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.
Nous présentons un protocole de mesure de la rigidité aortique vivo chez la souris au moyen d'ultrasons imagerie à haute résolution. Diamètre de l'aorte est mesurée par échographie et la pression sanguine aortique est mesurée avec une pression invasive cathéter à l'état solide. La pression artérielle est élevée ensuite abaissée progressivement par perfusion intraveineuse de drogues vaso-actif phényléphrine et nitroprussiate de sodium. Diamètre aortique est mesurée pour chaque pas de pression pour caractériser la relation pression-diamètre de l'aorte ascendante. indices de rigidité dérivés de la relation pression-diamètre peuvent être calculées à partir des données collectées. Calcul de la compliance artérielle est décrite dans ce protocole.
Cette technique peut être utilisée pour étudier les mécanismes sous-jacents a augmenté la rigidité aortique associé aux maladies cardiovasculaires et le vieillissement. La technique produit une mesure physiologiquement pertinente de la rigidité par rapport à des approches ex vivo parce physiological influences sur la rigidité aortique sont incorporés dans la mesure. La principale limitation de cette technique est l'erreur de mesure introduit à partir du mouvement de l'aorte au cours du cycle cardiaque. Ce mouvement peut être compensée en ajustant l'emplacement de la sonde par le mouvement de l'aorte ainsi que de faire des mesures multiples de la relation pression-diamètre de l'aorte et l'expansion de la taille du groupe expérimental.
Augmentation de la rigidité aortique est une caractéristique de la maladie cardiovasculaire. Vieillissement 1, 2 fumeurs, le diabète 3, 4 hyperlipidémie, et ont été montrés d'autres facteurs de risque de maladie cardio-vasculaire pour augmenter la rigidité aortique. Des études épidémiologiques ont en outre démontré la rigidité aortique comme un puissant facteur prédictif indépendant de l'apparition de la maladie coronarienne et d'AVC, ainsi que la survenue d'événements cardiovasculaires et de mortalité 5-8. En raison de l'importance de l'augmentation de la rigidité aortique clinique et en santé publique, la recherche actuelle est axée sur la compréhension des mécanismes qui sous-tendent le développement et la progression de la rigidité vasculaire. Grand intérêt existe donc à élaborer des mesures précises de la rigidité vasculaire dans des modèles expérimentaux de maladies cardiovasculaires.
La rigidité d'un matériau peut être caractérisé par sa relation contrainte-déformation et quantifiée comme mod élastiqueUlus. Un matériau élastique linéaire déforme réversible et son stress augmente proportionnellement à la déformation. L'aorte et les artères sont grands corps élastiques non-linéaires: une fois étirée, la rigidité de l'artère ne est pas constante mais augmente avec le degré de distension. Cette non-linéarité dans les propriétés mécaniques des grosses artères est dû aux différentes propriétés de rigidité des éléments de support de charge, à savoir le collagène et l'élastine qui constituent la paroi des vaisseaux. L'élastine est hautement extensible avec un module d'élasticité de 0,6 MPa. En comparaison, le collagène est très rigide avec un module d'élasticité de 1 GPa 9. La rigidité initiale présentée par l'aorte à des valeurs de contrainte inférieurs est attribuée à l'élastine tandis que la grande rigidité exposé à des valeurs élevées de contrainte est due au collagène. La charge est transférée à partir d'élastine au collagène que le navire se distend et cette région de transfert de charge est là que le système vasculaire fonctionne. Par conséquent, à des pressions physiologiques, la rigidité artérielledépend de la contribution des deux élastine et de collagène 10.
La répartition et l'orientation de l'élastine et du collagène varient en couche à l'intérieur de la paroi artérielle. Dans les médias, l'élastine, le collagène et les cellules musculaires lisses sont regroupés dans hélices serrés qui se superposent de manière concentrique. Cet agencement permet l'artère pour résister aux charges élevées dans la direction circonférentielle. L'adventice est principalement collagène avec peu d'élastine et les fibres de collagène sont organisés d'une manière analogue à un filet. Ces fibres de collagène sont ondulées dans un état de repos et se redressent que la charge augmente. Augmente la rigidité que les fibres de collagène se redressent, empêchant ainsi l'artère de la rupture et allongement excessif. En raison de l'organisation structurelle et de faire varier l'orientation des fibres de collagène, les artères sont anisotropes: la rigidité exposé dépend de si le récipient est étiré longitudinalement de manière circonférentielle ou 11 in vivo stiffnes.s est donc un composite de rigidité longitudinale et circonférentielle de l'aorte.
