识别早期心脏功能障碍和异质性的压强和体积超载小鼠后高频超声应变成像

1。介绍

心脏衰竭是全球发病率和死亡率的主要原因,与心脏肥大的独立危险因素(1,2)。压力超负荷引起的高血压和主动脉瓣狭窄和体积瓣膜返流引起的过载是临床上重要的发病机制诱导心脏肥大,在世界人口老龄化越来越常见。尽管压力过载和体积与增加机械过载过载为特征,呈现明显的肥大类型,压力过载导致同心肥大而体积过载引起远心性肥大。这是最近发现,心脏衰竭的回归与早期心室肥大正常化之前恢复心脏功能(2)。因此尤其重要监测左心室(LV)函数来确定治疗的疗效。

常规超声心动图被广泛用于评估心功能和心脏损伤的严重程度因其非侵入性和容易获得的功能。然而,传统的LV功能指标如射血分数(LVEF)和部分缩短(LVFS)无法区分这两种类型的LV肥大(3,4)。我们最近的研究表明,在补偿阶段,LVEF和LVFS保存在小鼠压力过载和卷过载(4)。因此,目前迫切需要识别早期功能不足和进一步进行比较分析LV肥大的压力和体积过载。

基于超声心动图speckle-tracking应变成像,也称为变形成像,是一种技术进步,开发客观地量化全球和区域心肌功能(5,6)。应变成像已经成为一种很有前途的方法评价心肌功能在人类和动物模型,优于常规超声心动图测量(7- - - - - -10)。以前的研究已经表明索引来源于应变成像的参数符合心脏磁共振评估心脏容积和射血分数(11,12)。此外,有一个很好的应变成像派生指标之间的相关性和侵入性心脏血流动力学测量评估心脏功能(13,14)。随着高频超声的发展,应变成像应用于小鼠心肌梗死模型(15),压力过载(16)和老化(10)。然而,很少有研究过的应变成像评价心室肥大在容量超负荷,相比压力过载。在这项研究中,我们的目标是利用基于speckle-tracking应变成像评价心脏功能障碍的小鼠模型压力过载和体积过载,并精心LV心肌活动差异这两个病理生理条件。

2。材料和方法

2.1。动物模型

动物研究协议是通过动物保健和使用委员会中山医院,复旦大学,按照美国国立卫生研究院的指导的护理和使用实验动物(85 - 23号,1996年修订的贝塞斯达,医学博士,美国)。成年雄性老鼠C57BL / 6 j(10 - 12周)从上海分公司获得国家啮齿类实验动物资源(上海,中国)。动物喂养24±2°C 12 h-light / 12 h-dark周期。我们使用横向主缢痕(TAC)模型和主动脉瓣返流模型(AR)诱导压力过载和体积过载,分别,正如我们前面描述的(4)。小鼠随机分为四组:Sham-T集团(虚假的TAC操作,n= 8),TAC集团(n= 12),Sham-A集团(虚假的基于“增大化现实”技术的操作,n= 8)和AR组(n= 12)。简单地说,手术麻醉下进行混合(i.p。150毫克/公斤氯胺酮和10毫克/公斤甲苯噻嗪)。TAC模型,27-gauge针放在主动脉之间的无名动脉和左颈总动脉。与6 - 0的结扎后丝绸、针被生成主缢痕。Sham-T集团做过类似的手术,但是没有结扎。对于AR模型,包含金属丝的弹性导管插入到右颈总动脉和先进的主动脉口的指导下超声成像,然后是金属丝被反复穿刺主动脉瓣膜尖端。当多普勒超声显示舒张倒流(约400毫米/秒,我们选择这个峰值速度,确保意味着LV墙应力相似TAC和AR老鼠(4,17)在主动脉弓,导管和线取消。Sham-A组执行同样的程序但没有刺穿的主动脉瓣。我们选择对象的终点观察两周,因为我们的初步研究表明,补偿心脏肥大手术后观察2周TAC和AR, LVEF和LVFS可比老鼠之间的压力/体积过载和sham-operated控件(4)。

