Summary
このプロトコルは圧力容積のコンダクタンス技術を使用して左心室の圧力および容積を測定する方法を記述する。この方法により、薬物が心臓に及ぼす影響を継続的にリアルタイムでモニタリングすることができます。
Abstract
心機能の低下は、他の臓器に悪影響を与える可能性があります。左心室の圧力と容積の関係は、心機能を評価するための有効な方法であると考えられています。心機能のリアルタイムモニタリングは、薬物評価にとって重要です。胸部を閉じた状態では、圧力容積カテーテルの重要な構成要素である小型トランスデューサーが、右頸動脈を通ってラットの左心室に入ります。この装置は、実験中の心機能の変化を圧力-体積ループの形で視覚化します。心室の実際の体積は、ラットの左頸静脈に50μLの20%塩化ナトリウム溶液を注射することにより、血液の導電率を変化させることによって計算されます。ラットの心室腔の実際の体積は、圧力-体積コンダクタンスカテーテルを使用して既知の体積の血液の導電率を測定することによって計算されます。このプロトコルは、心臓に対する薬物の影響の継続的な観察を可能にし、心血管疾患における特殊民族薬の使用の理論的根拠を促進します。
Introduction
心血管疾患は世界で最も死亡率が高い1.その原因としては、冠動脈狭窄症(心筋虚血)、冠動脈閉塞(心筋梗塞)、虚血再灌流障害などがある2。心臓は収縮期と拡張期のサイクルが一定であるため、体の中で最もエネルギーを必要とする部分の1つです。そのため、冠動脈が十分なエネルギーや酸素を維持することが困難になると、必然的に心機能が低下し、他の臓器に悪影響を及ぼします3,4。心臓は循環器系の原動力であり、心機能は合理的に評価する必要があります。
心室圧と容積の関係による心機能の評価は、包括的な方法であると考えられています5。心周期全体における心室圧と容積のリアルタイムの変化は、圧力-容積ループを構成します。心室の圧力容積ループは、心室のさまざまな段階とエネルギーの観点から、心機能と予備容量の定量分析を可能にします。正常な心室は収縮末期容積が小さく、ビートワークが良好で効率が5,6,7です。
圧力体積伝導カテーテル法は、左心室の状態を検出するための侵襲的な方法です。これは、連続的なリアルタイム圧力体積ループ8を得るために用いることができる。圧力体積導電率カテーテルは強力なツールであり、生理食塩水校正中の心筋平行伝導率のin vivo分析やキュベット校正中の血液伝導率のin vitro測定など、再現性と信頼性の高い結果を得るためには、適切な取り扱い手順が不可欠です3。
フェノール酸であるフェルラ酸(FA)は、Avena sativaやLigusticum chuanxiong hort 9,10などの植物界に広く分布しています。フェルラ酸には、血圧や不整脈を下げる薬理作用があります。FAは、複数の機能を持つ生理活性天然物です。FAは、酸化的損傷に抵抗し、炎症反応を軽減し、血小板凝集を阻害し、冠状動脈性心疾患およびアテローム性動脈硬化症を予防することができます11。しかし、フェルラ酸に関するほとんどの研究は心臓の1つの側面に焦点を当てており、循環器系におけるフェルラ酸の効果が評価されることはめったにありません12,13,14,15。ここでは、頸静脈注射中のフェルラ酸溶液に対する心臓反応に焦点を当てて、ケタミン (50 mg/kg) と組み合わせたイソフルラン麻酔への胸部閉鎖アプローチについて説明します。
溶液の調製、トランスデューサーの準備、実験前のラットの準備、右頸動脈へのカテーテル挿入、データ分析など、胸部を閉じた状態でツールを使用するための完全な手順について説明します。実験時間は通常4時間未満であり、さまざまな実験プロトコルによって決定されます。1回の実験で、左心室圧、容積、心拍数などの詳細な心臓情報を得ることができます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
動物プロトコルは、成都中医薬大学実験動物福祉倫理委員会によってレビューされ、承認されました(記録番号2023-04)。本研究では、雄のSprague Dawley(SD)ラット(280±〜20g、8〜10週齢)を使用しました。ネズミは動物室で飼育され、自由に飲んだり食べたりすることができました。
1. 溶液調製
- 作業エリアを十分に湿らせておくために使用する0.9%NaCl溶液を準備します。
