糖尿病動物模型心功能評價方法

孟哲穎，申鍔

(上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科/上海超聲醫(yī)學(xué)研究所，上海 200233)

糖尿病心血管并發(fā)癥(cardiovascular complications of diabetes，CCD)［1］主要侵犯全身的大中血管、微血管及心肌等，造成心血管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損害。其中糖尿病患者心力衰竭的主要原因是獨(dú)立于冠狀動脈病變、高血壓之外的心肌病變—糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DC)［2］。本文復(fù)習(xí)國內(nèi)外文獻(xiàn)，從糖尿病動物模型的心功能評價的視角進(jìn)行綜述，期望為糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制研究和臨床早期診斷及尋找新治療靶點(diǎn)提供依據(jù)。

1 常見糖尿病動物模型

糖尿病動物模型主要可分為誘發(fā)性模型(化學(xué)藥物誘導(dǎo)法、飲食誘導(dǎo)法、手術(shù)切除胰腺法)、自發(fā)性糖尿病模型、轉(zhuǎn)基因及基因敲除模型［3］。

嚙齒類動物與人類基因同源性高，是近年來糖尿病模型首選的動物種類。由于嚙齒類動物對動脈粥樣硬化的先天免疫性，可有效排除冠狀動脈疾病的干擾，直接觀察血糖、肥胖、胰島素等對心臟的作用［4］［5］。盡管有糖尿病兔模型、糖尿病豬模型甚至糖尿病獼猴、獼猴、食蟹猴和樹鼩模型，但糖尿病小鼠、大鼠模型仍是目前臨床及基礎(chǔ)研究首選的動物模型。小鼠相對于大鼠的優(yōu)勢在于更易制作基因缺陷模型或轉(zhuǎn)基因模型，而大鼠體型較大的優(yōu)勢更易進(jìn)行心功能評價。近來影像學(xué)等技術(shù)的日臻成熟，可有效評估小鼠甚至胎鼠的心功能［6］。Leibel 等［7］首次描述肥胖且具有胰島素抵抗的db/db 鼠2 型糖尿病模型。Tomlinson 等［8］首次報到了STZ 誘導(dǎo)的糖尿病大鼠的心血管并發(fā)癥。

2 糖尿病動物模型心臟功能的評估方法

糖尿病心臟病變可導(dǎo)致心臟收縮功能及舒張功能甚至心肌血流灌注受損，因此準(zhǔn)確評價心臟功能至關(guān)重要，可從在體和離體兩方面進(jìn)行評價。超聲心動圖、核磁共振等無創(chuàng)檢查及心導(dǎo)管等侵入性檢查都可對動物進(jìn)行在體心功能評估。對離體動物心臟功能評價，主要有Langendorff 模型及工作心臟(working heart)模型2 種方式。

2.1 在體心功能評價

2.1.1 超聲心動圖及其新技術(shù)

常規(guī)經(jīng)胸超聲心動圖結(jié)合多普勒成像可無創(chuàng)觀察糖尿病動物模型心臟形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能［9］。

左心整體收縮功能通過從胸骨旁左心長軸及乳頭肌水平短軸切面探查，利用M 型超聲測量心室收縮期內(nèi)徑，舒張期內(nèi)徑，可得到左室射血分?jǐn)?shù)EF 及左室短軸收縮率FS 進(jìn)行評估［10］。但左室EF 值具有負(fù)荷依賴性，在靜息狀態(tài)下作為評價心肌收縮力的指標(biāo)不夠敏感;高血糖所致彌漫性心肌損害時，左室壁各節(jié)段的收縮功能受損程度并非呈完全同步發(fā)展。

速度向量成像技術(shù)(velocity vector imaging，VVI)在評價局部心肌收縮功能和檢測室壁運(yùn)動異常方面無角度依賴性，應(yīng)變和應(yīng)變率測量相對不受呼吸影響，較常規(guī)超聲心動圖敏感性更高。蔣濤［11］等利用糖尿病兔模型測量左室心肌各節(jié)段長軸和短軸方向上的VVI 參數(shù):收縮期峰值運(yùn)動速度(systolic velocity，Vs)、舒張期峰值運(yùn)動速度(diastolic velocity，Vd)、收縮期峰值應(yīng)變(systolic strain，Ss)、收縮期峰值應(yīng)變率(systolic strain rate，SRs)、舒張期峰值應(yīng)變率(diastolic strain rate，SRd)，發(fā)現(xiàn)DM 兔模型早期僅左室壁心肌切向應(yīng)變及應(yīng)變率出現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)意義的異常改變，認(rèn)為左心室短軸切面的VVI 參數(shù)Ss、SRs、SRd 代表心肌沿圓周方向的形變，可消除整個心臟移位的影響，在評價心肌功能早期損傷時較長軸方向參數(shù)的敏感性更高。

