Ultralyd funderet vurdering af koronararterie Flow og koronar Flow Reserve Brug af trykoverbelastning Model i mus

1Cardiac Muscle Research Laboratory, Cardiovascular Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 2Division of Cardiovascular Medicine, Chi-Mei Medical Center, Tainan
* These authors contributed equally
Published 4/13/2015
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Medicine

Your institution must subscribe to JoVE's Medicine section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Chang, W. T., Fisch, S., Chen, M., Qiu, Y., Cheng, S., Liao, R. Ultrasound Based Assessment of Coronary Artery Flow and Coronary Flow Reserve Using the Pressure Overload Model in Mice. J. Vis. Exp. (98), e52598, doi:10.3791/52598 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Klinisk aortastenose (AS) er godt kendt for at fremme en gradvis stigning i venstre ventrikel (LV) afterload. For at kompensere for dette kronisk stigende hæmodynamisk belastning, LV hypertrofi (LVH) ensues som en adaptiv respons 1,2. Udviklingen af ​​LVH er ofte forbundet med abnormiteter i koronar mikrocirkulationen. Det menes, at mikrovaskulær dysfunktion bidrager til kronisk iskæmi hos disse patienter 5. Ud over koronar flow 3,4 koronar flow reserve (CFR), repræsenterer funktionelle ændringer af koronararterier 1,3 og er defineret som forholdet mellem maksimale strømningshastighed i hyperæmi til baseline strømhastighed eller hvilende strømningshastighed 4,6,7. CFR er faldet i LV ombygning 1-3,5-9 og bruges som et indeks for omfanget af funktionel sværhedsgrad af koronar dysfunktion 1,10,17. Det er kendt at blive forringet i mange former for dilateret kardiomyopati 10 og også koronar stenosis 6. CFR er også en prognostisk markør for fattige kliniske resultater 12.

LV remodeling i fastsættelsen af kardial dysfunktion såsom iskæmi eller LVH er også ledsaget af en omfattende fibrose, ændringer i koronar mikrocirkulationen og fortykkelse af kranspulsårerne 1,2. Som et resultat af disse ændringer i koronar fysiologi, der sandsynligvis ombygning af kranspulsårerne. Dette hjælper afbøde virkningerne af lav ilt diffusion og LV diastolisk dysfunktion, som kan resultere i følsomheden over for myokardieiskæmi 1,2,13.

Genetisk modificerede mus er nu en almindeligt udbredt testpræparat værktøj til at efterligne sygdomstilstande humane såsom koronar aterosklerose 5,7,10,12,17. Især trykoverbelastning model i mus er blevet bredt undersøgt 14,17. Er blevet vist trans-Aortakonstriktion model (TAC) at være forbundet med omfattende fibrose og coronary stenose resulterer delvist fra mediale fortykkelse af kranspulsårerne og med tilhørende ændringer i koronare strømningsmønstre 1,11,17,19 svarer til, hvad der ses i fastsættelsen af LVH hos mennesker. Selv om det er kendt, at langvarig trykoverbelastning fører til dekompenseret hjertesvigt i ca. 4-8 uger, virkningerne på koronar flow dynamik og flow reserve i disse modeller, tidligt i processen for sygdomsudvikling, og på forskellige stadier efter banding, endnu være klart afgrænset.

Adskillige stammer af mus er i øjeblikket tilgængelige til forskningsbrug, herunder velkarakteriseret LDLR - / - eller ApoE - / - mus 10-12, og disse har bedt udvikling af følsomme teknikker til vurdering kardiovaskulær funktion og morfologi i levende mus 11-15. Sådanne teknikker indbefatter MRI, PET, kontrast CT, højfrekvent ultralyd, og elektronstråle tomografi 2,9,17,19, som alle giver lovende alternativer til invasivmetoder såsom hjerte- catheterizations og koronarangiografi 12. Men i mus med meget lille størrelse af kranspulsårerne og høje puls (HR), billeddannelse af koronar cirkulation stadig udgør en teknisk udfordring for mange i øjeblikket tilgængelige teknikker 4,12. Interessant, har der været en eksponentiel stigning i de tekniske fremskridt inden for transtorakal Doppler ekkokardiografi (TTDE), herunder udvikling af højfrekvente matrix scanning hoveder med centerfrekvenser fra 15 til 50 MHz tillader aksiale beslutninger af ca. 30-100 um, på dybder 8-40 mm, og frame rates større end 400 frames-fanget / sek. Til gengæld har TTDE teknikker dukket op som et potentielt stærkt værktøj til billeddannelse større 2 eller endda mindre fartøjer såsom kranspulsårerne 5,12.

