超高分辨率小動(dòng)物超聲影像系統(tǒng)在大鼠腹主動(dòng)脈移植模型中的應(yīng)用

徐澤勤,李立強(qiáng),谷涌泉,李建新,馮增國(guó),佟 鑄,許 晴,高喜翔,齊一俠,郭建明,張 建*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院血管外科 首都醫(yī)科大學(xué)血管外科研究所，北京 100053；2.北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100081；3.首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)中心，北京 100069)

當(dāng)前心血管疾病是造成死亡的首要原因[1]。對(duì)終末期心血管疾病患者常需進(jìn)行血管重建，以自體血管移植效果較好，然而目前臨床血管重建所需自體血管存在供源有限和尺寸不匹配等缺陷[2]，人工降解血管材料因此受到廣泛關(guān)注，但此類材料存在力學(xué)性能及生物相容性差等缺點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-4]致力于構(gòu)建組織工程血管的材料學(xué)研究,尋找可代替自體血管用于臨床的血管移植物。

血管移植相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，常需對(duì)移植物進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)檢查，超聲技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的成像方法。但臨床超聲檢查的成像頻率常為12～15 MHz，圖像空間分辨力為300 μm，不足以精確測(cè)量小動(dòng)物移植血管血流動(dòng)力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)。過(guò)去十余年中，高頻率成像系統(tǒng)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，超聲檢查對(duì)小動(dòng)物模型結(jié)構(gòu)成像的空間分辨力進(jìn)一步提高，并已用于心血管研究領(lǐng)域[5]。本課題組[6]既往研究發(fā)現(xiàn)，肝素表面改性后的聚ε-己內(nèi)酯[Poly(ε-caprolactone), PCL]材料具有良好的生物相容性。本研究應(yīng)用超高分辨率小動(dòng)物超聲影像系統(tǒng)檢測(cè)PCL-肝素人工血管在大鼠體內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)變化，探討其在大鼠腹主動(dòng)脈移植模型中的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 大鼠腹主動(dòng)脈移植模型建立 選取雄性Wistar大鼠10只(購(gòu)于北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司，北京市實(shí)驗(yàn)動(dòng)物質(zhì)量合格許可證編號(hào)為SCXK:2016-0006)，8～9周齡，體質(zhì)量300～320 g，中位體質(zhì)量310.8 g。將大鼠放入麻醉誘導(dǎo)箱，調(diào)節(jié)氧氣至1 L/min，調(diào)節(jié)恩氟烷至2.5%。全身麻醉大鼠后，將其以俯臥位保定于大鼠專用操作臺(tái)，口鼻部置于麻醉面罩內(nèi)，調(diào)節(jié)恩氟烷的維持量為2%～3%。備皮、消毒后，沿腹部正中依次切開皮膚、肌肉直至暴露腹腔。分離腹主動(dòng)脈前脂肪組織，分離腎下腹主動(dòng)脈。阻斷腹主動(dòng)脈后切開血管，采用直徑2 mm、長(zhǎng)10 mm的PCL-肝素人工血管(由北京理工大學(xué)提供)端端吻合于腹主動(dòng)脈(圖1A),充分止血后逐層關(guān)閉腹腔。

1.2 血流動(dòng)力學(xué)檢查 采用VisualSonics Vevo 2100超高分辨率小動(dòng)物超聲影像系統(tǒng)，MS 550D探頭(中心頻率40 MHz)，焦距7 mm，軸向分辨力和橫向分辨力分別為40 μm和90 μm；分別于建模后1、2、3個(gè)月行血流動(dòng)力學(xué)檢查，觀察腹主動(dòng)脈移植物通暢情況。檢查前對(duì)大鼠以恩氟烷進(jìn)行麻醉，方法同前。分別檢測(cè)大鼠腹主動(dòng)脈近心端吻合口處正常血管、PCL-肝素人工血管及遠(yuǎn)心端吻合口處正常血管的血流動(dòng)力學(xué)變化，檢測(cè)指標(biāo)包括血管內(nèi)徑、管壁厚度及血流速度。

