We describe a technique for measuring aortic stiffness from its pressure-diameter relationship in vivo in mice. Aortic diameter is recorded by ultrasound and aortic pressure is measured invasively with a solid-state pressure catheter. Blood pressure is changed incrementally and the resulting diameter is measured.
我们提出了一个协议,用于测量体内主动脉刚度利用高分辨率超声波成像的小鼠。主动脉直径由超声测量和主动脉血压与固态压力导管侵入测量。血压升高然后通过血管活性药物苯肾上腺素和硝普钠静滴增量降低。主动脉直径测量为每个压力步骤来表征升主动脉的压径的关系。从压径关系导出硬度指数可以从收集到的数据来计算。动脉顺应性的计算本协议描述。
这种技术可以用于研究底层与心血管疾病和衰老相关的增加的主动脉僵硬的机制。该技术生产的刚度相比体外的生理相关度量方法,因为pH值主动脉刚度ysiological影响在测量被并入。该技术的主要限制是在心动周期期间从主动脉的运动引入的测量误差。这种运动可以通过调整探针与主动脉运动的位置以及制备的主动脉压径关系的多个测量结果和扩大实验组大小进行补偿。
增加动脉硬化是心血管疾病的一个标志。老化1,吸烟2,糖尿病3,高脂血症4,和心血管疾病的其它危险因素已被证明能增加主动脉刚度。流行病学研究已经进一步证明主动脉刚度冠状动脉心脏疾病和中风发病的一个有力的独立预测因子,以及心血管事件和死亡率5-8的发生。由于增加了主动脉僵硬的临床和公共卫生意义的,目前的研究重点是了解背后血管硬化的发生和发展的机制。因此极大的兴趣存在于显影在心血管疾病的实验模型中血管硬度的准确测量。
的材料的硬度的特征可在于它的应力 – 应变关系和定量为弹性模汗国。线性弹性材料可逆变形和应力比例提高应变。主动脉和大动脉是非线性弹性体:拉伸时,在动脉的刚度不会保持恒定,但具有腹胀的程度增大。这种非线性在大动脉的机械性能是由于在承载元件,即弹性蛋白和胶原蛋白,构成容器壁的不同的刚度特性。弹性是0.6兆帕的弹性模量高可扩展性。相比较而言,胶原蛋白是非常僵硬的为1GPa 9的弹性模量。在较低的应变值显示出由主动脉初始刚度是由于弹性而高刚度显示出在高应变值是由于胶原蛋白。载荷从弹性蛋白胶原转移作为容器distends和负载的该区域转移是其中血管系统进行操作。因此,在生理压力,动脉硬度取决于这两个弹性蛋白和胶原蛋白10的贡献。
的分布和弹性蛋白和胶原蛋白的取向由动脉壁内层而有所不同。在媒体中,弹性蛋白,胶原和平滑肌细胞被捆绑成紧螺旋是层状同心。这种布置允许在动脉抵抗高负荷在圆周方向上。外膜主要是胶原蛋白与小弹性蛋白和胶原纤维被组织在一个网状方式。这些胶原纤维波浪在无应力状态,理顺随着负载的增加。刚度随着胶原纤维理顺,从而防止动脉从过度拉伸和破裂。由于胶原纤维的结构组织和不同取向的,动脉是各向异性:表现出刚度取决于如果容器被纵向或周向11拉伸体内 stiffnes。因此s是主动脉的纵向和周向刚性的复合材料。
动脉僵硬度一般是量化体内的合规性和脉搏波速度(PWV)。动脉顺应性被定义为C =ΔD/ΔP其中ΔD是变化的直径和ΔP是在压力的相应变化。达标值越低表明硬的船只。遵从动脉的压力 – 维关系计算,因此直接测量刚度。如刚度在脉管12均匀地散发非,依从应在每个受试者相同/相似的位置进行测量,以使实验组之间进行有意义的比较。
合规性和弹性模量之间的差别在于,弹性模量被归一化的材料的尺寸。因此,合规体现了结构刚度,而弹性模量裁判脉冲编码材料刚度。随着衰老,动脉壁的厚度的增加和弹性蛋白/胶原蛋白的比例降低,所以两者的结构刚度和材料刚性更大。
相比于合规性,PWV是动脉僵硬度的间接测量。 PWV是在哪一个压力脉冲行进沿着动脉的长度,并且由血管壁的性质的影响的速度。所述Moens-Korteweg等式用于PWV和弹性模量之间的关系进行建模:PWV 2 = E的h /(2ρR)其中E是增量弹性模量,h是壁厚,ρ是血液粘度,并且r是容器的半径。因此,一个更高的PWV值提出了一个更硬的容器。
合规性和弹性模量,可以对船只的切除部分实验体外测量。以确定是否符合,将容器段被安装在压力肌动描记13,14。容器内的压力增加逐步与日Ë产生变化直径使用视频显微镜跟踪。遵从压径数据确定。增量弹性系数可通过拉伸试验来测量。在这些实验中,将容器拉开分步进行和力 – 位移数据被收集,直到容器环断裂。应力和应变值可以被计算并绘制,以确定增量弹性模量。这些离体方法可用于评估的变化,影响刚度的被动特性。
在体内 ,除了墙壁内容,血管刚度由平滑肌张力和血压13,15,16动态影响。 PWV是最广泛使用的方法,用于测量在实验模型中体内主动脉刚度。 PWV可以使用无创多普勒超声或压平眼压计17来决定。压力脉冲的测量是在两个不同的位置和所需的时间遍历的距离的脉冲的脉波速度。因为PWV测量在主动脉的长度,它是刚性的平均值。大动脉是非线性弹性,所以刚度,因此PWV将随动脉压。因此,一个更高的PWV值可以从增加的僵硬或高压出现。 PWV值因此必须标准化为血压得出关于所述容器的刚性的结论。结合了血压与血管壁的被动性和血管活性介质的该改变色调会产生动脉僵硬的生理相关指数的影响的影响的测量方法。这种方法是通过测量PWV侵入使用的导管与在一个固定的距离13分开的两个压力传感器来实现。这种双重压力导管插入主动脉和血管活性药物,如苯福林或硝普钠,通过静脉内输注静脉导管,以提高和降低血压。