En anden kritisk forskud, der har givet efterforskerne at foretage billeddiagnostiske undersøgelser af karrene diagnostiske i små ennimals er omhyggeligt kontrolleret brug af bedøvelsesmidler, der opretholder hjerte og respirationsfrekvens af dyrene under billeddannelse 11. Kontrolleret anæstesi vedligeholdelse er især vigtigt for undersøgelser i forbindelse med vasodilation i mus, og effekten af anæstesi skal også undersøges nærmere i denne sammenhæng 10,11. Hos mennesker, på den anden side har TTDE-afledte CFR målinger bliver mere almindeligt anvendt værktøj til vurdering af forsnævrede og ikke-obstrueret epikardielle kranspulsårerne, overvejende venstre forreste nedadgående (LAD) koronararterie 5,16. Imidlertid har den prognostiske rolle CFR og koronar flow ændringer i asymptomatiske patienter eller mus med konserverede LV systolisk funktion i hvile været meget mindre undersøgt 16. Derfor er formålet med undersøgelsen var først at etablere et klart skridt-for-trin-protokollen, til at vurdere ændringer i koronar flow ved hjælp TTDE i en trykoverbelastning musemodel; sekund, denne undersøgelse undersøgte prognostiske tegnificance af CFR og koronare flow ændringer efter pres overbelastning stress i disse mus. Vi antager, at TTDE funderet vurdering af CFR og koronar flow kan være nyttige i tidlig påvisning af koronar dysfunktion, der kan gå forud LV dysfunktion.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

BEMÆRK: Alle procedurer blev udført i mus efter American Veterinary Medical Association (AVMA) retningslinjer og godkendt Institutional Animal Care og Brug udvalg (IACUC) protokoller.

1. Undersøgelse Design

  1. Brug 8-10 uger gamle C57BL / 6-mus (BW ~ 25 g) i undersøgelsen.
  2. Tilfældig musene (n = 11) i to grupper i undersøgelsen udvalgt til aorta banding gruppe (n = 8), og kontrolgruppen (n = 3) at gennemgå skinoperation via torakotomi.
  3. Forbered dyret til billeddannelse ved at fjerne hår fra brystet ved hjælp af rigtige spørgsmål creme, der er medicinsk kvalitet.
  4. Udfør en første ultralyd (afsnit 2) 24 timer før aorta banding at bestemme baseline parametre på dag -1, mellem en række 1% og 2,5% isofluran (blandet med 100% O 2 via næsekegle) induceret anæstesi.
  5. Vælg et medicinsk godkendt bedøvelsesmiddel (dvs. isofluran) og overvåge graden af anæstesi (2-3% til INDUce, og 1,0% for at opretholde).
    BEMÆRK: Korrekt anæstesi er afgørende i vedligeholdelse af hjerteslag ved normale fysiologiske satser (ca. 500 slag / min).
  6. Bekræft dybden af ​​bedøvelse ved tab af bevægelse fra dyret som respons på en pedal-tilbagetrækning refleks. Brug paralube dyrlæge salve på øjnene for at forhindre tørhed, mens under anæstesi.
  7. Udføre kirurgi på dag 0 20,21.
  8. For aorta banding, ligere aorta ved anvendelse af en 7-0 silkesutur omkring en tilspidset 26 G nål anbragt på buen.
    BEMÆRK: Oplysninger om forsøgsprotokollen, herunder kirurgiske aorta banding procedurer, er blevet beskrevet tidligere 20,21.
  9. Udfør post-kirurgi ultralydsscanning (afsnit 2) på dag (e) 2, 6 og 13.
  10. Aflive musene på dag 14 og høste hjerter til histologisk vurdering. Aflive dyr under anvendelse af en overdosis af pentobarbital efterfulgt af fjernelse af et vitalt organ, såsom hjertet. Anholdelse hjerter i diastole og fix med formalin Brug fremgangsmåden af hjertet høst, der er blevet beskrevet tidligere 22.
  11. Fix alle hjerte væv med bufferet 10% formalin løsning. For trichromfarvning, indlejre væv i paraffin før sektionering. Brug detaljerne trichromfarvning, der er blevet godt illustreret tidligere 14,23.
  12. Analyser data ved hjælp offline software (afsnit 3).

