Ultraschall Basierend Beurteilung der koronaren Herzfluss und koronare Flussreserve Mit der Drucküberlastung Modell an der Maus

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

Clinical Aortenstenose (AS) ist gut bekannt, eine fortschreitende Zunahme der linksventrikulären (LV) Nachlast fördern. Um sich für diese chronisch steigenden hämodynamische Belastung zu kompensieren, erfolgt LV Hypertrophie (LVH) als adaptive Reaktion ^1,2. Die Entwicklung der LVH ist oft mit Anomalien in koronaren Mikrozirkulation verbunden. Es wird vermutet, dass die mikrovaskuläre Dysfunktion trägt zu chronischer Ischämie in Patienten ^5. Neben Koronarfluss ^3,4, koronare Flussreserve (CFR) stellt Funktionsänderung der Koronararterien ^1,3 und wird als das Verhältnis der maximalen Strömungsgeschwindigkeit in Hyperämie in den Ausgangsströmungsgeschwindigkeit oder ruhenden Strömungsgeschwindigkeit ^4,6,7 definiert. CFR während LV Remodeling ^1-3,5-9 verringert, und wird als Index für das Ausmaß der funktionalen Schwere koronare Dysfunktion ^1,10,17 verwendet. Es ist bekannt, in vielen Formen der dilatierten Kardiomyopathie ¹⁰ sowie koronarer s beeinträchtigttenosis ^6. CFR ist auch ein prognostischer Marker für schlechte klinische Ergebnisse ^12.

LV Remodeling in der Einstellung der Herzdysfunktion, wie Ischämie oder LVH wird auch durch umfangreiche Fibrose, Veränderungen bei der koronaren Mikrozirkulation und Verdickung der Koronararterien ^1,2 begleitet. Als Ergebnis dieser Veränderungen in koronaren Physiologie, dürfte Umbau der Koronararterien. Dies trägt zur Milderung von niedrigen Sauerstoffdiffusion und LV diastolische Dysfunktion, die in der Anfälligkeit für myokardiale Ischämie ^1,2,13 führen kann.

Genetisch veränderte Mäuse, sind jetzt eine weit verbreitete Untersuchungstool für die Nachahmung menschlicher Erkrankungen Erkrankungen wie koronare Atherosklerose ^{5,7,10,12,17.} Vor allem die Drucküberlastung Modell bei Mäusen wurde weitgehend untersucht ^14,17. Das trans Aortakonstriktion Modell (TAC) wurde gezeigt, dass mit umfangreichen Fibrose und coronar zugeordnet werdeny Stenose resultierende, teilweise aus den medialen Verdickung der Koronararterien und mit begleitenden Änderungen im Koronarfluss Muster ^1,11,17,19 ähnlich dem, was bei der Einstellung der LVH beim Menschen erwartet. Obwohl bekannt ist, dass eine längere Drucküberlastung führt zu dekompensierter Herzinsuffizienz in etwa 4-8 Wochen, die Auswirkungen auf die koronare Flussdynamik und Flussreserve in diesen Modellen, frühzeitig in den Prozess der Krankheitsprogression und in verschiedenen Stadien nach Streifenbildung, noch bisher klar.

Zahlreiche Stämme von Mäusen sind derzeit für Forschungszwecke, auch gut charakterisierte LDLR verfügbar – / – oder ApoE – / – Mäusen ^10-12, und diese haben die Entwicklung von empfindlichen Techniken zur Beurteilung der Herz-Kreislauf-Funktion und Morphologie in lebenden Mäusen ^11-15 aufgefordert werden. Solche Techniken umfassen MRI, PET, Kontrast CT, hochfrequenten Ultraschall, und Elektronenstrahltomographie ^2,9,17,19, die alle für versprechende Alternativen zu invasivenMethoden wie die Herzkatheter und Koronarangiographie ^12. In Mäusen, die mit sehr kleinen Größe der Herzkranzgefäße und hoher Herzfrequenz (HR), Bildgebung von Herzkreislauf noch eine technische Herausforderung für viele derzeit verfügbaren Techniken ^4,12. Interessanterweise gab es einen exponentiellen Anstieg in dem technischen Fortschritt auf dem Gebiet der transthorakalen Dopplerechokardiographie (TTDE), einschließlich der Entwicklung von Hochfrequenz-Array Scanköpfe mit Mittenfrequenzen von 15 bis 50 MHz eine axiale Auflösung von etwa 30 bis 100 & mgr; m in einer Tiefe von 8 bis 40 mm, und Bildraten von mehr als 400 Bildern eingefangen / sec. Im Gegenzug haben TTDE-basierte Techniken als potenziell leistungsfähiges Werkzeug zur Abbildung größer ² oder sogar kleinere Schiffe entstanden, wie Koronararterien ^5,12.