- 20%高張NaCl溶液を調製するには、2gのNaClを10mLの二重蒸留水(ddH2O)に溶解する。心筋の平行導電率を決定するためには、心室内液の導電率を変える必要がある。
- 1%酵素活性粉末洗剤溶液を調製する。実験の完了時にこれを使用して、圧力-体積電気カテーテルを溶液に1〜2時間浸します。
- 10mgのフェルラ酸を20mLのddH2Oに溶解してFA溶液を調製し、0.22μmのメンブレンで溶液をろ過します。ラットに1 mL/kgのフェルラ酸溶液を注射する。
2. センサーの準備
- 実験開始前に、圧力-体積センサーを37°Cの0.9%NaCl溶液に約30〜60分間浸すと、実験データの安定性が向上します。
- 実験装置を接続します。圧力-体積ループを測定するためのシステムは、圧力-体積カテーテル、2つの制御ユニット、記録ユニット、およびコンピュータ実行ソフトウェアで構成されています。ソフトウェアの圧力-体積ループモジュールは、参照実験手順を提供します。
- スタートボタンを押すと、ソフトウェアが圧力-ボリュームセンサーからの監視データを自動的に記録します。
- Miro-Tip Pressure Volume(MPVS)ソフトウェアを使用して、圧力と導電率を校正します。
3. 実験前のラット調製
- ケタミン(50mg/kg)とフェンタニル(0.25mg/kg)を筋肉内注射でラットに投与する5。
- ラットの足の指をつまんで、反射神経の欠如による麻酔の深さを確認します。感情はラットの生理機能状態に影響を与え、痛みは心機能の変化を引き起こします16。小動物のシェーバーと脱毛クリームを使用して、手術部位の脱毛を行います。ヨードフォアと75%アルコールを使用して皮膚を拭き、無菌状態を維持します。
- 完全に麻酔したラットを等温加熱プレートに固定し、背面を加熱プレートに接触させます。.
- ワセリンでコーティングした温度プローブをラットの直腸に挿入します。加熱プレートを調整して、ラットの体温を37°C±0.5に保ちます。
注:実験中は気道を塞がないようにする必要があります。
4.右頸動脈へのカテーテル挿入
- ラットの首の正中線の右側の皮膚を縦方向に切開します。4cmの切開を行い、鉗子で筋肉と結合組織を分離します。気管の右側にある頸動脈が見えます。ラットの右頸動脈は暗赤色で、強く脈動し、それに平行に白い迷走神経があります。
- 鉗子を使用して頸動脈を他の組織や神経から分離します。きれいな頸動脈の下に3本の5-0手術ラインを配置します。頸動脈の湿潤を維持するために、滅菌0.9%塩化ナトリウム溶液を手術部位に滴下します。
- 左鎖骨の上の皮膚を切り取り、頸静脈の周りの組織をはがします。次に、左頸静脈の下に5-0の外科用糸を置きます。
- 動脈クリップを使用して近位に血流を停止し、マイクロハサミを使用して血流が停止した血管のセクションを切ります。創傷断面に少量の血液が現れるのは正常です。血液が急速かつ断続的に血管から出ている場合は、近位手術ラインを持ち上げて、動脈クランプを再度適用します。
- カテーテルを頸動脈に沿った断面から左心室の奥深くに挿入します。左心室に入った後の最低収縮期血圧値が0mmHgに近いことを確認してください。
- 妥当な圧力-容積関係を得るには、心室内の圧力-容積カテーテルをわずかに調整する。大量の出血や心拍によるカテーテルの位置の変化を防ぐために、手術ラインの近位端を結紮します。
注:このプロセス中、ラットの体温、麻酔レベル、圧力信号、およびコンダクタンス信号は安定している必要があります。ラットの気道は開いたままにしておく必要があります。
5. 薬剤注入および導電率の口径測定
- 心室内の圧力容積カテーテルの位置を維持し、データが安定した後、結紮された頸静脈の遠位の外科ラインを結紮し、最大1 mL / kgのフェルラ酸溶液をゆっくりと注入します。5〜10分間観察します。
- 左頸静脈から20%NaCl溶液50μLを注入し、心筋によって生成された平行コンダクタンスを除去します。平行コンダクタンスの体積範囲は、約130〜280μLであった5。これを2分間隔で3回繰り返します。
- ラットの心室圧と容積の検査後、採血針を使用してラットの腹部大動脈から血液を採取します。採取した血液をヘパリンナトリウム採取チューブに入れ、血液凝固を防ぐために上下に2回反転させます。左頸静脈から120 mg / kgのペントバルビタールナトリウムを注射することにより、実験ラットを安楽死させます。.
