mN all'anello arterioso ruotando l'asse a spirale del bagno.
  3. Dopo l'incubazione per 1 ora in tampone PSS saturo di ossigeno a 37 °C, pH 7,40, impostare nuovamente il valore di tensione su 0 mN sul pannello di controllo della tensione della micrografia a filo. Il processo di impostazione della tensione iniziale dell'anello arterioso è mostrato nella Figura 4.

5. Rilevamento della reattività dell'anello coronarico

  1. Eseguire l'attività contrattile dell'anello coronarico con la tecnica del miografo a filo14 e convalidare in tre operazioni separate stimolando con 60 mM di soluzione K + per 10 minuti ciascuna.
  2. Dopo ogni stimolazione, lavare il bagno con PSS saturo di ossigeno fino a quando il tono vascolare ritorna al suo stato iniziale.
    NOTA: Solo quando la fluttuazione di tensione delle tre misurazioni parallele era inferiore al 10% e l'ampiezza di ciascuna contrazione era superiore a 1 mN/mm, anelli arteriosi qualificati e altamente attivi potevano essere utilizzati per ulteriori esperimenti. La verifica dell'attività dell'anello coronarico del ratto è mostrata nella Figura 5.

6. Trattamento post-chirurgico

  1. Dopo l'intervento chirurgico, eutanasizzare gli animali seguendo protocolli approvati istituzionalmente.
    NOTA: Per il presente studio, gli animali sono stati sottoposti a eutanasia inalando isoflurano in eccesso.

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Representative Results

Le arterie coronarie di ratto anatomicamente posizionate e nascoste in profondità nel tessuto miocardico non sono state facilmente riconosciute. Confrontando le arterie coronarie degli esseri umani (Figura 1A) e dei ratti (Figura 1B), è stata condotta una separazione rapida e accurata delle arterie coronarie di ratto secondo il processo di campionamento in Figura 2. Dopo aver localizzato con precisione il padiglione auricolare destro, l'arteria polmonare e l'apice dalla parte anteriore al microscopio ottico, il miocardio è stato sezionato lungo la linea nera solida mostrata nella Figura 2A. Circa 5 mm del ramo interventricolare dell'arteria coronaria erano chiaramente esposti alla nostra vista. Dopo una sottile separazione del miocardio appiccicoso che circonda l'arteria del setto ventricolare, un filo di 2 cm è stato utilizzato per attraversare un anello di 2 mm dell'arteria coronaria nella direzione dell'allineamento vascolare. Istantaneamente, l'anello coronarico staccato da 2 mm è stato poi fissato sonoramente nel bagno DMT, come mostrato nella Figura 3. Dopo che una tensione iniziale di 3 mN è stata applicata all'anello arterioso (Figura 4), la sua tensione ha superato più di 2 mN applicando 60 mM K+ in parallelo tre volte (Figura 5). Pertanto, le procedure di cui sopra avevano portato a un anello coronarico isolato con un'eccellente attività fisiologica.

K+ cumulativo (20, 28, 39, 55, 77 e 108 mM) o U46619 (0,01, 0,03, 0,1, 0,3 e 1 μM) sono stati aggiunti al bagno di DMT 620M, con conseguente aumento dipendente dalla concentrazione del tono vascolare in vitro. La successiva concentrazione di K+ o U46619 (un agonista del recettore del trombossano A2 (TP)15 è stata aggiunta quando l'effetto vasocostrizione ha raggiunto un plateau. I risultati sperimentali sono mostrati nella Figura 6A,B. Per gli anelli coronarici isolati ristretti da K+ (60 mM) e U46619 (0,3 μM), il farmaco di prova apigenina (1, 3, 10, 30 e 100 μM) ha causato vasodilatazione in modo sorprendentemente dipendente dalla concentrazione (Figura 6C).

