Evaluación Ultrasonido base de la arteria coronaria de flujo y la reserva coronaria Utilizando la sobrecarga Modelo Presión en ratones

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

Estenosis aórtica Clínica (AS) es bien conocido por promover un aumento progresivo en ventricular izquierda (LV) poscarga. Para compensar este aumento de la carga hemodinámica crónica, hipertrofia ventricular izquierda (HVI) se produce como una respuesta adaptativa ^1,2. El desarrollo de la HVI se asocia a menudo con alteraciones en la microcirculación coronaria. Se piensa que la disfunción microvascular contribuye a la isquemia crónica en estos pacientes ^5. Además de flujo coronario ^3,4, la reserva de flujo coronario (CFR) representa el cambio funcional de las arterias coronarias ^1,3 y se define como la relación de la velocidad de flujo máxima en la hiperemia de la velocidad de flujo de línea de base o descansando velocidad de flujo ^4,6,7. CFR se disminuyó durante LV remodelación ^1-3,5-9 y se utiliza como un índice del grado de gravedad de la disfunción funcional coronaria ^1,10,17. Se sabe que hay impedimento en muchas formas de miocardiopatía dilatada ¹⁰ y también s coronariastenosis ^6. CFR es también un marcador pronóstico de pobres resultados clínicos ^12.

La remodelación del VI en el contexto de la disfunción cardiaca tales como isquemia o HVI también se acompaña de fibrosis extensa, los cambios en la microcirculación coronaria y engrosamiento de las arterias coronarias ^1,2. Como resultado de estos cambios en la fisiología coronaria, es probable remodelación de las arterias coronarias. Esto ayuda a mitigar los efectos de la difusión de oxígeno baja y disfunción diastólica del VI que podría resultar en la susceptibilidad a ^1,2,13 isquemia miocárdica.

Ratones genéticamente modificados son ahora una herramienta de investigación muy extendido para imitar las condiciones de enfermedades humanas como la aterosclerosis coronaria ^{5,7,10,12,17.} En particular, el modelo de sobrecarga de presión en ratones ha sido ampliamente estudiado ^14,17. El modelo de constricción trans-aórtica (TAC) se ha demostrado que se asocia con fibrosis extensa, y coronary estenosis resultante, en parte, de engrosamiento de la media de las arterias coronarias y con el acompañamiento de los cambios en los patrones de flujo coronario ^1,11,17,19 similares a lo que se ve en el contexto de la HVI en los seres humanos. Aunque se sabe que la sobrecarga de presión prolongada conduce a la insuficiencia cardiaca descompensada en alrededor de 4-8 semanas, los efectos sobre la dinámica de flujo y la reserva de flujo coronario en estos modelos, temprano en el proceso de progresión de la enfermedad, y en diferentes etapas después de bandas, son todavía estar claramente delineado.

Numerosas cepas de ratones están disponibles actualmente para su uso en investigación, incluyendo la bien caracterizada LDLR - / - o ApoE - / - ratones ^10-12, y estos han impulsado el desarrollo de técnicas sensibles para evaluar la función cardiovascular y la morfología en ratones vivos ^11-15. Tales técnicas incluyen MRI, PET, contraste CT, ultrasonidos de alta frecuencia, y tomografía de haz de electrones ^2,9,17,19, todos los cuales proporcionan alternativas prometedoras a invasivamétodos tales como cateterismos cardíacos y la angiografía coronaria ^12. Sin embargo, en ratones con muy pequeño tamaño de las arterias coronarias y las altas tasas de corazón (HR), imágenes de la circulación coronaria sigue constituyendo un reto técnico para muchas técnicas disponibles en la actualidad ^4,12. Curiosamente, se ha producido un aumento exponencial de los avances técnicos en el campo de la ecocardiografía Doppler transtorácica (EDT), incluyendo el desarrollo de alta frecuencia cabezales del escáner matriz con frecuencias centrales de 15 a 50 MHz que permite resoluciones axiales de aproximadamente 30 a 100 micras, a profundidades de 8-40 mm, y velocidades de fotogramas-capturados cuadros / seg mayor que 400. A su vez, las técnicas basadas en TTDE han surgido como una herramienta potencialmente poderosa para obtener imágenes de los vasos más grandes ² o incluso más pequeños, tales como arterias coronarias ^5,12.

