चूहे में दबाव अधिभार मॉडल का उपयोग कर कोरोनरी धमनी फ्लो और कोरोनरी फ्लो रिजर्व के अल्ट्रासाउंड आधारित मूल्यांकन
Summary
Coronary flow reserve (CFR) is useful for assessment of myocardial oxygen demand and evaluation of cardiovascular risk. This study establishes a step-by-step transthoracic Doppler echocardiographic (TTDE) method for longitudinal monitoring of the changes in CFR, as measured from coronary artery in mice, under the experimental pressure overload of aortic banding.
Abstract
Transthoracic Doppler echocardiography (TTDE) is a clinically useful, noninvasive tool for studying coronary artery flow velocity and coronary flow reserve (CFR) in humans. Reduced CFR is accompanied by marked intramyocardial and pericoronary fibrosis and is used as an indication of the severity of dysfunction. This study explores, step-by-step, the real-time changes measured in the coronary flow velocity, CFR and systolic to diastolic peak velocity (S/D) ratio in the setting of an aortic banding model in mice. By using a Doppler transthoracic imaging technique that yields reproducible and reliable data, the method assesses changes in flow in the septal coronary artery (SCA), for a period of over two weeks in mice, that previously either underwent aortic banding or thoracotomy.
During imaging, hyperemia in all mice was induced by isoflurane, an anesthetic that increased coronary flow velocity when compared with resting flow. All images were acquired by a single imager. Two ratios, (1) CFR, the ratio between hyperemic and baseline flow velocities, and (2) systolic (S) to diastolic (D) flow were determined, using a proprietary software and by two independent observers. Importantly, the observed changes in coronary flow preceded LV dysfunction as evidenced by normal LV mass and fractional shortening (FS).
The method was benchmarked against the current gold standard of coronary assessment, histopathology. The latter technique showed clear pathologic changes in the coronary artery in the form of peri-coronary fibrosis that correlated to the flow changes as assessed by echocardiography.
The study underscores the value of using a non-invasive technique to monitor coronary circulation in mouse hearts. The method minimizes redundant use of research animals and demonstrates that advanced ultrasound-based indices, such as CFR and S/D ratios, can serve as viable diagnostic tools in a variety of investigational protocols including drug studies and the study of genetically modified strains.
Introduction
क्लीनिकल महाधमनी एक प्रकार का रोग (एएस) अच्छी तरह से बाएं निलय (एल.वी.) afterload में एक प्रगतिशील वृद्धि को बढ़ावा देने के लिए जाना जाता है। इस लंबे समय से बढ़ती hemodynamic लोड करने के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए, एल.वी. अतिवृद्धि (LVH) एक अनुकूली प्रतिक्रिया 1,2 के रूप में ensues। LVH के विकास अक्सर कोरोनरी microcirculation में में असामान्यताओं के साथ जुड़ा हुआ है। यह माइक्रोवैस्कुलर शिथिलता इन रोगियों 5 में पुरानी ischemia के लिए योगदान देता है कि माना जाता है। कोरोनरी प्रवाह 3,4 के अलावा, कोरोनरी प्रवाह रिजर्व (सीएफआर) कोरोनरी धमनियों 1,3 के कार्यात्मक परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है और आधारभूत प्रवाह वेग या आराम प्रवाह वेग 4,6,7 को hyperemia में अधिक से अधिक प्रवाह वेग के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। सीएफआर एल.