2. Imaging Protocol

  1. Lange og korte akse billeder af septal koronararterie (SCA) (B- Mode)
    1. Brug MS550D sonde med frekvens på 40 MHz er forbundet med aktiv-port, indstille programmet preset til "hjerte-imaging".
    2. Med dyret liggende på den opvarmede platform, og under bedøvelse styres via næsekegle placere sonden ved hjælp jernbanesystemet at opnå parasternal længdeakse visning (PSLAX) (figur 1A). Sørg altid for, at dyret holdes varm på forvarmet platm og kropstemperatur holdes på fysiologiske niveauer.
    3. Drej sonden (med kærv peger kaudalt) med uret, således at sonden vinkel er 15 ° til venstre parasternal linie (lang akse visning) (figur 1B).
    4. Juster probe vinkel ved at vippe lidt langs y-aksen af sonden for at opnå en fuld længde langsgående visning af SCA i midten af skærmen (figur 1B).
    5. Når de rigtige vartegn (aortaklappen og lungepulsåren) ses, cine butik billedet ved hjælp muligt højeste frame-rate.
    6. Ved at bruge "xy" akser mikro-manipulatorer (figur 1D), juster sonden stand til at få det klareste billede af SCA.
    7. Drej sonden 90 ° (med kærv peger kaudalt) med uret, således at notched ende af sonden er til venstre for midterlinjen (korte akse) (figur 1C).
  2. Lange og korte akse billeder af SCA (Farve-Doppler Mode)
    1. Når en B-tilstand billede er taget eller cine-lagret, skal du klikke på farven Doppler-tasten på tastaturet for at aktivere farve Doppler akustisk vindue (Figur 2).
      BEMÆRK: Dette hjælper med at isolere koronararterie (hvid pil angiver SCA) enten på lang (figur 2A) eller i korte akse (figur 2C). Rød farve som det ses i realtid og indikerer strømningsretningen (væk fra aortaklappen).
    2. Sørg for, at fokus dybde (angivet med en gul pilespids på højre på billedskærmen), ligger i centrum af kranspulsåren.
    3. Sørg for, at data registreres ved hjælp af Cine-store nøgle, til den højest mulige billedhastighed (> 100 billeder / sek).
  3. PW-Doppler Imaging af SCA (Pulserende-Wave eller PW-tilstand)
    1. Mens der i farve-Doppler-tilstand, skal du klikke på PW-tasten for at bringe en gul-indikator line op på kranspulsåren (figur 2, vises med rødt).
    2. Den gulePW linie i midten af ​​kranspulsåren med henblik på en vinkel, der er parallel med retningen af ​​flowet. Bemærk, at hastighedsmålinger er stærkt afhængige af vinklen på billedet erhvervelsen.
    3. Juster vinklen på flow (PW vinkel nøgle) og prøvevolumen (SV-tasten), således at PW vinkel nøglen er 60 ° eller mindre, og prøvevolumen fanger flyde lige i centrum af SCA.
    4. Brug cine butikken for at fange de bølgeformer, der angiver hastigheden af koronar flow på top systole (S) og diastole (D) (figur 3A og 3B), under anvendelse af 1% og 2,5% isofluran.

3. Data, Beregning og analyse

  1. Vælg den hastighed integralet værktøj (VTI) for at opnå den maksimale systoliske og diastoliske hastigheder fra de viste billeder i figur 3A og 3B.
  2. Beregn koronar flow reserve indeks (CFR) den som forholdet mellem hyperæmiske (2,5% isofluran) peak diastolisk flav hastighed til baseline (1% isofluran) peak diastolisk strømningshastighed.
  3. Beregn S / D-forholdet, som den maksimale systoliske koronar strømningshastighed / peak diastolisk koronar flow hastighed. Bestemme forholdet ved baseline (1% isofluran) og hyperæmi (2,5% isofluran).
  4. For standard hjertefunktion parametre som FS, FAC, LVM, henvises til manualerne fra producenten til at udføre dataanalyse ved hjælp af proprietær software eller henvise til Cheng JOVE papir 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Af de 11 mus, som blev undersøgt (banded, n = 8 og humbug, n = 3), var tilstrækkelige og reproducerbare billeder opnået ved en enkelt observatør på flere tidspunkter: ved baseline (D-1), D2, D6 og D13 . Desuden blev flowhastigheden på konstriktiv sted målt 2225 ± 110,9 mm / s, sammenlignet med 277,5 ± 10,51 mm / s i fingeret musene på dagen efter operationen (p <0,05). Stigningen i hastighed var kontrollen af ​​en vellykket oprettelse af trykoverbelastning model. SCA strømningshastighed, også kaldet her som CF hastighed, den fælles referenceramme, og S / D-forhold lykkedes vurderet ved baseline og under hyperæmi i alle mus. Vist i figur 3 er CF ændringer i fingeret musene under 1% og 2,5% isofluran. Den humbug gruppe viste baseline diastoliske CF hastighed på ~ 200 mm / s og hyperæmi induceret CF hastighed på> 600 mm / s. Stigningen i det diastoliske CF hastighed og blev opretholdt på 13 dage i alle mus (n = 3, p> 0,05). Visti figurerne 3E og 3F er CF ændringer konstateret i stribede mus på 1% og 2,5% isofluran hhv. Disse mus viser et lignende mønster af induktion af hyperæmiske (2,5%) i forhold til baseline (1%) CFvelocity. Men i denne gruppe, det diastoliske CF hastighed viste en dramatisk og en systematisk reduktion over 14 dages prøveperiode. Specifikt blev det diastoliske CF hastighed i denne gruppe svækket fra 600 mm / s (baseline) til <200 mm / sek (dag 13, post banding). Figur 4B opsummerer hyperæmiske respons, som ses i CF hastighedsændringer, i de to grupper af mus, vurderes over 14 dage.