Otro avance importante que ha permitido a los investigadores a realizar estudios de diagnóstico por imágenes de la vasculatura en un pequeñonimals es el uso cuidadosamente controlada de anestésicos que mantienen el corazón y el ritmo respiratorio de los animales durante la formación de imágenes ^11. Mantenimiento anestesia controlada es particularmente importante para los estudios relacionados con la vasodilatación en ratones, y el efecto de la anestesia también tiene que estudiar más a fondo en este contexto ^10,11. En los seres humanos, por otro lado, las mediciones CFR derivados de TTDE se han convertido en una herramienta más comúnmente utilizado para la evaluación de las arterias coronarias epicárdicas estenosis y no obstruido, predominantemente en descendente anterior izquierda (LAD) de la arteria coronaria ^5,16. Sin embargo, el papel pronóstico de CFR y cambios en el flujo coronario en pacientes asintomáticos o ratones con preservada la función sistólica del VI en reposo ha sido mucho menos explorado ^16. Por lo tanto, el objetivo del estudio fue establecer primero un protocolo claro paso a paso, para evaluar los cambios en el flujo coronario mediante TTDE en un modelo de ratón de la sobrecarga de presión; en segundo lugar, este estudio examinó el signo de pronósticoificance de CFR y cambios en el flujo coronario en respuesta a la presión de sobrecarga de estrés en estos ratones. La hipótesis de que la evaluación basada TTDE de CFR y el flujo coronario puede ser útil en la detección precoz de la disfunción coronaria que puede preceder a la disfunción del VI.

Protocolo

NOTA: Todos los procedimientos se realizaron en ratones de acuerdo con la Asociación Americana de Medicina Veterinaria (AVMA) directrices y aprobados Institucional Use Comités (IACUC) protocolos y Cuidado de Animales.

1. Diseño del estudio

1. Utilice 8-10 semanas de edad macho C57BL / 6 ratones (BW ~ 25 g) en el estudio.
2. Selección aleatoria de los ratones (n = 11) en dos grupos, el grupo de estudio seleccionado por constricción aórtica (n = 8), y el grupo de control (n = 3) a someterse a operación simulada a través de toracotomía.
3. Preparar el animal para obtener imágenes por eliminar el vello del pecho usando crema depilatoria que es de grado médico.
4. Realizar una primera ultrasonido (sección 2) 24 horas antes de la constricción aórtica para determinar los parámetros de línea de base en el Día -1, entre una gama de 1% y 2,5% de isoflurano (mezclado con 100% de O ₂ a través de ojiva) inducida por la anestesia.
5. Elegir un agente anestésico aprobado médicamente (es decir, isoflurano) y monitorear el grado de anestesia (2.3% a induce, y 1,0% para mantener).
   NOTA: la anestesia adecuada es crucial en el mantenimiento de los latidos del corazón a tasas fisiológicas normales (alrededor de 500 latidos / min).
6. Confirmar la profundidad de la anestesia por pérdida de movimiento del animal en respuesta a un reflejo pedal-retiro. Use ungüento veterinario paralube en los ojos para evitar la sequedad mientras que bajo anestesia.
7. Realizar cirugía en el día 0 ^20,21.
8. Para aórtica, ligar la aorta utilizando una sutura de seda 7-0 alrededor de una cónica 26 G aguja que se coloca en el arco.
   NOTA: Los detalles relativos al protocolo experimental, incluidos los procedimientos de bandas aórticas quirúrgicos, se han descrito anteriormente ^20,21.
9. Realizar ecografía posterior a la cirugía (sección 2) en el Día (s) 2, 6 y 13.
10. La eutanasia a los ratones en el día 14 y la cosecha de los corazones para la evaluación histológica. La eutanasia a los animales mediante una sobredosis de pentobarbital seguido de la eliminación de un órgano vital como el corazón. Arresto los corazones en diastole y fijar con formalina. Utilice el procedimiento de la recolección de corazón que ha sido descrito previamente ^22.
11. Fijar todos los tejidos del corazón con buffer solución de formalina al 10%. Para tricrómico tinción, incrustar tejidos en parafina antes de seccionar. Utilice los detalles de tricrómico tinción que han sido bien ilustrado anteriormente ^14,23.
12. Analizar los datos utilizando software sin conexión (sección 3).