- ラット容量校正チューブを使用して、測定されたコンダクタンスを実際の血液量に変換します。ヘパリンナトリウムと混合した血液を校正チューブのオリフィスに順次入れると、カテーテルはさまざまなオリフィス内の血液のコンダクタンス値を検出し、圧力-体積モニタリングモジュールに記録します。
6. データ解析
- 既知の血液量の測定された導電率値を指定された位置に追加することにより、ソフトウェアは自動的に曲線をプロットし、血液の導電率を外挿します。少なくとも3セットの血液伝導率値を使用して、テスト対象のラットの血液伝導率を推定します。血液伝導率は個別化されています。試験中のラットごとに、この手順を個別に実行します。
- 高張キャリブレーション:高張生理食塩水を3回注入して得られたデータを指定された場所に追加することで、ソフトウェアは並列コンダクタンス平均を計算し、実験データを自動的にキャリブレーションします。
- 血圧とコンダクタンス値が安定している領域を利用して、ラットの左心室機能を解析します。
- [分析]をクリックすると、選択した領域に基づいて、EF(左心室駆出率)、SW(脳卒中)、CO(心拍出量)など、さまざまなパラメータが自動的に計算されます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
各テスト (n = 3) は、左心室への圧力-体積伝導率カテーテルの挿入を前提としていました。カテーテルが頸動脈から左心室に入ると、圧力範囲が著しく増加するなど、信号が大きく変化します(図1)。圧力と体積の関係のグラフ分析は、Y軸に体積(μL)、X軸に圧力(mmHg)をプロットすることで完了します。ラット左心室圧は10〜105mmHg以内であり、体積のコンダクタンス値は65〜115μL以内であった。
完全な心周期は、反時計回りの圧力-容積ループによって形成されます(図2)。ラットにフェルラ酸を投与した後、心機能に有意な変化が観察されました(図3)。ラット左心室圧は0〜85mmHg以内で、体積のコンダクタンス値は30〜100μL以内でした。.
図4に示すように、ラットの頸静脈に高張生理食塩水を注射すると、左心室の圧力-容積ループに変化が生じます。心室腔内の圧力と導電率の信号を直接測定するため、左頸静脈から高張生理食塩水を注射すると、導電率値が増加する可能性があります。心筋からの干渉は、導電率値の変化を複数回測定することで排除できます。
圧力体積コンダクタンスは、キュベットのキャリブレーションに使用しました(図 5)。これは、測定されたコンダクタンス値を体積に変換するためです。
図1:頸動脈と心室の圧力-体積伝導率カテーテルによって生成される異なる圧力-容積ループ。 (A)動脈と心室では、圧力と伝導率に大きな差があります。(B)小型センサーを心室に挿入すると、圧力-体積ループを形成することができます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:圧力-体積ループ。 圧力-容積ループには、拡張期、等量収縮、収縮期、等量弛緩の4つの段階があります。圧力-体積ループの面積は、1回の心臓収縮によって生成される仕事を表します。拡張末期容積(EDV)から収縮末期容積(ESV)を差し引くと、心室出量が得られます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:フェルラ酸溶液の注射後のラットでは、左心室機能が影響を受けます。 (A)左心室の圧-容積ループが影響を受けている。(B)駆出率(EF)は、心室の拡張末期容積に対するストローク容積の割合を表します:心拍数による左心室駆出率の変化。(C)左心室収縮末期容積は、心拍数の増加とともに変化する。(D)左心室-拡張末期血圧-容積関係の時定数は、心拍数の増加に伴って変化します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:20%NaCl溶液を静脈に注入した後のラットの左心室の圧力とコンダクタンスの変化。 (A)導電率を変化させたデータを解析したもの。(B)圧力ボリュームリングは、導電率の増加により右にシフトします。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:圧力-体積コンダクタンスカテーテルは、ラットの血液で満たされた既知の量のキュベットのコンダクタンスを測定するために使用されます。 (A)異なる体積の導電率。(B)圧力-体積導電率カテーテルで測定された導電率の良好な相関。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
心機能のさまざまな状態に対して合理的な投与戦略を採用することが不可欠です。.圧力-体積コンダクタンスカテーテル法は、左心室機能を研究するための最も直感的な方法です5。この方法により、薬物が心機能に及ぼす影響を総合的に研究することができます。実験のさまざまな段階を詳細に説明します。これは、心臓機能の研究のためのいくつかの施設を提供します。
圧力体積伝導率カテーテル技術は、最も包括的で厳密な方法です。絶対値(圧力と体積)と相対値(EF)、さらには薬物代謝に関する情報など、1回の実験で最大30の指標に関する情報を得ることができます。
ラットの体温は、完全な実験手順5の間、37°C±0.5に維持されました。ラットからの失血は、実験中に最小限に抑える必要があります5。ラットの血液量は、実験17中に注意する必要があります。