Ein weiterer wichtiger Fortschritt, der es ermöglicht hat Ermittler zu diagnostischen bildgebenden Untersuchungen des Gefäßsystems in kleinen a führennimals der sorgfältig kontrollierten Einsatz von Anästhetika, die das Herz und die Atmungsrate der Tiere während der Bild ¹¹ aufrechtzuerhalten. Kontrollierter Anästhesie Wartung ist besonders wichtig für Studien zur Gefäßerweiterung bei Mäusen verwandt, und die Wirkung der Narkose muss auch in diesem Zusammenhang ^10,11 weiter untersucht werden. Bei Menschen, andererseits TTDE abgeleiteten CFR Messungen zu einem häufig verwendeten Werkzeug zur Auswertung der stenosierten und nichtblockierten epikardialen Koronararterien, überwiegend in der linken vorderen absteigenden (LAD) Koronararterie ^5,16. Allerdings ist die prognostische Bedeutung der CFR und koronare Flussänderungen bei asymptomatischen Patienten oder Mäuse mit gut erhaltener systolischer Funktion in Ruhe viel weniger erforscht ¹⁶ gewesen. Daher das Ziel der Studie war es, zunächst eine klare Schritt-für-Schritt-Protokoll, auf Veränderungen in Koronarfluss mit TTDE in einer Drucküberlastung Mausmodell zu bewerten; zweitens, diese Studie untersuchte die prognostisches Zeichenificance der CFR und Koronarfluss sich infolge einer Überlast Stress in diesen Mäusen unter Druck. Wir vermuten, dass TTDE fundierte Beurteilung der CFR und Koronarfluss kann bei der Früherkennung der koronaren Dysfunktion LV Dysfunktion vorausgehen kann.

Protocol

Hinweis: Alle Verfahren wurden bei Mäusen nach American Veterinary Medical Association (AVMA) Richtlinien durchgeführt und genehmigt Institutional Animal Care und Verwenden Komitees (IACUC) Protokolle. 1. Studiendesign Verwenden Sie 8-10 Wochen alten männlichen C57BL / 6 Mäuse (BW ~ 25 g) in der Studie. Zufälliger Mäuse (n = 11) in zwei Gruppen, die Studiengruppe für Aortenbandierung ausgewählte (n = 8) und der Kontrollgruppe (n = 3), um Scheinoperation via Thora…

Representative Results

Von den 11 Mäusen, die von einem einzigen Beobachter zu verschiedenen Zeitpunkten untersucht wurden (gebändert, n = 8 und Schein, n = 3), angemessene und reproduzierbare Bilder wurden: an der Grundlinie (D-1), D2, D6 und D13 . Außerdem wurde die Strömungsgeschwindigkeit an der Verengungsstelle als 2225 ± 110,9 mm / s gemessen wird, verglichen mit 277,5 ± 10,51 mm / s in den schein-Mäusen am Tag nach der Operation (p <0,05). Die Erhöhung der Geschwindigkeit war die Überprüfung der erfolgreichen Etablierung d…

Discussion

In diesem Ultraschall basierte Studie wurde nicht invasive Beurteilung der koronaren Flusses reproduzierbar in Echtzeit durchgeführt, über Tage, in Live-Versuchsmäusen; Darüber hinaus zeigte das Protokoll die Möglichkeit, koronare Herzfunktionsstörungen, die zu einem frühen Zeitpunkt anwesend war und mit Mangel an myokardialen Perfusion assoziiert zu erkennen. Diese Methode könnte letztlich als klinischer Parameter bei kardiovaskulären Risikostratifizierung und / oder Beurteilung Reaktion auf therapeutische Int…

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