2. Protocolo Imaging

1. Imágenes largas y cortas de los ejes de la arteria coronaria septal (SCA) (Modo B)
   1. El uso de la sonda MS550D con frecuencia central de 40 MHz conectados al puerto activo, establecer la aplicación preestablecido a "imagen cardiaca".
   2. Con la supina animal sobre la plataforma calentada, y bajo anestesia controlada a través de cono de la nariz, la posición de la sonda usando el sistema ferroviario para obtener el paraesternal eje largo (PSLAX) (Figura 1A). Asegúrese siempre de que el animal se mantiene caliente en la platfor precalentadom y la temperatura corporal se mantiene a niveles fisiológicos.
   3. Girar la sonda (con la muesca apuntando caudalmente) en sentido horario tal que el ángulo de la sonda es 15 ° a la línea izquierda paraesternal (eje largo vista) (Figura 1B).
   4. Ajuste el ángulo de la sonda por la inclinación ligeramente a lo largo del eje y de la sonda para obtener una vista longitudinal de longitud completa de la SCA en el centro de la pantalla (Figura 1B).
   5. Una vez que los puntos de referencia apropiados (válvula aórtica y la arteria pulmonar) son vistos, tienda de cine la imagen utilizando la más alta frecuencia de imagen posible.
   6. Mediante el uso de la "xy" ejes micromanipuladores (Figura 1D), ajustar la posición de la sonda para obtener la imagen más clara de la SCA.
   7. Gire la sonda 90 ° (con la muesca apuntando en dirección caudal) en sentido horario tal que el extremo con muescas de la sonda está a la izquierda de la línea media (eje corto) (Figura 1 C).
2. Imágenes largas y cortas de los ejes de SCA (Color-Doppler Mode)
   1. Una vez que una imagen de modo B es capturado o almacena cine-, haga clic en la tecla Doppler color en el teclado para activar el Doppler color de la ventana acústica (Figura 2).
      NOTA: Este ayuda a aislar la arteria coronaria (flecha blanca indica SCA) o bien en el largo (Figura 2A) o en el eje corto (Figura 2C). Color rojo es como se ve en tiempo real y es indicativo de la dirección del flujo (lejos de la válvula aórtica).
   2. Asegúrese de que la profundidad de enfoque (indicado por una punta de flecha amarilla en la derecha de la pantalla de la imagen), se encuentra en el centro de la arteria coronaria.
   3. Asegúrese de que los datos se graban utilizando la tecla cine-tienda, en la más alta velocidad de cuadro posible (> 100 imágenes / seg).
3. PW Doppler Imaging de SCA (Pulsada-Wave o Modo PW)
   1. Mientras que en el modo Doppler color, haga clic en la tecla de PW para que aparezca una línea amarilla-indicador de la arteria coronaria (Figura 2, se muestra en rojo).
   2. Coloque el amarilloLínea de PW en el medio de la arteria coronaria a la vista, en un ángulo que es paralela a la direccionalidad del flujo. Tenga en cuenta que las mediciones de velocidad son altamente dependientes del ángulo de adquisición de imágenes.
   3. Ajustar el ángulo de flujo (clave ángulo PW) y volumen de la muestra (clave SV) de tal manera que la tecla PW ángulo es de 60 ° o menos y el volumen de muestra fluya captura justo en el centro de la SCA.
   4. Usar el almacén de cine para capturar las formas de onda que indican la velocidad del flujo coronario en la sístole (S) de pico y la diástole (D) (Figuras 3A y 3B), usando 1% y el 2,5% de isoflurano.

3. Cálculo y Análisis de Datos

1. Seleccione el tiempo de la velocidad herramienta integral (VTI) para obtener el pico sistólica y diastólica velocidades de las imágenes mostradas en las Figuras 3A y 3B.
2. Calcular el índice de reserva de flujo coronario (CFR) como la relación de hiperémica (2,5% de isoflurano) pico diastólica fbaja velocidad de la línea de base (1% isoflurano) flujo diastólico pico.
3. Calcular la relación S / D como la velocidad de flujo coronario sistólica / velocidad de flujo máximo pico diastólica coronaria. Determine la relación al inicio (1% de isoflurano) y en hiperemia (2,5% de isoflurano).
4. Para los parámetros estándar de función cardiaca tales como FS, FAC, LVM, consulte los manuales del fabricante para realizar análisis de datos utilizando el software propietario o se refieren a papel JoVe de Cheng ^2.

Resultados

De los 11 ratones que fueron estudiados (anillados, n = 8 y la falsa, n = 3), se obtuvieron imágenes adecuadas y reproducibles por un solo observador en varios puntos de tiempo: al inicio del estudio (D-1), D2, D6 y D13 . Además, la velocidad de flujo en el sitio constrictiva se midió como 2,225 ± 110,9 mm / s, en comparación con 277,5 ± 10,51 mm / s en los ratones sham en el día después de la cirugía (p <0,05). El aumento en la velocidad era la verificación de la creación exitosa del modelo de sobrecarga ...

Discusión

En este estudio basado en la ecografía, la evaluación no invasiva del flujo coronario se realizó de forma reproducible en tiempo real, durante días, en ratones experimentales en vivo; Además, el protocolo demostró el potencial para detectar la disfunción de la arteria coronaria que estaba presente en una etapa temprana y se asoció con deficiencia en la perfusión miocárdica. Este método, en última instancia podría ser aprovechada como herramienta clínica para la estratificación del riesgo cardiovascular y ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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