圧力-容積伝導カテーテル技術により、心室18の状態をリアルタイムで検出することができる。この技術は、単一の薬または薬の組み合わせが心臓に及ぼす影響を研究するのに非常に役立ちます。コンダクタンスカテーテルは、左心室の圧力とコンダクタンスを直接測定します。これは、試験中のラットの体温と麻酔の程度と密接に関係しています。この実験では、フェルラ酸溶液の注入後、収縮末期血圧と収縮期末期容積の減少を含む、圧力-容積ループによって左心室機能の変化が明確に示されました(図2A)。ラットの左心室駆出率は有意に増加し、ピーク値は89.87%でした(図2B)。ラットの左心室の収縮末期血圧は有意に低下し、最小値は55.44μLでした。.これは、以前に報告されたように、血圧を下げるフェルラ酸の薬理学的効果と一致しています11。
食品や薬用植物に含まれる特定の天然化合物は、健康維持に寄与する可能性があります。フェルラ酸は、Ligusticum chuanxiong や Angelica sinensis19 などの植物に広く存在するフェノール化合物であり、さまざまな伝統的な漢方薬の重要な有効成分です。現在の研究では、フェルラ酸が抗炎症作用、抗線維化作用、抗アポトーシス作用など、複数の生物学的活性を有することが報告されています11。食物から容易に入手できるこの天然物が循環器系の心臓機能に与える影響を研究する必要がありますが、研究は心臓の形態学的構造に対するプラスの効果を示しています12,20。
圧力容積カテーテルを実験動物の心室に留置して、心室圧およびコンダクタンスを直接得ることができる。生理食塩水校正とキュベット校正は、真の心室容積を得るために使用されます。この実験により、心室機能の変化を視覚的に反映する連続的な圧力-体積ループが得られます。圧力容積カテーテルで心室にアクセスするには、開胸状態と胸閉じ状態の2つの方法があります。胸部開放状態では、心室腔内の圧力容積カテーテルの位置を制御する方が容易である。胸部を閉じた状態で心室機能を測定することは、動物の呼吸を補助する必要がなく、動物へのダメージが少なく、成功率が高くなります。さらに、圧力容積ループは、圧力容積カテーテルが心室腔内にあるかどうかを判断するために、胸部を閉じた状態で観察されます。このカテーテルが心筋によって圧迫されると、圧力量ループに異常なピークが見られます。
心臓は全身に血液を送り出す重要な器官です。心臓機能を評価するには、負荷の前と後、心臓自体の状態など、より合理的なアプローチが必要です21。圧力-容積ループは、心臓周期全体にわたる中央心室の圧力と容積の変化をリアルタイムで記述するために使用されます。このプロトコルは、ミニチュアセンサーで左心室機能を測定するための完全な方法を説明しています。実験プロトコルのマイクロセンサーモデルを変更することで、ブタ、マウスなどのさまざまな動物の心機能を測定することができます4,8,22。圧力-体積コンダクタンスカテーテルの使用により、左心室の圧力と容積に対する薬物の影響、および実験対象の循環器系への全体的な影響をリアルタイムで観察できます。この技術は、心臓に対する薬物の潜在的な悪影響を最小限に抑えるのに役立ちます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
著者らは、この研究は、潜在的な利益相反と解釈される可能性のある商業的または金銭的関係がない状態で実施されたと宣言しています。
Acknowledgments
この研究は、四川省重点研究開発プロジェクト(2022YFS043)と成都中医薬大学青年基金振興人材特別プロジェクト(QJJJ2022029)の支援を受けました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1 mL syringe | Sartorius AG, Germany | - | |
| Animal temperature maintainer | Rayward Life Technology Co., Ltd | 69020 | |
| Dual Bio Amp | Millar, Inc., USA | DA-100 | |
| Enzyme-Active Powdered Detergent | Alconox Inc., USA | 1104 | |
| Ferulic acid | Macklin Biochemical Co., Ltd,Shanghai, China | F900027 | |
| Mikro-Tip Catheter Transducers, SPR-838NR | Millar, Inc., USA | SPR-838NR | |
| Millar Miro-Tip Pressure Volume (MPVS) Ultra | Millar, Inc., USA | SPR-869 | |
| Pet electric clippers | Jinyun County New Concept Home Supplies Co., Ltd. | - | |
| Power Lab 8 / 35 | Millar, Inc., USA | PL3508 | |
| Sodium Chloride, NaCl | Kelong Chemical Reagent, Chengdu, China | KX829463 | |
| Veet hair removal cream | Shanghai Songqi E-commerce Co., Ltd. | 3226470 |
References
- Zaman, R., Epelman, S. Resident cardiac macrophages: Heterogeneity and function in health and disease. Immunity. 55 (9), 1549-1563 (2022).