CFR er beregnet som forholdet mellem peak diastolisk strømningshastighed i SCA under maksimal vasodilatation induceret af 2,5% isofluran til hvile strømningshastighed under minimal 1% isofluran. Figur 4C sammenfattes ændringerne ses i CFR som vurderet i fingeret og stribede mus. I modsætning til fingeret gruppe, viste stribede mus enmærket og vedvarende nedgang i den fælles referenceramme, der starter på dag 3 efter kirurgi og vedvarende gennem Dag 13. Dette støt fald i CFR var antydede progressiv koronar dysregulering forårsager en reduktion i myokardieperfusion, formentlig fremkaldt af stigningen i afterload grund aorta banding ( n = 4, p <0,05). Før banding blev gennemsnitlige CFR for musene beregnet som 2,53 ± 0,47, men med 13 dage efter banding, den fælles referenceramme i samme mus faldt til 0,59 ± 0,27.

Det systoliske til diastoliske koronar hastighed ratio (S / D-forhold) repræsenterer en anden indikator for koronar dysfunktion. CF forekommer væsentlige under diastole forhold til systole. Som sådan CF i diastole spiller en fremtrædende rolle i opretholdelsen af myokardie perfusion 9,15. Det er blevet rapporteret, at distalt til stedet for koronar stenose, er der en tendens til en udligning af systolisk og diastolisk bidrag til den samlede CF 17. Derudover en signifikant forskel væreblevet observeret Tween S / D-forholdet mellem normale og syge arterier 18. Blev foreslået en cut-off værdi på S / D-forholdet som 0,58 til at skelne mellem væsentlige og ikke-signifikante læsioner.

Som vist i figur 5, denne S / D-værdi steg markant i den stribede gruppe kun, både ved baseline og i hyperæmiske tilstand. Der var en signifikant reduktion af diastolisk koronar flow hastighed efter aorta banding. Dette til dels bidraget til forhøjelse af S / D-forhold (D0 til D13, 0,45 ± 0,05 til 0,83 ± 0,02 i baseline og 0,27 ± 0,02 til 0,27 ± 0,01 i hyperæmiske status). Som en kompenserende mekanisme som reaktion på nedsat iltforsyning og reduceret myocardial perfusion, LV kontraktilitet øges, hvilket resulterer i en samtidig forøgelse af koronar systolisk strømningshastighed (D0 til D13, 89,2 ± 3,2 til 202,5 ​​± 0,85 mm / sek).

De ekko data blev benchmarkes mod histopatologiske data opnåed fra hjerter, der blev høstet på dag 14 fra alle dyr. Sidstnævnte teknik er den aktuelle gold standard for koronar funktion vurdering 11. De hæmodynamiske parametre evaluerede korrelerede godt med histopatologiske ændringer i mus SCA. Som vist i figur 6, Massons Trichrome-farvning på hjertet sektioner afslørede en øget myocardial og peri-koronar arteriel fibrose i bånd gruppe (n = 4) sammenlignet med sham-gruppen (n = 2).

Som vist i figur 7 blev intra- og inter-observatør variation vurderet. For variation inden observatør blev 20 tilfældige kurver og billeder for hver mus valgt til gentagne målinger, der blev udført med en uges mellemrum. Der var ingen signifikante forskelle i peak hastigheder måles. For variation mellem observatør, to erfarne observatører evalueret bølgeform optagelser i en blindet måde. Der var ingen signifikant differenCES i værdierne opnået.

Derudover blev ingen væsentlige ændringer set i de traditionelle ekkokardiografiske parametre anvendes til at vurdere LV funktion eller hjerte fysiologi i de sidste 14 dage (figur 8 og 9).

Samlet set resultaterne af undersøgelsen viste betydelige ændringer i koronar omløb i SCA i alle mus. Det er også bemærkelsesværdigt, at ultralyd baseret-ændringer i CF forud ændringer i konventionelt vurderet LV funktion, hvilket afspejler følsomheden af ​​metoden. Selvom undersøgelsen blev udført på et meget lille antal af mus, resulterer stadig viste en høj grad af signifikans mellem de to grupper med hensyn til alle relevante parametre.

