Awake Miniature Pigs의 심 초음파 녹음

요약

깨어 있는 미니피그에서 연구 심초음파를 수행하기 위해 제작된 간단한 카트 구조와 건물 고려 사항, 훈련 기술 및 대표적인 초음파 이미지가 설명됩니다.

초록

심초음파는 초음파를 사용하여 심장 구조와 기능을 비침습적으로 평가하며 심장 평가 및 모니터링을 위한 표준 치료입니다. 미니어처 돼지 또는 미니피그는 의학 연구에서 심장 질환의 모델로 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 돼지는 안전하게 제지하고 다루기가 어렵 기 때문에 악명이 높기 때문에이 종의 심 초음파 검사는 거의 항상 마취 또는 무거운 진정 작용하에 수행됩니다. 마취제와 진정제는 보편적으로 심혈관 기능에 영향을 미치며 심박출량 및 혈압 저하, 심박수 및 전신 혈관 저항의 증가 또는 감소, 전기 리듬의 변화 및 관상 동맥 혈류 변화를 유발할 수 있습니다. 따라서 진정 또는 마취된 심초음파는 대형 동물 모델에서 심장 질환의 진행을 정확하게 묘사하지 못할 수 있으므로 이러한 중요한 연구의 번역 가치가 제한됩니다. 이 논문은 미니피그에서 깨어 있는 심초음파를 가능하게 하는 새로운 장치에 대해 설명합니다. 또한, 혈역학적 변화 마취제 없이 이 통증이 없고 비침습적인 절차를 견딜 수 있도록 돼지를 가르치는 데 사용되는 훈련 기술이 설명되어 있습니다. 깨어 있는 심초음파는 심혈관 연구를 위해 미니피그에서 가장 일반적인 심장 모니터링 테스트를 수행하는 안전하고 실현 가능한 방법입니다.

서문

심부전은 전 세계적으로 3,800만 명의 환자가 유병하는 등 미국 및 해외 의료 기관에 대한 부담이 증가하고 있습니다¹. 2020년 전 세계적으로 약 1,900만 명이 심혈관 질환으로 사망했으며, 이는 2010년보다 18.7% 증가한 수치입니다². 새로운 치료법 개발은 이러한 놀라운 추세를 따라 잡기가 느립니다. 따라서 심부전은 연구의 중요한 영역이며 질병 발달 및 진행을 포착하기 위한 충실도 높은 도구의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

심초음파는 현재 심장 질환의 진행을 비침습적으로 측정하는 데 임상적으로 가장 중요한 도구이지만, 대규모 동물 연구 모델에서는 구현이 어려울 수 있다³. 심초음파는 초음파를 사용하여 심장 구조와 기능을 평가하며 심장 평가 및 모니터링을 위한 임상 환경에서 치료의 표준입니다⁴. 돼지와 같은 심장 질환의 전임상 대형 동물 모델은 기초 과학을 심혈관 치료제 개발로 전환하는 데 중요한 역할을 한다⁵. 따라서 이러한 치료법을 개발할 때 심초음파를 대형 동물 모델로 번역하는 것이 이 중요한 노력의 중요한 부분입니다.

돼지는 허혈성, 압력 과부하 및 심부전의 빠른 속도 시뮬레이션의 대형 동물 모델로 일반적으로 사용되는 여러 종^{중 하나입니다 5,6}. 돼지는 전임상 연구에서 특히 중요한데, 신경호르몬 보상 기전과 심장 리모델링은 인간의 병태생리학을 밀접하게 반영하기 때문이다 ^6,7. 최근에는 미니어처 돼지 또는 미니피그가 비만, 고혈압, 고콜레스테롤혈증 및 당뇨병을 동반하여 심장 기능 장애 및 리모델링을 확실하게 초래하는 심장 질환의 다중 동반 질환 모델로서의 가능성을 입증했습니다 ^8,9.