2.2。常规超声心动图

经胸廓的超声心动图进行手术后2周。短暂,老鼠放在加热垫保持温度在37°C和肢体电极被用来记录心电图。老鼠与1.5%异氟烷麻醉,保持心率(HR)在手术过程中每分钟450次以上。超声心动图参数获得来自Vevo 2100系统(VisualSonics,多伦多,加拿大),30 MHz换能器。得到了b型和M-mode图像在胸骨旁的烈度衰减视图和mid-papillary水平极震区视图。然后常规超声心动图参数测量或计算如下:LVEF, LVFS, LV内部维度收缩和舒张(LVIDs和LVIDd), LV后壁厚度在收缩和舒张(LVPWs和LVPWd)、LV收缩末期和舒张末期容积(LVESV和LVEDV) (表1)。此外,脉冲波多普勒进行提示的二尖瓣传单在顶端四腔心切面。通过同时记录二尖瓣流入曲线,峰值速度的早期心室充盈波(E波)和组织多普勒二尖瓣的速度,比E波E的波(E / E), isovolumic弛豫时间(IVRT) isovolumic收缩时间(IVCT)和射血时间(ET)进行评估(图1)。考虑合并二尖瓣E和波被发现在大多数情况下,基于“增大化现实”技术的老鼠,老鼠已同样的报道与AR或其他心脏疾病(18,19),我们使用E / E”评估舒张功能如前所述(20.)。同时,Tei指数由以下公式计算:Tei指数= (IVRT + IVCT) / ET,正如我们之前报道(18)。确认成功的建立TAC和AR,主动脉弓流的峰值速度收缩(PSVa)和舒张(PDVa)记录,分别。

2.3。基于散斑跟踪应变成像

应变成像分析使用VevoStrain软件执行离线工作站(加拿大多伦多VisualSonics Inc .)在上述表形象cineloop获得帧率高于200 fps。全球和区域应变和应变率的计算是通过跟踪的运动连续三心脏心内膜和心外膜边界周期。全球纵向应变(gl)、径向应变(GRS),圆周应变(GCS)、纵向应变率(GLSR)、径向应变率(GRSR),和周向应变率(GCSR)计算(图2)。除了全球测量,区域心肌应变可用六壁段的LV由计算机自动分配在长或短轴视图(图3)。长轴,LV墙分为基底后(BP),中期后(MP),顶端后(美联社),顶端前(AA),中期前(MA)和基底前(BA)。在短轴视图在mid-papillary级别,LV墙分为前自由墙(AFW),侧壁(LW),后壁(PW),不如自由墙(IFW),后隔(PS)和前隔()。所有被重复三次测量和数据处理是由调查员蒙蔽。

2.4。内部和inter-observer可变性

最初的调查员进行重新分析超声心动图数据的间隔两周评估intra-observer变异性。两个不同的观察者对相同的数据进行了分析,以确定inter-observer可变性。数据给出的绝对差异测量和组内相关系数(ICC)。

2.5。统计数据

所有数据都意味着±标准差。所有统计结果使用GraphPad棱镜v6 (GraphPad软件、圣地亚哥、钙、美国)。两组之间的连续变量被学生相比t以及。多个比较进行了单向方差分析(方差分析)Student-Newman-Keuls (S-N-K)测试。常规超声心动图评估有很好的国际米兰intraobserver协议,正如我们先前的报道(2,4,18)。国米和intraobserver应变变化相关参数被刑事法庭评估使用双向混合模型与绝对的协议。P< 0.05被认为是具有统计学意义。

3所示。结果

3.1。常规超声心动图显示保存收缩功能但压力过载和体积超载小鼠心脏舒张功能受损

常规超声心动图进行概括TAC的结构和功能变化和AR鼠心。术后两周,PSVa PDVa满意地升高在TAC或基于“增大化现实”技术的小鼠,分别为(表1),表示压力过载或体积过载模型成功建立。心脏重量/体重比值(HW / BW)在TAC相对增加,基于“增大化现实”技术的老鼠。在TAC集团LVPW Sham-T动物相比显著增加,而LVID显示无显著变化,表明同心心脏肥大(表1)。相反,在AR组,LVPW可比Sham-A同行,虽然LVID强劲扩张,表明偏心心脏肥大(表1)。

与相应的虚假的老鼠相比,TAC和AR的老鼠显示保存收缩功能与LVEF和LVFS就证明了这一点。作为心脏舒张功能的敏感标记,E / E”长期在TAC和AR的老鼠相比,相应的虚假的集团。舒张功能的其他参数,IVRT TAC组减少,而它表现出增加的趋势,但无统计学意义的基于“增大化现实”技术的老鼠。有趣的是,IVCT更比AR与TAC小鼠等增加,导致增加Tei指数基于“增大化现实”技术的老鼠。

3.2。全球应变分析显示更多妥协函数TAC小鼠相比,基于“增大化现实”技术的老鼠

分析inter-observer和两次试验法的intra-observer可靠性相关的应变参数,国际刑事法庭的计算和证明表2。ICC系数都大于0.80,表明一个满意的国际米兰,intra-observer两次试验法的可靠性。