La rigidité artérielle est généralement quantifiée in vivo que la vitesse conformité ou impulsion vague (VOP). la compliance artérielle est défini comme C = Dd / AP où Dd est le changement de diamètre et AP est la variation correspondante de la pression. Des valeurs plus faibles de conformité indiquent navires plus sévères. La conformité est calculée à partir de la relation pression dimension de l'artère et est donc une mesure directe de la rigidité. Comme la rigidité est diffusée non uniforme dans le système vasculaire 12, la conformité doit être mesuré au même endroit / similaire dans chaque objet de faire des comparaisons significatives entre les groupes expérimentaux.
La différence entre la conformité et de module d'élasticité, ce est que le module d'élasticité est normalisé à des dimensions du matériau. Conformité reflète donc rigidité structurelle, tandis que le module d'élasticité reflectes rigidité du matériau. Avec le vieillissement, l'augmentation d'épaisseur de paroi artérielle et d'élastine / rapport de collagène diminue, de sorte que à la fois la rigidité structurelle et la rigidité du matériau sont plus grandes.
Par rapport à la conformité, la VOP est une mesure indirecte de la rigidité artérielle. VOP est la vitesse à laquelle une impulsion de pression se déplace le long d'une longueur de l'artère et est influencée par les propriétés de la paroi du vaisseau. L'équation Moens-Korteweg est utilisé pour modéliser la relation entre la VOP et le module élastique: PWV 2 = E h / (2 ρ r) où E est le module d'élasticité progressive, h est l'épaisseur de la paroi, ρ est la viscosité du sang, et r est le rayon de la cuve . Une valeur de VOP supérieur suggère donc un navire plus rigide.
Conformité et module d'élasticité peuvent être mesurées expérimentalement ex vivo sur un segment excisé du navire. Pour déterminer la conformité, le segment de récipient est monté sur un myographe de pression 13,14. La pression dans le récipient est augmentée par étapes et ee changement de diamètre résultant est suivi en utilisant la microscopie vidéo. La conformité est déterminée à partir des données de pression diamètre. Module élastique incrémental peut être mesurée par un essai de traction. Données par étapes et force-déplacement dans ces expériences, le navire est tiré à part est collecté jusqu'à la rupture de l'anneau de la cuve. valeurs de contrainte et de déformation peuvent être calculés et tracés pour déterminer module élastique incrémental. Ces approches ex vivo peuvent être utilisés pour évaluer les changements dans les propriétés passives qui influent sur la raideur.
In vivo, en plus de la teneur mur, une raideur dynamique vasculaire est influencée par tonus des muscles lisses et 13,15,16 de la pression artérielle. VOP est la méthode la plus largement utilisée pour mesurer la rigidité aortique vivo dans des modèles expérimentaux. VOP peut être déterminée de façon non invasive par ultrasons Doppler ou aplanation 17. impulsion de pression est mesurée en deux endroits différents et le temps nécessaire pourl'impulsion pour parcourir la distance est la vitesse d'onde impulsionnelle. Parce que la VOP est mesurée sur une longueur de l'aorte, ce est une valeur moyenne de la rigidité. Les grandes artères sont non-linéaire élastique, de sorte que la rigidité et donc la VOP variera avec la pression artérielle. Une valeur de VOP élevée pourrait donc découler de la rigidité accrue ou sous pression élevée. Valeurs VOP doivent donc être normalisées à la pression artérielle de tirer des conclusions sur la rigidité du navire. Les méthodes de mesure qui intègrent l'influence de la pression artérielle avec les propriétés passives de la paroi vasculaire et les effets de médiateurs vaso-actifs qui modifient la tonalité donnerait un indice physiologiquement pertinente de la rigidité artérielle. Cette approche est mise en œuvre en mesurant PWV invasive en utilisant un cathéter à deux capteurs de pression séparés à une distance fixe 13. Ce cathéter à double pression est inséré dans l'aorte et les vasoactifs médicaments, tels que la phényléphrine ou de nitroprussiate de sodium, sont par perfusion intraveineuseun cathéter veineux à augmenter la pression artérielle et inférieure.