대부분의 대형 동물에서 심 초음파를 안전하게 수행하려면 무거운 진정 또는 전신 마취가 필요합니다. 그러나, 모든 마취제 및 진정제는 용량 의존적 방식으로 심장 기능을 저하시킨다^10,11. 마취제와 진정제는 심박출량과 혈압의 저하, 심박수 및 전신 혈관 저항의 증가 또는 감소, 전기 리듬의 변화, 관상동맥 혈류의 변화를 유발할 수 있다¹². 대부분의 경우, 마취제는 교감신경의 긴장도를 감소시켜 정맥 환류를 감소시키며 혈압을 낮춘다¹³. 중요한 것은 마취제가 심초음파 매개변수에도 영향을 미쳐 동물 모델에서 심장 질환을 모니터링할 때 이 검사의 해석을 복잡하게 만든다^{는 것입니다 14}. 깨어있는 심 초음파는 기본 심장 기능을 가장 가깝게 표현한 것입니다.

깨어 있는 미니피그가 쉽게 받아들일 수 있는 돼지 구속 장치가 여기에 설명되어 있으며, 혈역학적 변화 마취제를 투여할 필요 없이 기본적인 심초음파 모니터링에 사용할 수 있습니다.

프로토콜

심초음파 카트의 제작 및 사용은 유타 대학교 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 동물 취급 및 훈련 표준에 따라 수행되었습니다.

1. 심 초음파 카트 구축시 고려 사항

1. 측면 및 복부 스탠딩 심초음파 영상 창에 접근할 수 있는 장치를 구축하십시오.
2. 심초음파 촬영 중에 돼지가 올라가거나 튀어나오는 것을 방지하기 위해 측면, 앞뒤가 높은 카트를 사용하십시오.
3. 다양한 크기와 연령의 돼지를 수용하기 위해 길이와 너비를 조절할 수 있는 카트를 사용하십시오. 그러나 모든 돼지의 크기, 품종 및 연령이 동일한 연구 연구에서는 이것이 필요하지 않을 수 있습니다.
4. 카트를 장착 및 분리하기 위한 미끄럼 방지 램프를 조달하십시오. 돼지는 앞으로 걷는 것을 선호하므로 뒤로 분리하는 것은 바람직하지 않습니다. 이 예에서는 탈착식 램프를 사용하여 카트를 장착한 후 한쪽 끝에서 분리한 다음 분리를 위해 카트의 다른 쪽 끝으로 이동할 수 있습니다.
5. 잠금 바퀴가 달린 바퀴 달린 카트를 사용하면 장치를 창고에서 동물 방으로 옮길 수 있습니다.
6. 동물 사육장 청소 및 소독 표준을 준수하려면 플라스틱, 금속 및 고무 재질을 사용하십시오.
7. 마지막으로, 카트 전면에 분리 가능한 먹이통을 포함하여 심초음파 촬영 중에 돼지가 주의를 산만하게 할 수 있도록 합니다.

2. 카트 제작 사양

참고: 우리 연구에 사용된 돼지는 생후 5-10개월된 유카탄 및 괴팅겐 소형 돼지였기 때문에 이 크기를 염두에 두고 카트를 제작했습니다.