Figur 1
Figur 1:. Ultrasound-vurdering af koronar flow Den røde linje angiver the position af proben for at opnå (A) parasternal længdeakse (PSLAX) af hjertet, og (B) Modificeret parasternal kort akse visning (mod-PSALX). Den stiplede ligesom viser, at ved at dreje sonden 15 ° med uret fra position (A), kan CF påvises i SCA tæt på aorta sinus og RVOT; (C) Kort akse visning (SAX) letter billeddannelse af CF ved hjælp af tværsnitsbillede aorta-niveau (D) xy retning af sonden er indikeret.

Figur 2
Figur 2. Den koronare flow (CF) påvisning ved hjælp af mod-PSLAX og SAX synspunkter. (A) mod-PSLAX visning viser CF i lumen af SCA parallelt med den lange akse af hjertet, og ved 10-tiden position langs IVS, nær AV (B) Illustrationen af mod-PSLAX at angive location af SCA og omkringliggende strukturer (C) Den korte akse visning viser CF oprindelse fra aortaklappen mod 01:00 position. (D) Illustrationen af korte akse for at lette identifikationen af SCA. Key vartegn er i tabellen i forkortelser.

Figur 3
Figur 3: Svækket ændring af koronar flow (CF) hastighed i stribede mus under hyperæmi sammenlignet med Sham (A) Den gule linje fremhæver CF højdepunkt i systole (S) og diastole (D). (B) Illustrationen viser den maksimale systoliske og diastoliske strømningshastighed. Også vist er ændringer af diastolisk CF i fingeret musene, under (c) 1% og (D) 2,5% isofluran tyder på en hyperæmiske induktion af CF i kranspulsåren i fingeret gruppen. Baseline diastoliske CF fundne ~ 200 mm / sek og stiger til> 600 mm / sek under hyperæmi Ændringer i diastolisk CF i stribede mus under (E) 1% og (F) 2,5% isofluran. Som vist i denne gruppe, ændringerne i (E) før og efter hyperæmi, lignede det fingeret gruppen. Efter banding dog (F) blev markant svækket (fra 600 m / sek til <200 m / sek), navnlig under hyperæmi.

Figur 4
Figur 4: Sammenligning af CF hastighed og CFR ændringer i humbug og stribede mus. (A) CF hastighedsændring i begge grupper, under 1% isofluran. CF blev målt som ~ 200 mm / sek i både humbug og stribede mus, før hyperæmiske induktion. (B) CF hastighedsændring i mus, under 2,5% isofluran. CF hastighed blev kontinuerligt reduceret over dage efter aorta banding. På D13, the CF sham og stribede mus viste signifikant forskel (*: p <0,05). (C) Sammendrag af ændringen i CFR i sham og stribede mus. I forhold til de falske mus, CFR af banded mus faldt løbende, korrelerer med faldet i CF hastighed. Dette fænomen indikerer aorta banding inducerede stigning af afterload og dette bidrog til koronar dysfunktion. (N = 8, *: p <0,05). CFR = CF 2,5% / CF 1,5%)

Figur 5
Figur 5: Ændringen af S / D-forhold under 1% og 2,5% isofluran i fingeret og stribede mus (A) Ændringen af S / D-forhold i begge grupper på ikke-hyperæmi (1% isoflorane).. S / D-forhold steg efter kirurgi og var signifikant på D9 og D13, selv ved hvile (n = 11, *: p <0,05). (B) Ændringen af S / D-forholdet i begge grupper under hyperæmi (2,5% isofluran). S / D-forholdet også signifikant forøget efter kirurgi i hyperæmiske tilstand (n = 11, *: p <0,05). S / D = koronar strømningshastighed i systole / koronar flow hastighed i diastole.

Figur 6
Figur 6:. Myorcardial og pericoronary arterie fibrose opdaget af Masson Trichrome farvning Farvning blev udført i fingeret og stribede mus, to uger efter, aorta banding. (A) Kun begrænset fibrose blev observeret i midten af hulrum i LV i sham mus (20X). (B) Billederne under større forstørrelse (400X) viste også ringe fibrose omkring peri-koronare arterie område (hvid pil angivet fibrose). (C) i musen hjerte efter aorta banding, den blå fibrøs område steget markant (20X). (D) Peri-koronararterie fibrose var også betyicantly augmented i denne gruppe (pilespids) (X400). De histologiske data sammen korrelerer med vores ekko-baserede observation af koronar dysfunktion.

Figur 7
Figur 7:. Inden for og mellem observatør pålidelighed CF måling (A) intra-observatør pålidelighed anføres høj en signifikant sammenhæng (R2 = 0,92). (B) Den indbyrdes observatør pålidelighed viste også høj korrelation mellem forskellige observatører (R 2 = 0,88).