वी. remodeling के 1-3,5-9 दौरान कमी आई है और कोरोनरी शिथिलता 1,10,17 के कार्यात्मक गंभीरता की हद तक का एक सूचकांक के रूप में प्रयोग किया जाता है। यह फैली हुई cardiomyopathy 10 के कई रूपों और भी कोरोनरी एस में बिगड़ा होने के लिए जाना जाता हैtenosis 6। सीएफआर भी गरीब नैदानिक परिणाम 12 के लिए एक शकुन मार्कर है।
ऐसे ischemia या LVH के रूप में हृदय रोग की सेटिंग में एल.वी. remodeling के भी व्यापक फाइब्रोसिस, कोरोनरी धमनियों 1,2 की कोरोनरी microcirculation और उमड़ना में परिवर्तन के साथ है। कोरोनरी फिजियोलॉजी में इन परिवर्तनों का एक परिणाम के रूप में, कोरोनरी धमनियों की संभावना है remodeling है। यह कम ऑक्सीजन प्रसार और myocardial ischemia के 1,2,13 के लिए संवेदनशीलता में परिणाम सकता है कि एल.वी. डायस्टोलिक शिथिलता के प्रभाव को कम मदद मिलती है।
आनुवांशिक रूप से संशोधित चूहों ऐसे कोरोनरी atherosclerosis 5,7,10,12,17 के रूप में अब मानव रोग की स्थिति की नकल उतार के लिए एक व्यापक रूप से प्रचलित अनुसंधानात्मक उपकरण हैं। विशेष रूप से चूहों में दबाव अधिभार मॉडल व्यापक रूप से 14,17 अध्ययन किया गया है। ट्रांस-महाधमनी कसना मॉडल (टीएसी) व्यापक फाइब्रोसिस, और coronar के साथ जुड़े होने के लिए दिखाया गया हैY प्रकार का रोग कोरोनरी धमनियों की औसत दर्जे का उमड़ना से और मनुष्यों में LVH की सेटिंग में देखा जाता है क्या करने के लिए इसी तरह की कोरोनरी प्रवाह पैटर्न 1,11,17,19 में परिवर्तन के साथ साथ, भाग में, जिसके परिणामस्वरूप। यह लंबे समय तक दबाव अधिभार के बारे में 4-8 सप्ताह में decompensated दिल की विफलता की ओर जाता है कि जाना जाता है, बैंडिंग के बाद कोरोनरी प्रवाह की गतिशीलता और जल्दी रोग प्रगति की प्रक्रिया में इन मॉडलों में प्रवाह रिजर्व, पर और विभिन्न चरणों में प्रभाव, अभी तक कर रहे हैं स्पष्ट रूप से चित्रित किया जाना है।
चूहों के कई उपभेदों अच्छी तरह से विशेषता LDLR सहित अनुसंधान उपयोग करते हैं, के लिए वर्तमान में उपलब्ध हैं – / – या ApoE – / – चूहों 10-12, और इन में रहने वाले चूहों 11-15 में हृदय समारोह और आकृति विज्ञान का आकलन करने के लिए संवेदनशील तकनीक के विकास के लिए प्रेरित किया है। इस तरह की तकनीक इनवेसिव के लिए आशाजनक विकल्प प्रदान जो सभी के लिए एमआरआई, पीईटी, इसके विपरीत सीटी, उच्च आवृत्ति अल्ट्रासाउंड, और इलेक्ट्रॉन बीम टोमोग्राफी 2,9,17,19, शामिलइस तरह के हृदय catheterizations और कोरोनरी एंजियोग्राफी के रूप में 12 तरीके। हालांकि, कोरोनरी धमनियों के बहुत छोटे आकार और उच्च दिल की दर (मानव संसाधन) के साथ चूहों में, कोरोनरी परिसंचरण की इमेजिंग अभी भी कई वर्तमान में उपलब्ध तकनीक 4,12 के लिए एक तकनीकी चुनौती का गठन किया। दिलचस्प है, 15 से लगभग 30-100 माइक्रोन का अक्षीय प्रस्तावों की अनुमति के 50 मेगाहर्ट्ज के लिए केंद्र आवृत्तियों के साथ उच्च आवृत्ति सरणी स्कैन सिर के विकास सहित ट्रांस्थोरासिक डॉपलर इकोकार्डियोग्राफी (TTDE) के क्षेत्र में तकनीकी प्रगति में एक घातीय वृद्धि हुई है, 8-40 मिमी की गहराई, और फ्रेम दर पर अधिक से अधिक से अधिक 400 / सेक फ्रेम पर कब्जा कर लिया। बदले में, TTDE आधारित तकनीक ऐसी कोरोनरी धमनियों 5,12 के रूप में दो बड़े या यहां तक कि छोटे जहाजों इमेजिंग के लिए एक संभावित शक्तिशाली उपकरण के रूप में उभरा है।