这个协议描述了一种方法,以确定从在小鼠模型中它的压力维关系体内主动脉刚度。这种方法有几个优点在侵入PWV测量。刚性指数,如合规性,可以从由该过程所收集的压力维数据来计算。此外,该技术允许对本地主动脉刚度测量,因为刚度是从单个位置测量。这种方法是在测量升主动脉刚度作为该区域的长度短使得PWV测量难以获得特别有用。存在的研究兴趣特别是在升主动脉,因为其机械性能影响冠脉循环的灌注和血管功能障碍的心脏反应。
以测量的主动脉体内的压径关系</e米>,升主动脉被可视化和它的直径由超声成像测量。主动脉血压与一个压力导管侵入测量。血压是通过血管活性药物静脉输注增量改变。苯福林收缩血管,并用于提高主动脉的压力。硝普钠扩张血管和用于降低主动脉的压力。收缩压和舒张压主动脉直径及相应的主动脉压力测量每个压力增量。遵守可以从收集到的压径数据进行计算。
取直径测量在几个压力增量在宽范围的压力值是必需的压径关系精确表征。可药理学诱导的上下压力极限可通过实验组变化,但是理想的范围是约25毫米汞柱至125毫米汞柱舒张压和50毫米汞柱至200毫米汞柱收缩。 360微克/千克/分钟PE和240微克/千克的剂量/分钟的SNP通常引起的压力范围的限制。然而,剂量的PE的可提高到480微克/千克/分钟和SNP至360微克/千克/分钟,以验证该限制已经达到。聚乙烯和SNP的工作浓度可以降低到实现更精细的压力增量。随着直径将与主动脉压力变化,诱发动物和实验组之间相同的压力值是不重要的。
静脉和动脉插管可以在其他位置具有相同的OU进行tcomes。尾静脉插管可以是由于尾静脉小尺寸有挑战性。此外,尾静脉不在深色小鼠容易看见。股静脉可以插管作为替代。这条路线可能会更容易,因为股静脉是更容易获得。对于压力的导管插入,除了股动脉,导管可通过颈动脉插入。股动脉优选在颈动脉,但是,因为胸部区域保持完整的超声成像。股动脉插管可以更困难,因为股动脉越小。使用1.2˚F导管和引入所述导管在腹腔下方的近端股动脉将方便插管过程。放置几滴像利多卡因血管扩张剂的上股动脉或使用导管导引器还可以帮助扩大容器,以方便的导管插入。压力导管应处理,并使用根据制造商的说明。
主动脉内导管的位置并不需要是动物之间是一致的主动脉内的压力降是微不足道的。然而,将所述导管在腹主动脉可能更好,以尽量减少与胸主动脉的超声成像的干扰。一些超声大型机可以记录压力实时与M型跟踪,从而给出为对M模式测量每直径的压力的测量。不幸的是,因为那里的直径测量的位置不相同的位置,其中压力被记录时,记录在导管中的压力,并在升主动脉中的实际压力之间的滞后存在。其结果是,只有最大和最小直径的测量可用于数据分析。
该方法的主要限制是由在主动脉和移出ö移引入在测量的不确定性f显示心动周期中的超声平面。运动引入误差是通用于所有基于成像研究,包括MRI和CT。补偿策略包括使用的解剖特点来参考帧的运动18移位和数据处理过程中实现的。作为运动补偿的软件是不容易获得的,研究者必须警惕调整探针的位置来跟踪此消彼长的主动脉血压上升的位置和降低。直径测量也应当通过主动脉的中心截取。然而,确定的M型记录位置是否被通过中心可能难以判断超声波图像上,尤其是与主动脉换档位置。通过这些限制体现在分散的数据的程度, 如图6引入,如明显的不确定性。获得ascendi的纵向轴线的横截面的图像,而不是纳克主动脉可能是一个解决办法。不过,获得这一观点有时会更具挑战性,所产生的M型跟踪可以就不太清楚了。从B模式图像的横截面周长可被测量,而不是从对M模式图像的直径。然而,确定当最大和最小圆周已经实现将由B模式帧速率是有限的,可能更难以判断比在M模式。
制造的压径积多个测量和增加实验组的大小可以提高数据的准确性。的压径数据可以从沿着胸部的几个位置被收集。该协议将首先进行与探针放置在一个位置上的胸部。主动脉然后将可视化与探针放在另一个位置和反复的协议。
用来调制血压血管活性剂可能会影响主动脉平滑肌MUSC乐调,这反过来会影响刚度。然而,操纵通过静脉回流主动脉压力已经显示出产生在侵入性测量PWV作为药理操纵大鼠类似的变化。这些结果表明,输注血管活性药物作用主要是外周阻力动脉和不显著影响主动脉平滑肌音19。
该协议可以在大鼠进行了一些小的改动。之前申请脱毛霜胸口剃光。市售27国祥½“导管用于药物注射。用来调制主动脉压的药物的剂量是40次,80次和PE和40,80的120微克/千克/分钟,和120微克/千克/ SNP的分
除了升主动脉,主动脉刚度区域差异可与该协议来确定。通过这种方法测得的区域刚度会比更精确了PWV的测量ARE从一个位置作为反对两个位置的PWV。然而,沿着主动脉的区域,可以使用这种技术来测量被限制为那些可以通过超声波来可视化。
弹性模量也可以从若能够获得壁厚测量通过该方法收集的数据计算出来的。准确的小鼠主动脉的体内测量是通过电流超声技术的分辨率极限的限制。超声技术的未来改进可以使体内的壁厚测量更可行。作为替代,厚度测量可以进行体外 。压力肌动描记将提供最精确的测量,因为厚度可以在每个压力增量来测量。