Ce protocole décrit un procédé pour déterminer la rigidité aortique in vivo à partir de sa relation pression-dimension dans un modèle de souris. Cette approche offre plusieurs avantages par rapport à la mesure de la VOP invasive. Indices de rigidité, tels que le respect, peuvent être calculées à partir des données de pression dimension recueillies par cette procédure. En outre, cette technique permet de mesurer la rigidité aortique locale parce rigidité est mesurée à partir d'un seul endroit. Cette approche est particulièrement utile pour mesurer la rigidité aortique ascendant que la courte durée de cette région rend une mesure de la VOP difficile à obtenir. intérêt de recherche existe en particulier dans l'aorte ascendante parce que ses propriétés mécaniques influencent la perfusion de la circulation coronaire et de la réponse cardiaque à un dysfonctionnement vasculaire.
Pour mesurer la relation pression-diamètre de l'aorte in vivo </em>, l'aorte ascendante est visualisée et son diamètre est mesuré par imagerie à ultrasons. La pression sanguine aortique est mesurée avec un cathéter invasive de la pression. La pression artérielle est modifiée de manière incrémentielle par perfusion intraveineuse de médicaments vasoactifs. Phényléphrine resserre les vaisseaux sanguins et est utilisé pour augmenter la pression aortique. Le nitroprussiate de sodium dilate les vaisseaux sanguins et est utilisé pour abaisser la pression aortique. Diamètres aortiques systolique et diastolique et les pressions aortiques correspondants sont mesurés pour chaque incrément de pression. La conformité peut être calculée à partir des données recueillies pression diamètre.
Prise de mesure de diamètre à plusieurs incréments de pression sur une large plage de valeurs de pression est nécessaire pour la caractérisation précise de la relation pression-diamètre. Les limites de pression supérieure et inférieure qui peuvent être induits pharmacologiquement peuvent varier par le groupe expérimental, mais la plage idéale se situe autour de 25 mm Hg à 125 mm Hg diastolique et 50 mm Hg à 200 mm Hg systolique. Des doses de 360 ug / kg / min PE et 240 ug / kg / min SNP susciter généralement les limites de la plage de pression. Toutefois, des doses de PE peut être augmenté à 480 ug / kg / min et à 360 SNP ug / kg / min pour vérifier que les limites ont été atteintes. Concentrations de travail du PE et le SNP peut être diminué pour atteindre incréments de pression plus fines. Lorsque le diamètre va changer avec la pression aortique, en induisant les mêmes valeurs de pression entre les animaux et les groupes expérimentaux ne est pas important.
Cathétérisme veineux et artériel peuvent être effectuées à d'autres endroits avec le même oustcomes. Veine de la queue canule peut être difficile en raison de la petite taille de la veine de la queue. En outre, la veine de la queue ne est pas facilement visible chez les souris de couleur foncée. La veine fémorale peut être pourvue d'une canule comme une alternative. Cet itinéraire peut être plus facile depuis la veine fémorale est plus accessible. Pour l'insertion de cathéter de pression, en plus de l'artère fémorale, le cathéter peut être inséré à travers l'artère carotide. L'artère fémorale est préférable à l'artère carotide, cependant, parce que la région de la poitrine reste intacte pour l'imagerie ultrasonore. Canulation de l'artère fémorale peut être plus difficile parce que l'artère fémorale est plus petit. L'utilisation d'un cathéter 1,2 F et l'introduction du cathéter dans l'artère fémorale proximale au-dessous de la cavité abdominale à faciliter le processus d'insertion de canule. Plaçant quelques gouttes d'un agent vasodilatateur comme la lidocaïne sur l'artère fémorale ou l'aide d'un introducteur de cathéter peut également aider à agrandir la cuve pour faciliter l'insertion du cathéter. Le cathéter de pression doit être manipulé et utiliséselon les instructions du fabricant.
Localisation du cathéter dans l'aorte n'a pas besoin d'être cohérente entre les animaux comme la chute de pression dans l'aorte ne est pas significative. Cependant, en plaçant le cathéter dans l'aorte abdominale peut être préférable de minimiser les interférences avec l'imagerie par ultrasons de l'aorte thoracique. Certains mainframes ultrasons peuvent enregistrer la pression en temps réel avec la trace en mode M, donnant ainsi une mesure de pression pour chaque diamètre mesuré sur le mode M. Malheureusement, en raison de l'endroit où le diamètre est mesuré ne est pas au même endroit que là où la pression est enregistrée, un décalage existe entre la pression enregistrée au cathéter et la pression réelle dans l'aorte ascendante. Par conséquent, seulement des mesures maximum et minimum de diamètre peuvent être utilisés pour l'analyse des données.