1. 유사한 구조를 처음부터 만들 수 있지만 일부 건축 작업을 줄이려면 미리 만들어진 대형 유틸리티 카트에서 시작하십시오(그림 1). 잠금 바퀴를 사용하는 것이 좋습니다.
2. 다용도 카트의 앞면과 뒷면을 잘라내어 제거하고 PVC 파이프와 체인 링크로 구성된 게이트로 교체합니다. 후크나 카라비너를 사용하여 음식통을 걸 때는 체인 링크 재료를 사용하십시오(그림 2). 앞면과 뒷면을 제거하면 플라스틱의 무결성과 유지 강도가 감소하므로 더 크고 무거운 돼지의 경우 카트 선반 밑면에 금속 막대로 보강하십시오.
3. 카트의 최상층에 초음파 프로브를 들고 있는 손이 지나갈 수 있을 만큼 충분히 큰 구멍을 만듭니다. 돼지가 카트에 안전하게 서 있으면 심하심초음파 접근을 위해 제거할 수 있는 조리개 상단에 장착된 플라스틱 덮개 조각을 유지합니다(그림 3).
4. 맞춤형 맞춤으로 알루미늄 스톡(예: 사각 튜브, 바 및 판금)을 사용하여 특정 부착 지점에서 수정된 카트에 부착할 보강재가 있는 금속 마운트/마운트 램프를 구축합니다. 볼트와 그로밋을 사용하여 그립을 위한 탈착식 고무 패딩을 추가합니다(그림 4).
5. 측면 게이트를 위한 힌지 메커니즘을 만들고, 간단한 핀을 사용하여 고정력을 향상시켜 돼지가 서 있는 영역을 좁힙니다(그림 5). 이것은 카트 안의 돼지에게 꼭 맞는 핏을 제공하고 돼지가 돌아설 수 없는 전방 방향으로 고정되도록 합니다.

3. 미니피그가 카트에 서도록 훈련시키기

1. 돼지는 오랜 시간 동안 여물통에서 먹고, 경사로를 걷고, 경사로를 걸어 내려가도록 훈련받아야 합니다.
2. 물마루에 냉동 간식을 채우면 돼지가 서있는 시간이 길어집니다. 주스, 식사 대용 음료 또는 시리얼 및 표준 차우, 비스킷 및/또는 과일 바와 함께 요구르트와 같은 조합을 사용하십시오. 이러한 조합을 함께 동결하여 오래 지속되는 냉동 처리 홈통을 만듭니다(그림 6). 고려해야 할 또 다른 옵션은 동물의 정상적인 식사를 보류하고 대신 심 초음파 검사 기간 동안 카트의 물마루에 먹이는 것입니다.
3. 돼지에게 장치에 있는 냉동 간식을 먹도록 가르치기 전에 냉동 간식 통을 땅에 도입하여 여물통이 고가의 간식을 제공한다는 인식을 장려합니다.
4. 하루에 한 번의 훈련 세션으로 5-7일 동안 서 있는 심초음파를 받아들이도록 돼지를 훈련시킵니다. 이렇게 하려면 다음 단계를 수행합니다.
   1. 1-2일 동안 고가의 간식(비스킷 또는 시리얼)으로 카트를 둘러싸서 돼지를 카트에 소개합니다.
   2. 경사로를 따라 고가의 간식을 놓고 돼지가 경사로를 올라갈 때 추가 보상을 제공하여 1-2일 동안 경사로에 돼지를 소개하십시오.
   3. 돼지가 측면 고정 장치나 게이트(두려움을 유발할 수 있음)를 걸지 않고 카트에 서게 하고 정문에 냉동 간식 통을 2-3일 동안 제공합니다. 지난 1-2 일 동안 돼지가 골짜기에서 먹는 동안 돼지에게 초음파 젤이 든 초음파 프로브를 놓아 프로브와의 접촉 감각에 익숙해 지도록합니다.
   4. 이 훈련 요법 후에, 돼지는 구속 장치와 게이트를 쉽게 닫고 심 초음파 영상을 얻기 위해 초음파를 수행 할 수 있습니다.

4. 이미지 획득

1. 심초음파 카트에서 이미지를 가져오면 아래에 설명된 대로 다음 위치에서 프로브를 배치할 수 있습니다.
   1. 카트 측면을 통해 오른쪽과 왼쪽 겨드랑이로 이미지를 찍습니다. 이 위치는 오른쪽 및 왼쪽 흉골주위 이미징 평면을 얻는 데 사용됩니다.
   2. 카트 바닥을 통해 subxiphoid 영역으로 이미지를 찍어 정점 뷰를 얻습니다.
2. 이러한 서 있는 자세에서 B 모드 및 M 모드 이미징을 위한 이미지를 촬영합니다.
3. 모의 깨우기 에코 녹음 절차는 비디오 1을 참조하십시오. 영상에서 동물 피사체는 실제 크기의 미니피그 인형으로 표현되며, 카트 안의 이동 공간이 제한된 실제 미니피그처럼 제약이 있습니다. 기록 심 초음파 프로브의 최상의 액세스 창과 위치도 표시됩니다.