Figur 8
Figur 8:. Hjertet til legemsvægt (HW / BW) forholdet og våd til tør (W / D) forholdet lungevægt i fingeret og stribede mus (A) HW / BW-forholdet var ikke signifikant forskellig mellem fingeret og stribede mus ved dag 15 (n= 11, p> .05). (B) W / D lunge-forholdet var ens i to grupper.

Figur 9
Figur 9: Den hjertefrekvens (HR) og konventionelle ekkokardiografiske parametre (A) HR blev ikke ændret sig væsentligt.. Som vist i (B) venstre ventrikel uddrivningsfraktion (LVEF) blev ikke signifikant reduceret. (C) Fractional afkortning (FS) var ens i de to grupper. (D) Venstre ventrikel masse (LVM) viste ikke signifikant forskel i de to grupper, til 13 dage efter banding.

Fulde navn Forkortelse
Aorta stenose AS
Aortaklappen AV
Koronar flow reserve CFR
Hjerteinsufficiens CHF
Fraktioneret forkortning FS
Heart satser HR
Heart organ vægtforhold til HW / BW
Inter-ventrikulær septum IVS
Venstre atrium LA
Venstre forreste nedadgående LAD
Venstre coronararterie LCA
Venstre ventrikels uddrivningsfraktion LVEF
Venstre ventrikel LV
Venstre ventrikel hypertrofi LVH
Venstre ventrikelmasse LVM
Parasternal lange akse visning PSLAX
Lungepulsåren PA
Højre atrium RA
Højre ventrikel RV
Short-aksen visning SAX
Septumtykkelse koronararterie SCA
Systolisk til diastoliske flow nøgletal S / D
Transtorakal Doppler ekkokardiografisk TTDE
Hastighedstidsintegral VTI
Wet tørre forhold lungevægt W / D

Tabel 1: Forkortelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne ultralyd baseret undersøgelse blev ikke-invasiv vurdering af koronar flow reproducerbart udføres i realtid, over dage, i levende eksperimentelle mus; I protokollen vist potentiale til at detektere kranspulsåren dysfunktion, der var til stede på et tidligt stadium, og var forbundet med mangel på myocardial perfusion. Denne metode kan i sidste ende udnyttes som et klinisk redskab for kardiovaskulær risiko lagdeling og / eller vurdering af respons på terapeutisk intervention.

Først er en detaljeret protokol beskrevet for at visualisere de anatomiske og funktionelle ændringer i kranspulsåren af ​​den lille størrelse muse hjerte ved hjælp sekventiel billeddannelse over tid med høj frekvens farve Doppler ekkokardiografi. Ved omhyggeligt pre-udvælge et sæt supplerende akustiske vinduer med høj aksial opløsning, stramt reguleret prøvevolumen, og korrekt anæstesi kontrol, enhver erhvervsdrivende (med nogle uddannelse på ultralyd maskine) kan pForetag en alle de foreslåede trin i imaging-protokollen samt post-hoc offline analyser af de indsamlede data. Fremgangsmåden tillader reproducerbar visualisering af venstre vigtigste koronar og tillader modulering af visualiseret koronar funktion. Denne protokol kan udføres i små dyr, såsom mus eller rotter med høje hjerte og åndedræt satser. Det er muligt at opnå pålidelige data fra sekventiel billeddannelse i løbet af dage eller uger, som tillader forskere til at følge funktion ikke-invasivt og i længderetningen i en given eksperimentel model.

For det andet, undersøgelsen forsøger at vurdere små fartøjer, der er kritiske for korrekt hjertefunktion, ved at evaluere de små og tidlige ændringer i intra-koronare fysiologi (forekommer inden for minutter) inden for rammerne af den generelle tilstand af hjerte-fysiologi (fx LV-funktion). De forskellige trin i protokollen kan udføres i en ikke-invasiv, præcis og reproducerbar måde. Målingerne opnået i realtidkan opnås af enhver erhvervsdrivende med nogle uddannelse på maskinens drift og grundlæggende anatomi. Endvidere er de specifikke vaskulære indekser målt heri, såsom CFR og S / D, kan opnås ved hjælp af en offline måling software, og ikke kun den proprietære software, der leveres af maskinfabrikanten. Disse indekser kan derudover anvendes på enhver dyremodel af interesse, såsom ApoE - / - eller LDR R - / - modeller, der kan bruges til at studere atherosklerose. Derfor metoden repræsenterer en yderst translaterbar værktøj til anvendelse i undersøgelser af en række kardiovaskulære fænotyper.