- Schefold, J. C., Filippatos, G., Hasenfuss, G., Anker, S. D., von Haehling, S. Heart failure and kidney dysfunction: epidemiology, mechanisms and management. Nat Rev Nephrol. 12 (10), 610-623 (2016).
- Medert, R., Bacmeister, L., Segin, S., Freichel, M., Camacho Londoño, J. E. Cardiac response to β-adrenergic stimulation determined by pressure-volume loop analysis. J Vis Exp. (171), e62057 (2021).
- Hieda, M., Goto, Y. Cardiac mechanoenergetics in patients with acute myocardial infarction: From pressure-volume loop diagram related to cardiac oxygen consumption. Heart Fail Clin. 16 (3), 255-269 (2020).
- Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Bátkai, S., Kass, D. A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and rats. Nat Protoc. 3 (9), 1422-1434 (2008).
- Ziegler, T., Laugwitz, K. L., Kupatt, C. Left ventricular pressure volume loop measurements using conductance catheters to assess myocardial function in mice. Methods Mol Biol. 2158, 33-41 (2021).
- Rosch, S., et al. Characteristics of heart failure with preserved ejection fraction across the range of left ventricular ejection fraction. Circulation. 146 (7), 506-518 (2022).
- Meyers, T. A., Townsend, D. Early right ventricular fibrosis and reduction in biventricular cardiac reserve in the dystrophin-deficient mdx heart. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 308 (4), H303-H315 (2015).
- Alaerts, G., et al. Exploratory analysis of chromatographic fingerprints to distinguish rhizoma Chuanxiong and rhizoma Ligustici. J Chromatogr A. 1217 (49), 7706-7716 (2010).
- Serreli, G., et al. Ferulic acid derivatives and Avenanthramides modulate endothelial function through maintenance of nitric oxide balance in HUVEC cells. Nutrients. 13 (6), 2026 (2021).
- Li, D., et al. Ferulic acid: A review of its pharmacology, pharmacokinetics and derivatives. Life Sci. 284, 119921 (2021).
- Monceaux, K., et al. Ferulic acid, Pterostilbene, and Tyrosol protect the heart from ER-stress-induced injury by activating SIRT1-dependent deacetylation of eIF2α. Int J Mol Sci. 23 (12), 6628 (2022).
- Liu, Z., et al. N-terminal truncated peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α alleviates phenylephrine-induced mitochondrial dysfunction and decreases lipid droplet accumulation in neonatal rat cardiomyocytes. Mol Med Rep. 18 (2), 2142-2152 (2018).
- Sun, Y., et al. Shuangxinfang prevents S100A9-induced macrophage/microglial inflammation to improve cardiac function and depression-like behavior in rats after acute myocardial infarction. Front Pharmacol. 13, 832590 (2022).
- Panneerselvam, L., et al. Ferulic acid attenuates arsenic-induced cardiotoxicity in rats. Biotechnol Appl Biochem. 67 (2), 186-195 (2020).
- Hsueh, B., et al. Cardiogenic control of affective behavioural state. Nature. 615 (7951), 292-299 (2023).
- Townsend, D. Measuring pressure volume loops in the mouse. J Vis Exp. (111), e53810 (2016).
- Bastos, M. B., et al. Invasive left ventricle pressure-volume analysis: overview and practical clinical implications. Eur Heart J. 41 (12), 1286-1297 (2020).
- Wang, L. Y., et al. Effects of ferulic acid on antioxidant activity in Angelicae Sinensis Radix, Chuanxiong Rhizoma, and their combination. Chin J Nat Med. 13 (6), 401-408 (2015).
- Liu, Z., et al. Ferulic acid increases intestinal Lactobacillus and improves cardiac function in TAC mice. Biomed Pharmacother. 120, 109482 (2019).
- Baan, J., et al. Continuous measurement of left ventricular volume in animals and humans by conductance catheter. Circulation. 70 (5), 812-823 (1984).
- Dam Lyhne, M., et al. Effects of mechanical ventilation versus apnea on bi-ventricular pressure-volume loop recording. Physiol Res. 71 (1), 103-111 (2022).