LV经历一个复杂的变形模式,可以检查在纵向、径向和圆周方向收缩和舒张(15)。应变成像分析跟踪心内膜和心外膜帧到帧在心脏的电影循环周期,提供评估全球和区域变形应变和应变率反映在每一个方向。从TAC代表纵向、径向和圆周曲线,基于“增大化现实”技术的老鼠所示图2 a - c。分析了全球心肌形变TAC和AR老鼠之间的区分。在TAC动物、应变测量显示,GRS和gl从胸骨旁的长轴显著降低相对于对应的参数在Sham-T老鼠。然而,AR组,只有GRS从胸骨旁的长轴是减少与sham-A动物,虽然gl AR和sham-operated动物之间没有显著差异(图2 d, F)。此外,GRS和GCS在短轴显著降低TAC和AR组(图2 h, J)。GRSR, GLSR, GCSR显示出类似的结果对应于他们的特定的两个模型(全球应变措施图2 e, G, K)。

3.3。区域应变分析揭示不同模式的心肌功能障碍之间的压力过载和体积过载模型

区域心肌应变成像允许评估函数除以LV在短期和烈度为六个不同阶段(图3一)。为了进一步研究微妙的LV功能障碍引起的TAC和基于“增大化现实”技术的差异,每一段的应变和应变率进行了分析。与全球应变分析的结果一致,RS和秩所有段的长轴减少TAC和AR组,而前者拥有更多的减少议员和美联社(图3 b, D)。此外,与相应的sham-operated组相比,减少了LS在所有领域除了英航地区TAC和AR老鼠,和减少在TAC小鼠更为明显。光敏电阻大大降低BP、议员和英航地区只有在TAC集团虽然在AR组未发现明显的改变,虽然LSR显示下降趋势没有统计学意义(图3 c, E)。

一致,TAC和AR老鼠,短轴区域应变分析还揭示了RS和秩最段减少,除了段,RS和RSR可比在所有组。(图3 f、H)。CS和企业社会责任的两组明显减少PW, IFW、PS, (图3 g,我)。具体来说,CS和CSR PW的变化和IFW段略比TAC模型(AR模型中影响图3 g,我)。CS和企业社会责任主要是保存在AFW和LW小鼠模型(图3 g,我)。

3.4。观察者变化数据

内部,interobserver可变性的散斑跟踪数据分析和所示表2。总的来说,这些结果显示接受内部,interobserver可变性。

4所示。讨论

在这项研究中,基于散斑跟踪应变成像采用相对评估心脏功能在小鼠模型的压力过载过载和卷。心脏重塑我们的研究结果显示,在补偿反映保存LVEF和LVFS应变成像可以检测早期心肌形变细微变化和心脏功能,LS和光敏电阻可以用来区分功能的变化引起的心肌肥厚不同机械过载,比传统的更敏感的超声心动图测量。

尽管常规超声心动图参数,如LVEF、LVFS, E / E”,广泛应用于评估心脏结构和功能在临床和基础研究中,它反映了心脏的整体性能和缺乏足够的敏感性,以反映微妙的心脏功能(10,15,21)。因此,变化检测到常规超声心动图迟到通常被认为是疾病的表现15),使得它难以识别早期心功能变化的两种类型的肥厚性心,压力过载和容量超负荷诱导心脏重构表现为肌细胞增大和损失,纤维化,代谢异常,心脏肥大和线粒体功能障碍,在“补偿”(22)。然而,在临床实践中,细微的异常心肌活动通常由应变成像发现即使在正常心脏功能的设置常规措施(21)。心肌应变测量与亚临床患者的心室功能障碍和结果主动脉瓣狭窄和保存LVEF (22,23)。此外,应用于评估左心室收缩应变分析模式和心脏重塑的严重程度患者的慢性主动脉瓣返流和保存射血分数(24,25)。在基础研究中,最近开发的应变成像专门为啮齿动物允许内在的心肌功能障碍的早期检测的设置压力过载,心肌梗塞,老化和表柔比星治疗(6,10,15,26)。我们在这项研究进一步发现,当LVEF和LVFS仍然正常,径向和圆周方向的应变和应变率减少TAC和AR老鼠,暗示着更高的灵敏度和应变成像要优于常规超声心动图在小鼠模型的机械压力。