Nyheden af ​​metoden ligger i dets smidighed. Det er også nemt modificeres ved hjælp af mindre justeringer såsom at ændre sonde placering, valg af probe frekvens (højeste center-frekvens skal plukkes for lav hastighed flow vurdering såsom iskæmi undersøgelser), prøve-volumen (mindre prøve-volumen udbytte mere præcis peak vurdering) og vinkel korrektion (0 ° til 60 °PW vinkel, tættere på 0 ° er mere præcis), således at enhver erhvervsdrivende kan trænes til at opnå nøjagtige absolutte hastigheder af kranspulsåren, septal eller venstre-main ved at følge anatomiske landemærker som PA eller aortaroden.

Små og tidsmæssige ændringer kan være generelt svært at måle og kan indebære en høj fejlprocent, relateret til fysiologiske ændringer i åndedræt eller puls. Fejlfinding normalt involverer identifikation af passende seværdigheder proximal til oprindelsen af ​​kranspulsåren og opretholdelse af normal fysiologisk puls. Ved at overvåge dyrs fysiologi ved hjælp af et EKG-signal overvågning værktøj, er der forbundet med billeddannende apparat, protokollen giver enhver operatør for at overvåge effekten af ​​enhver potentiel vasomodulator (vasokonstriktor eller dilatator), under billedbehandling.

Korrekt valg, rute og dosis af anæstesi niveauer kan betragtes som kritiske determinanter korrekt estimering af flow dynamik. En limitatipå af undersøgelsen kunne være brugen af ​​isofluran. Det er kendt for at forårsage hjertedepression og ændre lumen diameter i nogle undersøgelser på en dosisafhængig måde 7,10. Men billederne i denne undersøgelse opnåede inden for få minutter, og ved at bruge en tæt kontrolleret anæstesi-system, kan man præcist estimere CF, CFR og S / D på alle former for mus fysiologi herunder hypoxi, normoxi, vasodilatation, eller vaskulær konstriktion, med minimal effekt af hjertefrekvensen. En anden begrænsning er den manglende guldstandarden i korrelation mellem CFR og koronararterie lumen diameter in vivo i mus, som følge af meget lille prøvevolumen, der kan opnås fra mus. Som vist i mennesker denne ulempe kan potentielt overvindes ved histologisk vurdering af koronar morfologi med kvantitativ ekkokardiografi at skaffe koronararterie diameter 4,24.

Ved at bruge alle nødvendige skridt, der er skitseret i den billeddannende protokollen (Trin 2.1.1-2.3.4), CFR og S/ D-forholdstallene i mus kan opnås inden for minutter. Billeder i høj kvalitet gør oplysningerne robust og med lav intra- og variabilitet mellem observatør.

Sammenfattende imaging-protokollen, afgrænset heri giver en nøjagtig diagnostisk værktøj, der repræsenterer et alternativ til de eksisterende invasive muligheder såsom koronar kateterisation, Doppler-wire eller post mortem histopatologiske undersøgelser.

Samlet set resultaterne af denne undersøgelse viser, at en ikke-invasiv metode til koronar funktionel vurdering som en gennemførlig og levedygtig klinisk diagnostisk værktøj, der kan bruges i små dyr forskning. En sådan ikke-invasiv metode kunne hjælpe til i det væsentlige at minimere kravet om dyr brug, eutanasi eller obduktion i forsøgsmodeller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Depilatory cream Miltex, Inc. Surgi-Prep Apply 24 hours prior to imaging
Isoflurane Baxter International Inc. NDC 10019-773-40 2-3% for induction, and 1-1.5 % for maintenance; heart beats will be maintained at above 500 beats per minute
High Frequency Ultrasound FUJIFILM VisualSonics, Inc. Vevo 2100
High-frequency Mechanical Transducer FUJIFILM VisualSonics, Inc. MS250, MS550D, MS400