Tei 指數(shù)是綜合評價心臟整體功能的一個指標(biāo)。Tei 指數(shù)測量二尖瓣開放至關(guān)閉時間間隔(a)、主動脈瓣開放至關(guān)閉時間間隔(b)，用公式Tei = (a －b)/b 來計算Tei 指數(shù)，其不受超聲條件、心臟幾何形態(tài)及心室壓的影響。研究提示Tei 指數(shù)可早于左房室內(nèi)徑值、舒張早期、晚期二尖瓣口血流峰值流速比值、射血分?jǐn)?shù)及左室短軸收縮率值的變化敏感發(fā)現(xiàn)糖尿病兔模型早期已出現(xiàn)心功能損害［12］。

左心舒張功能評價有多種方法，目前尚未統(tǒng)一。然而糖尿病小鼠模型心率快，心臟體積小，二尖瓣口血流頻譜的獲取難度較大，因此小鼠的舒張功能評價對超聲心動圖儀器及探頭要求較高［13］。許迪等［14］曾利用GE Vivid7 型彩色超聲診斷儀(線陣探頭頻率為14．0 MHz)評價正常6 ～8 周齡BALB/c小鼠的舒張功能，二尖瓣多普勒血流頻譜舒張早期血流速度E 峰、舒張晚期血流速度A 峰及E/A 比值，肺靜脈血流頻譜，彩色M 型超聲舒張早期左心室二尖瓣瓣口血流傳播速Vp，組織多普勒DTI 測量二尖瓣前葉瓣環(huán)舒張早期運(yùn)動速度Ea、舒張晚期運(yùn)動速度Aa、收縮期運(yùn)動速度Sa、認(rèn)為二尖瓣口血流傳播速度Vp 較E/A 比值受心率影響較小。

近來出現(xiàn)的小動物用高分辨超聲儀(高頻，≥20 兆赫)、高分辨力，可達(dá)30 μm)更適合實(shí)驗(yàn)小鼠心臟小、心率快的特點(diǎn)，大大提高了圖像質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效率，但一般要求動物在麻醉的安靜狀態(tài)下進(jìn)行檢查［15］。趙靜等［16］對比小動物用高分辨超聲儀(Vevo770)和臨床用Sequoia 512 的高頻15L8 探頭，發(fā)現(xiàn)Vevo770 的高分辨率能獲得優(yōu)質(zhì)二尖瓣前向血流頻譜;異氟烷吸入麻醉小鼠的心率和左室短軸縮短率顯著降低(P ＜0.001)、左室內(nèi)徑顯著增加，提示在實(shí)驗(yàn)過程中需要考慮麻醉因素對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。Vinhas 等［10］利用小動物用高分辨超聲儀(Vevo2100)評價3 周齡及8 周齡時129/Sv mice 小鼠左室收縮功能，同時可獲得各瓣口前向血流的優(yōu)質(zhì)頻譜，不同鼠齡小鼠左室EF、FS 值及二尖瓣、三尖瓣前向血流頻譜參數(shù)無明顯差異，但左室內(nèi)徑、主動脈瓣、肺動脈瓣血流頻譜相關(guān)參數(shù)出現(xiàn)明顯變化。

國內(nèi)福州大學(xué)研制的LEJ-2 型全方向M 型超聲心動圖系統(tǒng)通過對M 型曲線進(jìn)行微積分等方法處理，實(shí)現(xiàn)對左室局部心肌瞬時運(yùn)動速度的提取。結(jié)合心電圖計算每個心動周期從0RS 波起點(diǎn)達(dá)最大收縮速度和舒張速度的時間，間接反映出局部心肌運(yùn)動的順應(yīng)性，可準(zhǔn)確敏感反映糖尿病性心肌病各個階段的心肌運(yùn)動異常。利用LEJ-2 型全方向M型超聲心動圖檢測1 型糖尿病兔模型收縮速度達(dá)峰時間TS、舒張速度達(dá)峰時間TD，和常規(guī)超聲心動圖測量值比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TS 較EF、FS 更早期更敏感檢出左室收縮功能障礙，TD 較Vp、E 峰、A 峰、E/A比值更早發(fā)現(xiàn)糖尿病左室舒張功能改變，同時TD的異常改變早于TS［17］。

心肌聲學(xué)造影(myocardial contrast echocardiography，MCE)是近年來評價心肌微循環(huán)功能狀態(tài)的新方法，可有效評價心肌血流量(MBF)。對嚙齒類動物模型進(jìn)行MCE 檢查需要高頻探頭、在基波頻率進(jìn)行成像以獲得足夠的空間分辨率。Cosyns 等［18］首次利用MCE 技術(shù)評價糖尿病大鼠在基礎(chǔ)狀態(tài)及雙嘧達(dá)莫負(fù)荷下心肌灌注情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)糖尿病組大鼠在兩種狀態(tài)下造影劑灌注速率(β)均高于對照組，同時發(fā)現(xiàn)對照組大鼠心肌相對血流量(relative blood volume，rBV)變化更明顯，糖尿病組大鼠心肌血流儲備(myocardial flow reserve，MFR)低于對照組，證實(shí)糖尿病大鼠早期心肌微循環(huán)功能障礙。國內(nèi)學(xué)者［19］結(jié)合MCE 及VVI 技術(shù)研究DM 大鼠左室心肌微循環(huán)障礙與心肌收縮功能損傷的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)下，心肌血流量的降低并不是圓周應(yīng)變率降低的主要決定因素，而雙嘧達(dá)莫負(fù)荷后，心肌血流儲備的降低可能是心肌圓周應(yīng)變率儲備降低的主要決定因素。