결과

생후 약 8개월에 유카탄 미니피그에서 획득한 대표 이미지가 여기에 표시됩니다. 동물은 진정제를 투여받지 않았으며 이미지 획득 중에 사료 또는 냉동 간식 골짜기를 즐기고 있었습니다.

심초음파 카트는 주로 B 모드 또는 M 모드 이미지 및 비디오에서 좌심실 부피 및 박출률(EF)을 계산하기 위한 간단한 이미지를 얻는 데 유용합니다. 혈관 영상 또는 조직 도플러와 같은 보다 민감한 영상은 깨어 있는 돼지가 제한된 이동성을 유지하고 영상 프레임이 수유 기간에 의해 제한되기 때문에 이 기술로는 너무 어려울 수 있습니다.

실험실은 사후 이미지 분석 기능이 없는 병상 초음파 기계를 사용합니다. 따라서 비디오 및 정지 이미지는 편집 소프트웨어를 사용하여 처리하고 과학적 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 측정해야 합니다.

단축 횡방향 M 모드 이미지(그림 7)는 수축기 및 확장기(각각 LVID 및 LVIDd)의 좌심실 내경 분석 및 박출률(EF)의 후속 계산에 사용된 카트의 측면을 통해 얻어졌으며, 여기서 EF = (EDV - ESV)/EDV × 100%(EDV: 이완기 말 용적; ESV: 수축기 말 용적) Teichholz 공식(부피 = 7D³/[2.4 + D])(D: 선형 LV 직경)¹⁵로 계산된 부피를 기반으로 합니다. 2마리의 미니피그에서 얻은 4개의 M-모드 스캔에서 생성된 대표 데이터와 진정된 에코 세션 동안 동일한 동물에서 기록된 M-모드 스캔에서 생성된 데이터가 표 1에 포함되어 있습니다. 예상대로 진정 에코 세션에서 생성된 EF는 의식 에코 세션에서 생성된 EF보다 낮은 경향이 있었습니다.

흉골 주위 장축 뷰 B 모드 이미지도 카트의 측면에서 얻었습니다(그림 8). EF를 계산하기 위한 면적-길이 방법은 이들 B-모드 이미지들(¹⁶)과 함께 이용되었다. 먼저, 좌심실 EDV는 EDV = (0.85 × 면적²)/길이 공식을 사용하여 확장기말 좌심실 장축 길이 및 챔버 면적에서 계산되었습니다. 좌심실 ESV는 수축기 측정을 사용하여 동일한 방식으로 계산되었습니다. 그런 다음 박출률을 EF = (EDV - ESV)/EDV × 100%로 계산했습니다. 2개의 미니피그로부터 얻어진 8개의 B-모드 스캔으로부터 생성된 대표 데이터가 표 2에 포함되어 있다. 비교를 위해, 진정 에코 세션 동안 동일한 동물로부터 기록된 B-모드 스캔으로부터 생성된 데이터도 포함된다. B 모드 이미지를 사용하여 진정 및 의식 에코 세션에서 생성된 EF는 서로 밀접하게 일치했습니다(표 2).