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yang, F., et al. Coronary artery remodeling in a model of left ventricular pressure overload is influenced by platelets and inflammatory cells. PloS one. 7, e40196 (2012).
  2. Cheng, H. W., et al. Assessment of right ventricular structure and function in mouse model of pulmonary artery constriction by transthoracic echocardiography. Journal of visualized experiments : JoVE. e51041 (2014).
  3. Meimoun, P., et al. Factors associated with noninvasive coronary flow reserve in severe aortic stenosis. Journal of the American Society of Echocardiography : official publication of the American Society of Echocardiography. 25, 835-841 (2012).
  4. Bratkovsky, S., et al. Measurement of coronary flow reserve in isolated hearts from mice. Acta physiologica Scandinavica. 181, 167-172 (2004).
  5. Wu, J., Zhou, Y. Q., Zou, Y., Henkelman, M. Evaluation of bi-ventricular coronary flow patterns using high-frequency ultrasound in mice with transverse aortic constriction. Ultrasound in medicine & biology. 39, 2053-2065 (2013).
  6. Hartley, C. J., et al. Effects of isoflurane on coronary blood flow velocity in young, old and ApoE(-/-) mice measured by Doppler ultrasound. Ultrasound in medicine & biology. 33, 512-521 (2007).
  7. Hartley, C. J., et al. Doppler estimation of reduced coronary flow reserve in mice with pressure overload cardiac hypertrophy. Ultrasound in medicine & biology. 34, 892-901 (2008).
  8. Saraste, A., et al. Coronary flow reserve and heart failure in experimental coxsackievirus myocarditis. A transthoracic Doppler echocardiography study. American journal of physiology. Heart and circulatory physiology. 291, H871-H875 (2006).
  9. Scherrer-Crosbie, M., Thibault, H. B. Echocardiography in translational research: of mice and men. Journal of the American Society of Echocardiography : official publication of the American Society of Echocardiography. 21, 1083-1092 (2008).
  10. Caiati, C., Montaldo, C., Zedda, N., Bina, A., Iliceto, S. New noninvasive method for coronary flow reserve assessment: contrast-enhanced transthoracic second harmonic echo Doppler. Circulation. 99, 771-778 (1999).
  11. Barrick, C. J., Rojas, M., Schoonhoven, R., Smyth, S. S., Threadgill, D. W. Cardiac response to pressure overload in 129S1/SvImJ and C57BL/6J mice: temporal- and background-dependent development of concentric left ventricular hypertrophy. American journal of physiology. Heart and circulatory physiology. 292, H2119-H2130 (2007).
  12. Wikstrom, J., Gronros, J., Gan, L. M. Adenosine induces dilation of epicardial coronary arteries in mice: relationship between coronary flow velocity reserve and coronary flow reserve in vivo using transthoracic echocardiography. Ultrasound in medicine & biology. 34, 1053-1062 (2008).
  13. Snoer, M., et al. Coronary flow reserve as a link between diastolic and systolic function and exercise capacity in heart failure. European heart journal cardiovascular Imaging. 14, 677-683 (2013).
  14. Gan, L. M., Wikstrom, J., Fritsche-Danielson, R. Coronary flow reserve from mouse to man--from mechanistic understanding to future interventions. Journal of cardiovascular translational research. 6, 715-728 (2013).
  15. Mahfouz, R. A. Relation of coronary flow reserve and diastolic function to fractional pulse pressure in hypertensive patients. Echocardiography (Mount Kisco, N.Y). 30, 1084-1090 (2013).
  16. Kawata, T., et al. Prognostic value of coronary flow reserve assessed by transthoracic Doppler echocardiography on long-term outcome in asymptomatic patients with type 2 diabetes without overt coronary artery disease). Cardiovascular diabetology. 12, 121 (2013).
  17. Miller, D. D., Donohue, T. J., Wolford, T. L., Kern, M. J., Bergmann, S. R. Assessment of blood flow distal to coronary artery stenoses. Correlations between myocardial positron emission tomography and poststenotic intracoronary Doppler flow reserve. Circulation. 94, 2447-2454 (1996).
  18. Wada, T., et al. Coronary flow velocity reserve in three major coronary arteries by transthoracic echocardiography for the functional assessment of coronary artery disease: a comparison with fractional flow reserve. European heart journal cardiovascular Imaging. 15, 399-408 (2014).
  19. Hartley, C. J., et al. Doppler velocity measurements from large and small arteries of mice. American journal of physiology. Heart and circulatory physiology. 301, H269-H278 (2011).
  20. Almeida, A. C., van Oort, R. J., Wehrens, X. H. Transverse aortic constriction in mice. Journal of visualized experiments : JoVE. 1729 (2010).
  21. Rockman, H. A., Wachhorst, S. P., Mao, L., Ross, J. ANG II receptor blockade prevents ventricular hypertrophy and ANF gene expression with pressure overload in mice. American Journal of Physiology. H2468-H2475 (1994).
  22. Virag, J. A., Lust, R. M. Coronary artery ligation and intramyocardial injection in a murine model of infarction. Journal of visualized experiments : JoVE. 2581 (2011).
  23. Niu, X., et al. beta3-adrenoreceptor stimulation protects against myocardial infarction injury via eNOS and nNOS activation. PloS one. 9, e98713 (2014).
  24. Ross, J. J., Ren, J. F., Land, W., Chandrasekaran, K., Mintz, G. S. Transthoracic high frequency (7.5 MHz) echocardiographic assessment of coronary vascular reserve and its relation to left ventricular mass. Journal of the American College of Cardiology. 16, 1393-1397 (1990).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats