Ultraljud Baserat Bedömning av kranskärls Flow och Coronary Flow Reserve Använda tryckÖverbelastnings Model hos möss

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

Klinisk aortastenos (AS) är välkänt för att främja en progressiv ökning av vänster kammare (LV) afterload. För att kompensera för detta kroniskt ökande hemodynamisk belastning, LV hypertrofi (LVH) inträder som en adaptiv respons ^1,2. Utvecklingen av LVH förknippas ofta med avvikelser i kranskärlsmikrocirkulation. Man tror att mikrovaskulära dysfunktion bidrar till kronisk ischemi hos dessa patienter ^5. Förutom koronarflödet ^3,4, koronar flödesreserv (CFR) representerar funktionell förändring av kranskärl ^1,3 och definieras som förhållandet mellan maximal strömningshastighet i hyperemi till baslinjen flödeshastighet eller vilande flödeshastighet ^4,6,7. CFR minskas under LV ombyggnad ^1-3,5-9 och används som ett index för graden av funktionell svårighetsgrad av koronar dysfunktion ^1,10,17. Det är känt att försämras i många former av dilaterad kardiomyopati ¹⁰ och även koronara stenosis ^6. CFR är också en prognostisk markör för dåliga kliniska resultat ^12.

LV ombyggnad i inställningen av hjärtdysfunktion såsom ischemi eller LVH åtföljs också av omfattande fibros, förändringar i koronarmikrocirkulation och förtjockning av hjärtats kranskärl ^1,2. Som ett resultat av dessa förändringar i koronar fysiologi, det är troligt ombyggnad av kranskärlen. Detta hjälper till att minska effekterna av låga syrediffusion och LV diastolisk dysfunktion som kan resultera i känslighet för myokardischemi ^1,2,13.

Genetiskt modifierade möss är nu en allmänt utbredd prövnings verktyg för att härma mänskliga sjukdomstillstånd såsom koronar ateroskleros ^{5,7,10,12,17.} Speciellt trycköverbelastningsmodell i möss har studerats ^14,17. Den transaorta sammandragning modell (TAC) har visat sig vara associerade med omfattande fibros, och coronary stenos resulte, delvis från mediala förtjockning av hjärtats kranskärl och med åtföljande förändringar i koronarflödesmönster ^1,11,17,19 liknar vad som ses i inställningen av LVH hos människor. Även om det är känt att långvarig tryck överbelastning leder till dekompenserad hjärtsvikt i ca 4-8 veckor, effekterna på koronarflödesdynamik och strömnings reserv i dessa modeller, tidigt i processen för sjukdomsprogression, och på olika stadier efter banding, är ännu vara tydligt fördelade.

Många stammar av möss är för närvarande tillgängliga för forskningsändamål, inklusive välkarakteriserad LDLR – / – eller ApoE – / – möss ^10-12, och dessa har fått utveckla känsliga tekniker för bedömning kardiovaskulär funktion och morfologi i levande möss ^11-15. Sådana tekniker inkluderar MRI, PET, kontrast CT, högfrekvent ultraljud, och elektronstråle tomografi ^2,9,17,19, som alla ger lovande alternativ till invasivametoder såsom hjärt kateterisering och koronarangiografi ^12. Men i möss med mycket liten storlek på hjärtats kranskärl och höga hjärtfrekvenser (HR), utgör avbildning av koronar cirkulation fortfarande en teknisk utmaning för många närvarande tillgängliga tekniker ^4,12. Intressant nog har det skett en exponentiell ökning av tekniska framsteg inom området för transtorakal Doppler ekokardiografi (TTDE), inklusive utveckling av högfrekventa array scan huvuden med mittfrekvenser från 15 till 50 MHz möjliggör axiella resolutioner av ca 30-100 pm, på djup 8-40 mm, och bildhastighet som är större än 400 bildrutor fångas / sek. I sin tur har TTDE baserade tekniker dykt upp som ett potentiellt kraftfullt verktyg för avbildning större ² eller till och med mindre fartyg som kranskärl ^5,12.

En annan kritisk förväg att har tillåtit utredare att genomföra diagnostiska imaging studier av kärl i litennimals är noggrant kontrollerad användning av bedövningsmedel som upprätthåller hjärtat och andningsfrekvens av djuren under avbildning ^11. Kontrollerad anestesi underhåll är särskilt viktigt för studier relaterade till vasodilation i möss, och effekten av anestesi behöver också undersökas närmare i detta sammanhang ^10,11. I människor, å andra sidan, har mätningar TTDE-härledda CFR blivit ett mer vanligt förekommande verktyg för utvärdering av förträngda och icke-blocke epikardiella kranskärl, övervägande i vänstra främre nedåtgående (LAD) kransartären ^5,16. Dock har den prognostiska betydelsen av CFR och koronara flödesförändringar i asymptomatiska patienter eller möss med bevarad systolisk funktion i vila varit mycket mindre utfors ^16. Därför var syftet med studien var att först etablera ett tydligt steg-för-steg-protokollet, för att utvärdera förändringar i koronarflödet med hjälp TTDE i en trycköverbelastnings musmodell; andra, undersökte denna studie prognos teckenificance av CFR och koronara flödesförändringar till följd av påtryckningar överbelastnings stress i dessa möss. Vi antog att TTDE baserad bedömning av CFR och koronarflöde kan vara användbart vid tidig upptäckt av koronar dysfunktion som kan föregå LV dysfunktion.

Protocol

OBS: Alla procedurer utfördes på möss enligt American Veterinary Medical Association (AVMA) riktlinjer och godkända Institutional Animal Care och användning kommittéer (IACUC) protokoll. 1. Studera Design Använd 8-10 veckor gammal hane C57BL / 6-möss (BW ~ 25 g) i studien. Slumpmässig möss (n = 11) i två grupper, studiegruppen ut för aorta banding (n = 8), och kontrollgruppen (n = 3) att genomgå skenoperation via torakotomi. Förbered djuret för a…

Representative Results

Av de 11 möss som studerades (bandad, n = 8 och bluff, n = 3), var tillräckliga och reproducerbara bilder som erhållits genom en enda observatör vid flera tidpunkter: vid baslinjen (D-1), D2, D6 och D13 . Dessutom var flödeshastigheten vid trängda plats mätt som 2225 ± 110,9 mm / s, jämfört med 277,5 ± 10.51 mm / s på bluff möss på dagen efter operationen (p <0,05). Ökningen av hastigheten var kontrollen av den framgångsrika etableringen av trycköverbelastningsmodellen. SCA strömningshastighet, äve…

Discussion

I detta ultraljudsbaserad studie, var icke-invasiv bedömning av koronarflödet reproducerbart utförs i realtid, över dagar, i levande försöksmöss; dessutom visade protokollet potential att detektera kranskärls dysfunktion som var närvarande i ett tidigt skede och var associerad med brist på myokardial perfusion. Denna metod kan i slutändan tas tillvara som en klinisk verktyg för kardiovaskulär risk stratifiering och / eller bedömning svar på terapeutisk intervention.

Först ett…

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