그림 1: 심초음파 카트의 측면도. 심 초음파 카트는 미리 만들어진 견고한 유틸리티 카트를 사용하여 제작됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 머리 view 심초음파 카트의 모습. 미리 만들어진 카트의 앞면과 뒷면은 PVC 파이프와 체인 링크(A)로 만들어진 힌지 게이트로 교체되며, 여기에는 매달린 음식 통(B)도 수용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 심초음파 카트의 상단 모습. 초음파 프로브를 들고 있는 손을 통과시키기 위해 카트의 최상층에 조리개가 생성됩니다. 안전한 카트 장착 및 분리를 위해 플라스틱 오버피스가 장착되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 알루미늄 램프. 카트의 전면 또는 후면에 알루미늄 램프가 부착되어 있으며 탈착식 고무 패딩이 추가되어 볼트와 그로밋을 사용하여 그립을 잡을 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 측면 게이트 측면 게이트용 힌지가 생성되었으며 핀이 있어 보다 정확한 크기와 구속을 허용합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 의식적인 에코 세션을 처리합니다. 주스, 식사 대용 음료 또는 요구르트를 시리얼 및 표준 차우, 비스킷 및/또는 과일 바와 결합하여 냉동하여 오래 지속되는 냉동 간식 통을 만듭니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7: 의식이 있는 동물로부터 얻은 대표적인 M-모드 스캔. M-모드 영상에서 좌심실 박출률을 계산하기 위한 샘플 이미지 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8: 의식이 있는 동물로부터 얻은 대표적인 B-모드 스캔. B 모드 이미징에서 좌심실 박출률을 계산하기 위한 샘플 이미지 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

SD 평균 ±	LVIDd (cm)	LVIDs(cm)	EF (%)
의식 에코(N=4/2)	3.8 ± 0.5	2.5 ± 0.5	64.3 ± 5.4
진정 에코(N=4/2)	3.9 ± 0.2	3.0 ± 0.0	48.5 ± 7.9
EF, 박출률; SD, 표준 편차.
N = 두 마리의 동물로부터 얻은 4개의 에코 스캔

표 1: 진정된 미니피그와 카트에 구속된 의식이 있는 미니피그에 기록된 M-모드 이미지에서 생성된 매개변수 비교.

	LV-MALd(cm)	LV-말(cm)	LV-CAd(cm2)	LV-CA(cm2)	EF (%)
의식 에코(N=8/2)	5.8 ± 0.8	4.5 ± 0.6	18.6 ± 5.0	10.7 ± 2.8	57.3 ± 5.2
진정 에코(N=8/2)	5.9 ± 0.5	4.8 ± 0.4	21.8 ± 2.7	13.1 ± 2.4	55.3 ± 9.0
LV-MAL, 좌심실 장축 길이; LV-CA, 좌심실 면적;
EF, 박출률; SD, 표준 편차. 2마리의 동물로부터 얻은 N=8 에코 스캔

표 2: 진정된 미니피그와 카트에 구속된 의식이 있는 미니피그에 기록된 B 모드 이미지에서 생성된 매개변수의 비교.

비디오 1: 심초음파 카트를 사용하여 실제 크기의 미니돼지 인형에서 수행된 모의 각성 심초음파 기록 절차. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

토론

심초음파 카트는 중요한 심장 연구 모델인 미니피그에서 심장 구조와 기능을 모니터링하기 위한 쉽게 복제할 수 있는 방법을 나타냅니다. 카트의 참신함은 동물의 심장 기능을 변화시키고 심장 치료의 효과를 평가하는 데 사용되는 측정 값을 변경하는 마취제 또는 진정제를 사용해야 할 필요성과 같은 가장 큰 경고 없이 심초음파 이미지를 캡처할 수 있는 능력에 있습니다. 또한 카트는 안전하고 저렴하며 돼지를 위한 쉬운 훈련 대상입니다.

저자는 먼저 카트의 원하는 기능을 식별한 다음 목수와 긴밀히 협력하여 제품을 설계했습니다. 표준 긍정적 강화 훈련 기술은 돼지가 두려움 없이 수레를 받아들이고 활용하는 방법을 가르치는 데 쉽고 신속했습니다. 초음파 검사를 통해 저자는 나중에 처리할 수 있도록 표준 2차원 심초음파 영상 평면을 신속하게 찾고 기록할 수 있었습니다. 이러한 스탠딩 심초음파 동안 진정제나 마취제가 투여되지 않았기 때문에 비디오와 이미지는 깨어 있는 심장 기능을 나타냅니다.