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by a National Heart, Lung, and Blood Institute grant 1RO1-HL-105296-01 (to D.E. Berkowitz) and an Australian Research Council Grant DP110101134 (to A. Avolio).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Equipment | |||
High-resolution ultrasound machine | Visual Sonics | Vevo2100 | |
13-24 MHz transducer | Visual Sonics | MS250 | Used for imaging rats |
22-55 MHz transducer | Visual Sonics | MS550D | Used for imaging mice |
Imaging Station | Visual Sonics | Imagine Station 1 | |
1.2F Pressure catheter | Transonic | FTH-1211B-0018 | |
SP200 pressure control unit | Transonic | FFS-095-DP01 | |
Standard Infusion Only Harvard Pump 11 Plus syringe pump | Harvard Apparatus | 702208 | |
Isoflurane vaporizer | VetEquip | 911103 | |
Induction chamber | VetEquip | 941443 | |
100% O2 | Airgas | OX USP200 | |
Single Stage Brass 0-50 psi General Purpose Cylinder Regulator CGA540 | Airgas | Y11215B540 | |
Stereo Boom Stand Microscope | National Optical | 420-BMSQ | |
Fiber optic illuminator & light pipe | Cole Palmer | EW-41500-50 | |
Supplies | |||
30G x 1/2" BD PrecisionGlide Needle | BD | 305106 | For tail vein cannulation in mice |
Polyethylene Tubing PE10 | Becton Dickinson | 427401 | For tail vein cannulation in mice |
27Gx1/2" Surfloe winged infusion set | Terumo | SV*27EL | For tail vein cannulation in rats |
Signa Gel Electrode Gel | Parker | 15-25 | Use for ECG recording |
Aquasonic Clear Ultrasound Gel | Parker | 03-08 | Use for ultrasound |
1mL Sub-Q Syringes, 26G x 5/8" | BD | 309597 | |
Nair | Nair | Depilatory cream | |
Histoacryl | TissueSeal | TS1050071FP | Tissue glue |
Braided Silk Suture 6-0 | Teleflex | 104-S | |
Dumostar P55 fine forceps | Roboz | RS-4984 | |
Microscissors | WPI | 501839 | |
Fine scissors | FST | 14060-11 | |
Medium forceps | Ted Pella | 5665 | |
Hemostatic forceps | Roboz | RS-7131 | |
Non-sterile cotton gauze sponge | Fisherbrand | 22-362-178 | |
Cotton tipped applicators | Oritan | 803-WC | |
Label tape | Fisherbrand | 15-901-20 | |
Drugs | |||
Sodium chloride | Sigma Aldrich | S7653 | |
R-Phenylephrine hydrochloride | Sigma Aldrich | P6126 | |
Sodium nitroprusside dihydrate | Sigma Aldrich | 71778 | |
Software | |||
Prism | GraphPad | ||
Excel | Microsoft |