Figure 1
Figura 1: Disegni a mano libera di arterie coronarie umane e di ratto. (A) presenta le caratteristiche della distribuzione superficiale delle arterie coronarie sinistra e destra dalla vista frontale del cuore umano ed è facilmente riconoscibile ad occhio nudo. (B) dimostra le arterie coronarie sinistra e destra del ratto in profondità nel miocardio e il loro setto interventricolare ramificato. Abbreviazioni: RCA = arteria coronaria destra; LCA = arteria coronaria sinistra; ISB = ramo del setto interventricolare. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Diagramma della separazione dell'arteria coronaria nei ratti. (A) Il padiglione auricolare destro, l'arteria polmonare, l'apice e la linea anatomica del cuore di ratto sono stati osservati dalla vista frontale al microscopio ottico. (B) I lumi ventricolari sinistro e destro sono stati incisi lungo il setto dalla radice dell'arteria polmonare. (C) Posizione anatomica delle arterie coronarie sinistra e destra e del loro ramo settale interventricolare. (D) Un anello di 2 mm dell'arteria. (E) L'anello arterioso è fissato da un filo lungo la direzione della nave. Abbreviazioni: RA = padiglione auricolare destro; PA = arteria polmonare; RCA = arteria coronaria destra; ISB = ramo del setto interventricolare; LCA = arteria coronaria sinistra. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Uno schema della procedura di montaggio arterioso. L'anello arterioso con filo è stato trasferito a (A) e bloccato sul bagno DMT (B). Il filo d'acciaio è stato fissato e avvitato in senso orario in alto a sinistra (C) e in basso a sinistra (D). (E) Le ganasce sono state avvitate per fare spazio per consentire al secondo filo di passare attraverso l'anello arterioso. (F) Il secondo filo era parallelo attraverso l'anello arterioso. Il filo d'acciaio è stato fissato e avvitato in senso orario in alto a destra (G) e in basso a destra (H). (I) Le mascelle divaricate erano avvitate liberamente per lasciare l'anello arterioso nel suo stato naturale. Le linee verdi rappresentano i fili e i cilindri arancioni rappresentano l'anello arterioso isolato di 2 mm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Procedura di normalizzazione dell'anello arterioso. Dopo che la tensione dell'anello arterioso isolato fisso è tornata a 0 mN, una forza di trazione di 3 mN è stata applicata contemporaneamente all'anello arterioso. Dopo 5 minuti, la tensione vascolare è scesa a 2,5 mN. Aumentando la tensione a 3 mN e tenendola ferma per 5 minuti, la tensione dell'anello coronarico è stata inizializzata a 0 mN e riposata per 1 ora per studi successivi sulla tensione vascolare di diversi stimoli. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Il test della reattività vascolare. Tre applicazioni di 60 mM K+ hanno stimolato la tensione dell'anello coronarico isolato a più di 2 mN e le tre misurazioni sono state inferiori al 10%, suggerendo un'attività vascolare superiore. Dopo ogni stimolazione, il bagno è stato delicatamente lavato con una soluzione PSS satura di ossigeno a 37 °C fino a quando la tensione è stata di 0 mN. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Tracciante rappresentativo della contrazione cumulativa della dose dell'arteria coronaria di ratto tramite K+ o U46619. All'aumentare della dose di K+ (A) e U46619 (B), la forza è aumentata dose-dipendente. C) si riferiva all'effetto rilassante dell'apigenina sull'anello arterioso contratto da 60 mM K+ e 0,3 μM U46619 in modo dipendente dalla concentrazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Il disturbo della microcircolazione coronarica, che coinvolge una vasta gamma di pazienti con CAD, è stato gradualmente riconosciuto e ha riguardato le basi per un'adeguata perfusione del miocardio. Considerando le gravi complicanze della malattia coronarica improvvisa e delle malattie cardiovascolari, la prevenzione e il trattamento tempestivi dei farmaci sono estremamente importanti per un individuo clinico con CAD17. Inevitabilmente, la segretezza dell'anatomia coronarica e la complessità della sua struttura fisiologica hanno fortemente limitato la valutazione razionale e scientifica dell'efficacia di farmaci e trattamenti per CAD 18,19,20,21,22,23,24,25 . Indubbiamente, la localizzazione accurata e l'isolamento delle arterie coronarie attive è un prerequisito per promuovere l'esplorazione dei meccanismi patologici e la valutazione delle misure di prevenzione e trattamento delle malattie correlate alla CAD. La piattaforma della micrografia a filo è adatta per registrare incessantemente la tensione tissutale in vitro con strutture anulari e cavità, di diametro variabile da 60 μm a 10 mm. L'anello coronarico può essere fissato alla camera da due fili con un controllo costante della temperatura e dell'ossigeno. I dati di vasocostrizione e rilassamento dopo l'aggiunta di diversi farmaci vengono immessi nel computer attraverso il sensore di tensione, con dati continuamente acquisiti e documentati14.

