Farelerde Basınç Aşırı Modeli Koroner Arter Akış ve Koroner Akım Rezervi Ultrason Dayalı Değerlendirme
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
Klinik aort darlığı (AS), sol ventrikül (LV) afterload'ı ilerici artışı teşvik bilinmektedir. Bu kronik yükselen hemodinamik yük dengelemek için, LV hipertrofisi (SVH) adaptif cevap 1,2 olarak gelişir. LVH gelişimi sıklıkla koroner mikrosirkülasyondaki anormallikler ile ilişkilidir. Bu mikrovasküler disfonksiyon bu hastalarda 5 kronik iskemi katkıda düşünülmektedir. Koroner akım 3,4 ek olarak, koroner akım rezervi (CFR) koroner arterlerin 1,3 fonksiyonel değişimi temsil eder ve temel akış hızı veya tükürük akış hızı 4,6,7 için hiperemi maksimal akım hızı oranı olarak tanımlanır. CFR AG yeniden 1-3,5-9 sırasında düşer, koroner disfonksiyon 1,10,17 fonksiyonel şiddetinin ölçüde bir indeksi olarak kullanılmıştır. Bu genişlemiş kardiyomiyopati, 10 çeşitli biçimlerde ve ayrıca koroner s şekilde bozuk olduğu bilinentenosis 6. CFR da kötü klinik sonuçlara 12 için prognostik göstergedir.
Böyle iskemi veya LVH gibi kardiyak disfonksiyon ortamında LV remodeling da geniş fibrozis, koroner arterlerin 1,2 koroner mikrosirkülasyondaki ve kalınlaşma değişiklikler eşlik eder. Koroner fizyolojisinde Bu değişikliklerin bir sonucu olarak, koroner arter olası yeniden şekillenme vardır. Bu düşük oksijen difüzyon ve miyokard iskemi 1,2,13 yatkınlık neden olabilir LV diyastolik disfonksiyon etkilerini azaltmaya yardımcı olur.
Genetiği değiştirilmiş fareler gibi koroner ateroskleroz 5,7,10,12,17 şimdi insan hastalık koşullarını taklit için yaygın olarak yaygın araştırma araçtır. Özellikle farelerde basınç aşırı modeli yaygın 14,17 çalışılmıştır. Trans-aort daralma modeli (TAC) geniş fibroz ve olarak koroner ile ilişkili olduğu gösterilmiştirY darlığı koroner arterlerin medial kalınlaşma ve insanlarda LVH ayar görülene çok benzer koroner akım formları 1,11,17,19 değişiklikleri eşlik eden, kısmen, elde edilen. Bu uzun süreli basınç aşırı yaklaşık 4-8 hafta içinde dekompanse kalp yetmezliğine yol açtığı bilinmekle birlikte, bantlama sonra koroner akım dinamikleri ve erken hastalık ilerlemesi sürecinde bu modellerde akım rezervi, ve farklı aşamalarında etkileri, henüz açıkça tarif edilecek.
Farelerin çok sayıda suşları iyi karakterize LDLR dahil olmak üzere araştırma kullanımı, şu anda mevcuttur – / – veya ApoE – / – fareler 10-12, ve bu canlı farelerde 11-15 kardiyovasküler fonksiyonu ve morfolojisi değerlendirmede hassas tekniklerin geliştirilmesini teşvik etmiştir. Bu tür teknikler invaziv umut verici alternatifler sunmak hepsi MRG, PET, kontrast BT, yüksek frekanslı ultrason, ve elektron ışın tomografi 2,9,17,19 dahilkardiyak kateterizasyon ve koroner anjiyografi 12 gibi yöntemler. Ancak, koroner arterlerin çok küçük boyutu ve yüksek kalp hızı (KH) ile farelerde, koroner dolaşım görüntüleme hala birçok mevcut tekniklerin 4,12 için bir teknik sorun oluşturmaktadır. İlginçtir, 15 yaklaşık 30-100 mikron eksenel kararlar sağlayan 50 MHz merkez frekansları yüksek frekanslı dizi tarama kafaları geliştirilmesi de dahil olmak üzere transtorasik Doppler ekokardiyografi (TTDE) alanında teknik ilerlemeler, bir üstel artış olmuştur, 8-40 mm derinliklerinde, ve kare hızlarında fazla 400 / sn kare ele geçirdi. Buna karşılık, TTDE-tabanlı teknikler koroner arterler 5,12 olarak 2 büyük veya daha küçük damarları görüntüleme için bir potansiyel olarak güçlü bir araç olarak ortaya çıkmıştır.
Araştırmacılar, küçük a vasculaturenin tanısal görüntüleme çalışmaları yürütmek için izin verdi bir başka kritik avansnimals 11 görüntüleme sırasında kalp ve hayvanların solunum hızını korumak anestezik dikkatle kontrol kullanılmasıdır. Kontrollü anestezi bakım farelerde vazodilatasyon ile ilgili çalışmalar için özellikle önemlidir, ve anestezi etkisi daha da bu bağlamda 10,11 keşfedilmeyi gerekmektedir. İnsanlarda, diğer taraftan, TTDE türetilmiş CFR ölçümleri esas olarak sol ön inen (LAD) koroner arter 5,16 olarak, tıkalı olmayan engel epikardiyal koroner arterlerde değerlendirilmesi için daha yaygın olarak kullanılan bir araç haline gelmiştir. Ancak, CFR ve asemptomatik hastalarda veya istirahatte korunmuş sol ventrikül sistolik fonksiyonu farelerde koroner akım değişiklikleri prognostik rolü çok daha az olmuştur 16 araştırdı. Bu nedenle, çalışmanın amacı, ilk bir basınç aşırı fare modelinde TTDE kullanarak koroner akım değişiklikleri değerlendirmek için, net bir adım-adım protokolü kurmak oldu; İkinci, bu çalışma prognoz işareti incelenmiştirCFR ve tepki koroner akım değişiklikleri ificance bu farelerde aşırı stres baskı yapmak. Biz CFR ve koroner akım TTDE dayalı değerlendirme LV disfonksiyonu önce olabilir koroner fonksiyon bozukluğunun erken tanısında yararlı olabileceğini varsaydık.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu ultrason tabanlı çalışmada, koroner akım non-invaziv bir değerlendirme tekrarlanabilir canlı deneysel farelerde, gün boyunca, gerçek zamanlı olarak yapıldı; ayrıca, protokol erken bir aşamada bulunan ve miyokard perfüzyon yetersizliği ile ilişkili koroner arter disfonksiyonu tespit potansiyeli gösterdi. Bu yöntem sonuçta kardiyovasküler risk belirlenmesi ve / veya terapötik müdahaleye değerlendirilmesi yanıt klinik bir araç olarak kaldıraçlı olabilir.
İlk ola…
Disclosures
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 | |
References
- 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).