심 초음파 카트의 제작은 연구 그룹에 중요한 주요 기능 (예 : 크기 조정 가능성, 높이 또는 초음파 프로브 액세스 포인트)을 식별 한 후 숙련 된 목수 또는 핸디맨에게 비교적 간단합니다. 제작 과정에서 카트의 기능을 개별 실험실의 요구에 맞게 변경할 수 있습니다. 재료는 대체로 저렴하며 카트를 제작하면 일반적으로 사용되는 진정제와 마취제로 심초음파를 수행하는 비용을 절약할 수 있습니다.

이 기술의 한계에는 모션과 이미지를 얻기 위한 제한된 시간이 포함되었습니다. 돼지를 제지하기 위해 수레를 다양한 크기로 조정할 수 있고 동물이 돌아설 수 없고 각 방향으로 몇 인치만 움직일 수 있지만 동물은 여전히 수레의 경계 내에서 움직일 수 있었습니다. 농장 동물과 함께 사용되는 것과 같은 헤드게이트, 스퀴즈 슈트 또는 지지대는 추가 훈련을 통해 잠재적으로 더 나은 구속을 제공할 수 있습니다. 유사하게, 성공적인 이미징은 심초음파 검사 중에 사료나 냉동 간식으로 인해 주의가 산만해지는 동물에 의존했습니다. 일반적으로 약 15분의 이미징이 가능했지만 원하는 모든 이미지를 얻기에 항상 충분하지는 않았습니다. 동물이 구속 된 상태에서 먹이통을 쉽게 교체하거나 사료를 추가 할 수있는 능력은 이미징 지속 시간이 길어질 수 있습니다. 마지막으로, 위의 두 가지 한계로 인해 조직 도플러와 같은 보다 민감한 이미징 기술은 스탠딩 심초음파 카트에서 수행하기 어려운 것으로 판명되었습니다.

다른 돼지 실험 모델은 종종 상업적으로 이용 가능한 Panepinto sling¹⁷과 같은 비마취 취급 기술을 사용합니다. 그러나 저자들은 슬링 기술이 돼지 훈련에 더 번거롭다는 것을 발견했으며 슬링은 초음파 검사자에게 심초음파에 필요한 이미징 평면에 대한 액세스를 제공하지 않았습니다. 심초음파 카트의 다른 잠재적인 응용 분야에는 복부 초음파 촬영, 피부 병변 관찰 또는 혈관 접근 포트에서 혈액 샘플 채취와 같은 기타 고통스럽지 않은 절차가 포함될 수 있습니다. 저자는 종종 카트를 사용하여 돼지가 심전도를 수행하고 심박 조율기를 프로그래밍하도록 쉽게 제지합니다.

결론적으로, 설명된 깨어 있는 심초음파 기술은 수행하기 쉽고 마취 또는 진정제 사용의 전형적인 심혈관 우울증 없이 심장의 기본적인 초음파 영상을 얻는 데 유용합니다. 이 기술은 마취된 이미지를 큰 동물의 깨어 있는 이미지와 비교하거나 심장 질환 및 실패의 귀중한 돼지 전임상 번역 모델에서 심장 질환 진행을 매일 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Access Ramp	N/A - shop built	58" L x 18" W. Rise of 19" not to exceed 22.5 degree angle.	Any removable aluminum ramp with capacity to hold weight of pigs
Fence Feeder with Clips	DuraFlex	E011772	Feed trough with clips for hanging on chain link, used for frozen treats or feed to distract pigs during echocardiography
Heavy Duty Utility Cart	Baxter Medical Equipment & Supplies	Cart # unk / 45x25x33"; Pipes, sch 40 PVC	Made of heavy plastic, with three shelves
Image Analysis Software	Image J FIJI	https://imagej.net/software/fiji/	Free scientific image analysis software
Lumify Ultrasound with S4-1 Phased Array Transducer	Philips	FUS6884	Handheld bedside ultrasound with cardiac probe, used with a tablet device and proprietary software
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