La principale limitation de cette méthode est l'incertitude de mesure introduit par l'aorte se déplaçant dans et hors of le plan d'ultrasons au cours du cycle cardiaque. erreur de Motion-introduit est commun à toutes les études d'imagerie à base, notamment l'IRM et CT. stratégies de rémunération comprennent l'utilisation de caractéristiques anatomiques de changer le cadre de référence avec le mouvement 18 et sont mises en œuvre au cours du traitement des données. En tant que logiciel de compensation de mouvement ne est pas disponible, l'enquêteur doit être vigilant sur le réglage de l'emplacement de la sonde pour suivre le changement d'emplacement dans l'aorte avec l'augmentation de la pression artérielle et diminue. Diamètre mesures doivent aussi être prises par le centre de l'aorte. Toutefois, pour déterminer si l'emplacement d'enregistrement en mode M passe par le centre peut être difficile de juger sur l'image ultrasonore, en particulier aux positions de décalage aorte. L'incertitude introduite par ces limites manifestes dans le degré de dispersion des données, comme le montre la figure 6. L'obtention d'une image de la section transversale à la place de l'axe longitudinal de la Ascending aorte pourrait être une solution. Cependant, l'obtention de cette vue peut parfois être plus difficile et la trace en mode M résultant peut être moins claire. La circonférence de section transversale de l'image en mode B peut être mesurée à la place du diamètre de l'image en mode M. Cependant, lors de la détermination de circonférence maximale et minimale ont été réalisés sera limitée par la fréquence d'images en mode B et peut être plus difficile de juger que sur le mode M.
Faire plusieurs mesures de l'intrigue pression diamètre et augmenter la taille du groupe expérimental peut améliorer la précision des données. Les données de pression de diamètre peuvent être collectées à partir de plusieurs endroits le long de la poitrine. Ce protocole doit d'abord être effectuée avec la sonde placée sur une position sur la poitrine. L'aorte alors être visualisé avec la sonde placée sur un autre emplacement et le protocole répété.
Agents vasoactifs utilisés pour moduler la pression artérielle pourraient potentiellement affecter musc lisse aortiquele ton, qui à son tour aurait une incidence sur la rigidité. Toutefois, la manipulation de la pression aortique en retour veineux a été montré pour produire des changements similaires dans PWV invasive mesurée comme la manipulation pharmacologique chez le rat. Ces résultats démontrent que la perfusion de médicaments vasoactifs agir principalement sur les artères de résistance périphériques et ne affecte pas significativement aortique tonus musculaire lisse 19.
Ce protocole peut être effectuée chez des rats avec quelques modifications mineures. La poitrine est rasée avant d'appliquer la crème dépilatoire. A disponible dans le commerce 27 G x ½ "cathéter est utilisé pour la perfusion de médicaments. Les doses de médicaments utilisées pour moduler la pression aortique sont 40, 80, et 120 ug / kg / min de PE et 40, 80 et 120 ug / kg / min de SNP.
Outre l'aorte ascendante, les différences régionales dans la rigidité aortique peuvent être déterminées avec ce protocole. Raideur régional mesuré par cette approche serait plus précis que par VOP que des mesures are prise d'un endroit que se opposer à deux emplacements pour VOP. Toutefois, les régions le long de l'aorte qui peut être mesurée par cette technique sont limités à ceux qui peuvent être visualisées par ultrasons.
Le module d'élasticité peut également être calculé à partir des données collectées par cette méthode si une mesure d'épaisseur de paroi peut être obtenue. Précis dans la mesure in vivo de l'aorte de la souris est limitée par les limites de résolution de la technologie des ultrasons actuelle. L'amélioration future de la technologie des ultrasons pourrait faire in vivo mesure plus possible de l'épaisseur du mur. En variante, des mesures d'épaisseur peuvent être effectuées ex vivo. myographie de pression serait de fournir des mesures les plus précises parce épaisseur peut être mesurée à chaque incrément de pression.
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 |