जांचकर्ताओं छोटे एक में vasculature की नैदानिक इमेजिंग अध्ययन का संचालन करने के लिए अनुमति दी गई है कि एक और महत्वपूर्ण अग्रिमnimals 11 इमेजिंग के दौरान दिल और जानवरों की सांस की दर को बनाए रखने कि एनेस्थेटिक्स का सावधानी से नियंत्रित इस्तेमाल होता है। नियंत्रित संज्ञाहरण रखरखाव चूहों में वाहिकाप्रसरण से संबंधित अध्ययन के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, और संज्ञाहरण के प्रभाव को भी आगे इस संदर्भ 10,11 में पता लगाया जाना चाहिए। इंसानों में, दूसरे हाथ पर, TTDE व्युत्पन्न सीएफआर माप मुख्य रूप से छोड़ दिया पूर्वकाल उतरते (लाड) कोरोनरी धमनी 5,16 में, stenosed और गैर-बाधित एपिकार्डियल कोरोनरी धमनियों के मूल्यांकन के लिए एक और आमतौर पर इस्तेमाल उपकरण बन गए हैं। हालांकि, सीएफआर और स्पर्शोन्मुख रोगियों या आराम में संरक्षित एल.वी. सिस्टोलिक समारोह के साथ चूहों में कोरोनरी प्रवाह में परिवर्तन के शकुन भूमिका बहुत कम हो गया है 16 का पता लगाया गया है। इसलिए, अध्ययन का उद्देश्य पहले एक दबाव अधिभार माउस मॉडल में TTDE का उपयोग कर कोरोनरी प्रवाह में परिवर्तन का मूल्यांकन करने के लिए एक स्पष्ट कदम-दर-कदम प्रोटोकॉल स्थापित करने के लिए किया गया था; दूसरा, इस अध्ययन शकुन हस्ताक्षर की जांच कीसीएफआर और जवाब में कोरोनरी प्रवाह में परिवर्तन की ificance इन चूहों में अधिभार तनाव दबाव डालने के लिए। हम सीएफआर और कोरोनरी प्रवाह की TTDE आधारित आकलन एल.वी. शिथिलता पूर्व में होना हो सकता है कि कोरोनरी रोग का जल्दी पता लगाने में उपयोगी हो सकता है कि धारणा है।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस अल्ट्रासाउंड आधारित अध्ययन में, कोरोनरी प्रवाह की गैर इनवेसिव आकलन reproducibly लाइव प्रयोगात्मक चूहों में, दिन भर में वास्तविक समय में प्रदर्शन किया गया था; इसके अलावा, प्रोटोकॉल एक प्रारंभिक चरण में मौज?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Fred Roberts for exemplary technical support and also appreciate the help from the histology core in Beth Israel Hospital. We thank Brigham Women’s Hospital Cardiovascular Physiology Core for providing with the instrumentation and the funds for this work. This work was supported in part by a Department of Medicine Sundry Fund.
Materials
| Name of the Reagent | Company | Catalogue 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 |
| Table of equipments | |||
| Material Name | Company | Catalogue Number | Comments |
| High Frequency Ultrasound | FUJIFILM VisualSonics, Inc. | Vevo 2100 | |
| High-frequency Mechanical Transducer | FUJIFILM VisualSonics, Inc. | MS250, MS550D, MS400 | |
Referências
- 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).
- 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).
- 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).
- Bratkovsky, S., et al. Measurement of coronary flow reserve in isolated hearts from mice. Acta physiologica Scandinavica. 181, 167-172 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Almeida, A. C., van Oort, R. J., Wehrens, X. H. Transverse aortic constriction in mice. Journal of visualized experiments : JoVE. , 1729 (2010).
- 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).
- 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).
- Niu, X., et al. beta3-adrenoreceptor stimulation protects against myocardial infarction injury via eNOS and nNOS activation. PloS one. 9, e98713 (2014).
- 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).