心肌背向散射積分(integrated backscatter，IBS)技術(shù)［20］可以早期、無創(chuàng)評價糖尿病大鼠心肌組織學(xué)密度特征，常用指標(biāo)包括背向散射積分標(biāo)化值(IB%)=心肌層的IBS 值/心腔IBS 值、IBS 周期變異幅度(cyclic variation of IBS，CVIB)。糖尿病大鼠IB%明顯高于同期健康大鼠，可以反映糖尿病心肌組織纖維化程度，其可能比DTI 更早發(fā)現(xiàn)糖尿病心肌病變;而CVIB 可以反映糖尿病中晚期心肌收縮功能的變化［21］。

2.1.2 磁共振

磁共振可以不依賴心室形態(tài)的幾何學(xué)假設(shè)提供心臟結(jié)構(gòu)的三維圖像和功能，且動物不需要麻醉，優(yōu)于超聲心動圖評估心室形態(tài)、局部及整體收縮功能。近來Stuckey 等［22］通過高幀頻(每心動周期大于60 幀)心臟磁共振動態(tài)電影顯像敏感發(fā)現(xiàn)db/db-2 型糖尿病大鼠早期E 峰減低，A 峰增加，峰值射血率(peak ejection rate，PER)降低。Coolen 等［23］引入回顧觸發(fā)模式，可通過后處理達(dá)到幀頻和空間分辨率同時滿意的要求，如25 min 內(nèi)可完成每心動周期80 幀的高空間分辨率的小鼠心功能檢查，得到半自動左室容積-時間曲線，可敏感發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠早期左心舒張早期充盈速度E 減低所致的E/A 比值增加，峰值射血率降低的心臟舒張功能輕微受損。

2.1.3 心導(dǎo)管檢查

雖然心導(dǎo)管檢查屬于有創(chuàng)檢查，但是能夠準(zhǔn)確測量左室壓變化、平均收縮壓及舒張末壓，壓力時間變化± dp/dt 可以代表心臟收縮及舒張功能變化［24］。Kajstura 等［25］首次用心導(dǎo)管評估糖尿病小鼠左室舒張末壓力升高、左心室收縮壓力減低，±dp/dt減低。糖尿病大鼠心肌病模型［26］左心室舒張末壓(LVEDP)顯著升高(P ＜0.05)，左心室收縮壓(LVSP)、左心室最大收縮速率(+dp/dtmax)和最大舒張速率(-dp/dtmax)值明顯降低。

2.2 離體心功能評價

離體檢測心臟功能模式主要分為兩種:主動脈逆行灌注(Langendorff)模型和工作心臟模型(working heart)。

2.2.1 Langendorff 灌流-心臟模型

德國生理學(xué)家Oskar Langendorff 于1895［27］首次介紹將離體動物心臟在恒溫恒壓條件下，將心臟套管插入主動脈、逆行灌流含氧的Krebs-Henseleit灌注液，由冠狀動脈灌注心肌，可記錄心肌收縮力及左室內(nèi)壓(LVP)、左室舒張末期壓力(LVEDP)、左室內(nèi)壓變化速率(dp/dt)及心率(HR)等指標(biāo)。Mourmoura 等［28］通過Langendorff-灌流大鼠心臟模型發(fā)現(xiàn)糖尿病早期心臟功能及冠狀動脈血流灌注減低。

2.2.2 工作心臟模型

1967年，James Neely［29］等建立了離體工作心臟模型，不同于Langendorff 模型，工作心臟模型是一種雙灌流裝置，它不僅有主動脈灌流系統(tǒng)，而且還有左房灌流系統(tǒng)，前負(fù)荷和后負(fù)荷都可控制，測定心排量、得到與在體模型一致的心功能曲線。但是此模型要保證足夠的氧供應(yīng)，制作要求高，穩(wěn)定性欠佳。

Belke 等［30］首次用工作心臟模型證實(shí)db/db2 型糖尿病小鼠的左室舒張末期壓力升高、心輸出量減低。近來，Huisamen 等［31］利用獨(dú)立灌注心臟模型評估糖尿病亞臨床階段大鼠心臟收縮功能，發(fā)現(xiàn)在糖尿亞臨床階段即可檢測心臟收縮功能的變化。

3 總結(jié)

隨著超聲心動圖新技術(shù)及核磁共振新技術(shù)的應(yīng)用，糖尿病動物模型的心功能評價近年來也取得極大進(jìn)展，多種無創(chuàng)檢查方法可提供糖尿病動物模型甚至糖尿病前期和、或IGT 階段，IFG 階段動物的心室收縮和舒張功能特別是早期心臟功能變化的豐富信息，對于糖尿病心血管并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制研究、臨床早期診斷和治療提供了重要途徑。

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