Questo articolo descrive principalmente la posizione concreta dell'arteria coronaria di ratto e il processo di separazione. E il processo dinamico dei cambiamenti di tensione dell'arteria coronaria nei ratti è stato misurato dal sistema di micrografia a filo. Data l'eterogeneità delle specie umane e di ratto, dobbiamo essere consapevoli di queste differenze quando cerchiamo e isoliamo le arterie coronarie del ratto. Le arterie coronarie del ratto sono divise in arterie sinistra e destra con un ramo settale interventricolare indipendente. Le arterie coronarie umane sono sulla superficie del cuore, mentre le arterie coronarie del ratto sono leggermente più profonde. Durante la misurazione della tensione dell'anello arterioso, tutta la soluzione tamponata era satura e bollata con 95% O2 + 5% CO2 a 37 °C, pH = 7,40. Il processo fisso dell'anello arterioso da due fili è stato introdotto in dettaglio. L'arteria del corpo è in uno stato di micro costrizione piuttosto che in uno stato di completo rilassamento. E la funzione contrattile dell'arteria è strettamente correlata alla forza di trazione applicata a loro in una certa misura. Pertanto, è necessario standardizzare l'anello arterioso in modo che sia in uno stato di precaricamento ottimale per mantenere un'attività fisiologica vascolare superiore nell'esperimento successivo. Poiché un'elevata condizione K+ (60 mM) può depolarizzare la membrana cellulare e attivare i canali Ca2+ voltaggio-dipendenti, ciò causa l'afflusso di Ca2+ extracellulare e la contrazione arteriosa26.

Nel test di vasocostrizione e dilatazione, è stato studiato l'effetto contrattile di K + o U46619 sulle arterie coronarie di ratto. Nei risultati, K + o U46619 possono restringere costantemente le arterie coronarie dei ratti in modo dipendente dalla concentrazione agendo su canali ionici o recettori specifici. K+ restringe i vasi principalmente depolarizzando le membrane cellulari e aprendo i canali Ca2+ di tipo L2+ 27. Nel frattempo U46619, un analogo di TXA2, restringe i vasi principalmente attivando canali circolari nucleotidici-dipendenti e recettori TXA2. L'apigenina, una sorta di flavonoide, esiste ampiamente in frutta, verdura e medicine tradizionali cinesi (Semen plantaginis e starjasmine cinese)28. I risultati hanno dichiarato che l'apigenina potrebbe dilatare in modo dipendente dalla concentrazione la contrazione delle arterie coronarie per stimoli 60 mM K + e 0,3 μM U46619. Alla fine dell'esperimento, l'anello coronarico con attività favorevole è stato nuovamente convalidato aggiungendo 60 mM K +, causando vasocostrizione simile a quella della stimolazione originale. Sebbene lo studio si sia concentrato principalmente sulle arterie coronarie, il sistema di micrografia a filo era applicabile anche ad altri vasi tissutali estremamente piccoli, linfatici e bronco. In conclusione, questo articolo descriveva principalmente la posizione e l'isolamento delle arterie coronarie di ratto. Nel frattempo, i suoi cambiamenti di tensione sono stati misurati utilizzando la piattaforma del sistema di micrografia a filo, fornendo una metodologia accurata e riproducibile per l'esplorazione CAD.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato dal progetto Key R&D del Sichuan Provincial Science and Technology Plan (2022YFS0438), dalla National Natural Science Foundation of China (82104533), dalla China Postdoctoral Science Foundation (2020M683273) e dal Science & Technology Department of Sichuan Province (2021YJ0175).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Apigenin Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China 150731
CaCl2 Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China A501330
D-glucose Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China A610219
HEPES Xiya Reagent Co., Ltd., Shandong, China S3872
KCl Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China A100395
KH2PO4 Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China A100781
LabChart Professional version 8.3  ADInstruments, Australia
MgCl2·6H2O Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China A100288
Multi myograph system  Danish Myo Technology, Aarhus, Denmark 620M
NaCl Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China A100241
NaHCO3 Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China A100865
Steel wires Danish Myo Technology, Aarhus, Denmark 400447
U46619 Sigma, USA D8174

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Guo, P., An, W., Guo, Y., Sun, Z.,More

Guo, P., An, W., Guo, Y., Sun, Z., Wang, X., Zhang, S. Standardized Rat Coronary Ring Preparation and Real-Time Recording of Dynamic Tension Changes Along Vessel Diameter. J. Vis. Exp. (184), e64121, doi:10.3791/64121 (2022).

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