应变分析是基于散斑跟踪算法相结合,从而应变和应变率反映了全球和区域心肌功能(14,27)。在这项研究中,我们发现LS TAC小鼠和光敏电阻明显下降但在AR老鼠基本未变。我们的研究结果表明LS和光敏电阻可以用来区分不同类型的机械过载的影响。记录,LS相关参数主要取决于sub-endocardial肌纤维的情况,从而反映了subendocardial状态(6,28)。最近的研究进一步报道,LS是一个特别敏感的标记subendocardial肌纤维功能障碍发生的早期在低灌注或机械应力(15,29日)。一致,从我们先前的研究和其他表明横向在TAC心肌细胞肥大,而纵向AR心肌细胞肥大(3,18)。因此,心肌细胞的stimulus-specific重构模式可能导致LS的差异这两个模型的相关参数。

心肌纤维化定义为过度沉积的细胞外基质蛋白,包括胶原蛋白,是另一个引人注目的特点在机械过载的心30.)。纤维化增加心室心肌细胞刚度和氧的扩散距离,导致心脏功能受损(3,30.)。之前的比较研究,包括我们的演示,知名心脏纤维化在TAC和AR的心(3,4,18)。基于这些,我们推测,LS的区分效果和光敏电阻可能与微分之间的纤维化密切相关的压力和体积超载的心。此外,Bi和他的同事最近在盐酸表柔比星治疗小鼠胶原含量sub-endocardial层更加突出和LS是降低的价格相比sub-epicardial层(6),加强认为LS和光敏电阻作为所有应变索引的最具体的指标。

压力过载和体积过载诱导同心和偏心肥大,分别为(4)。这两种类型的心脏肥大也表现不同的敏感性和结果类似的疗法(3,18)。它仍然是有争议的类型是比其他更不适应的。几项研究已经表明,体积过载是心室更有害,因为舒张维度的增加,墙中已经给出的压力是主动脉瓣返流的补偿阶段(21)。另一方面,其他的研究,其中包括一个来自我们,提出压力过载更有害,因为压力超负荷引起更多的纤维化。更加突出纤维化的TAC小鼠相关的应该是更多的激活pro-hypertrophy效应器包括Ca^{2 +}/ calmodulin-dependent蛋白激酶2 (CaMKII) (4),导致NLRP3 inflammasome激活,以应对压力过载(31日)。本研究的新颖性是调查这个问题通过直接比较使用最先进的应变成像,并公布,LS和光敏电阻是减少压力而不是体积过载心脏肥大。因此我们的研究结果支持了这样的观点,即体积超载引发心脏肥大更良性的表型。

4.1。限制

比较探索心脏纤维化之间的关系和应变变化更全面阐明纤维化的作用差异的菌株TAC和AR的心之间变化。然而,以前的研究表明,心脏纤维化在TAC的心更加突出,建议纤维化导致差异。更深入的分析在不同的部分(如sub-endocardial层与sub-epicardial层)是保证在将来的研究中。

5。结论

通过使用高频超声波,我们成功地进行全球和区域应变分析小鼠模型过载的压力和体积过载心脏肥大,并发现减少应变和应变率优于常规超声心动图改变参数LVEF和LVFS等。压力过载导致减少应变和应变速率比体积过载,识别LS和光敏电阻作为所有应变索引的最具体的指标来区分左心室功能变化在不同的机械过载。应变测量的stimulus-specific异质性使得它一个敏感心肌功能障碍的早期检测方法在机械和药理研究。

数据可用性声明

最初的贡献在这项研究中都包含在本文/补充材料,可以针对相应的作者进一步询问。

道德声明

动物研究协议是通过动物保健和使用委员会中山医院,复旦大学,按照美国国立卫生研究院的指导的护理和使用实验动物(85 - 23号,1996年修订的贝塞斯达,医学博士,美国)。

作者的贡献

JW, YZ,处方设计研究。RX, ZD, JW主要进行超声心动图和数据收集。处方、ZD、HL、JS和LC分析数据。RX和ZD写的手稿。HX JW, YZ修订后的手稿和提供了重要的建议。所有作者阅读和批准了最终版本的手稿。

资金

这项工作得到了国家自然科学基金(81730009,81730009,81730009,81900245)和实验室动物科学的基础科学和技术委员会上海市(201409004300和201409004300)。

确认

我们感谢玉磬周(平移生物学和工程学项目,泰德•罗杰斯心脏研究中心,多伦多,加拿大)和风扇Su(富士胶片VisualSonics Inc .)、上海、中国)小鼠模型评价优秀的指导和应变分析。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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