1.3 離體標(biāo)本觀察 完成末次血流動(dòng)力學(xué)檢查后麻醉大鼠，方法同前。局部消毒后切開皮膚、肌肉直至暴露腹腔。游離PCL-肝素人工血管周圍組織，主要是下腔靜脈、血管周圍纖維結(jié)締組織。以動(dòng)脈夾分別夾閉PCL-肝素人工血管近心端及遠(yuǎn)心端，剪斷動(dòng)脈夾間血管，取出PCL-肝素人工血管，以生理鹽水充分沖洗管腔后，沿血管縱行切開，觀察離體血管形態(tài)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料以±s表示，各部位不同時(shí)間點(diǎn)間血管內(nèi)徑、管壁厚度、血流速度比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用Bonferroni法；瘤樣擴(kuò)張與未擴(kuò)張的PCL-肝素人工血管間血管內(nèi)徑、管壁厚度、血流速度比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 血管形態(tài)改變 建模后1個(gè)月，血流動(dòng)力學(xué)檢查未發(fā)現(xiàn)PCL-肝素人工血管呈動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張改變(圖2A)；2個(gè)月3只大鼠體內(nèi)移植物出現(xiàn)動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張(圖2B)；3個(gè)月5只大鼠體內(nèi)移植物出現(xiàn)動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張(圖2C)。

末次血流動(dòng)力學(xué)檢測(cè)完成后取材，離體標(biāo)本觀察證實(shí)超聲所見5只大鼠體內(nèi)PCL-肝素人工血管出現(xiàn)動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張(圖1C)，血管內(nèi)壁蒼白，內(nèi)膜下可見脂質(zhì)沉積(圖1E)；其余5只大鼠體內(nèi)PCL-肝素人工血管形態(tài)均規(guī)則(圖1B)，血管內(nèi)壁光滑(圖1D)。

2.2 血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化

2.2.1 管壁厚度和血管內(nèi)徑 建模后1、2、3個(gè)月，近心端吻合口處正常血管、遠(yuǎn)心端吻合口處正常血管管壁厚度差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，而PCL-肝素人工血管管壁厚度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；兩兩比較，移植模型建立后1個(gè)月與2個(gè)月(P=0.01)、1個(gè)月與3個(gè)月(P<0.01)管壁厚度差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而2個(gè)月與3個(gè)月(P=0.06)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見表1。

建模后1、2、3個(gè)月近心端吻合口處正常血管、遠(yuǎn)心端吻合口處正常血管及PCL-肝素人工血管內(nèi)徑差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見表1。

建模后2個(gè)月與3個(gè)月瘤樣擴(kuò)張與未擴(kuò)張的PCL-肝素人工血管管壁厚度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.44、0.07，P=0.20、0.95)；建模后2個(gè)月瘤樣擴(kuò)張與未擴(kuò)張的PCL-肝素人工血管內(nèi)徑差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.35，P=0.06)，而建模后3個(gè)月瘤樣擴(kuò)張的PCL-肝素人工血管內(nèi)徑明顯大于未擴(kuò)張者(t=2.94，P=0.03)。見表2。

2.2.2 血流速度 動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張PCL-肝素人工血管腔內(nèi)血流速度明顯下降，聲像圖表現(xiàn)為顏色不一的紊亂血流信號(hào)(圖2B)，未擴(kuò)張PCL-肝素人工血管腔內(nèi)血流呈正常波峰形態(tài)(圖2A)。建模后1、2、3個(gè)月，近心端吻合口處正常血管、遠(yuǎn)心端吻合口處正常血管及PCL-肝素人工血管血流速度差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見表1。

表1 大鼠腹主動(dòng)脈移植模型正常血管不同時(shí)間血流動(dòng)力學(xué)檢查指標(biāo)(±s,n=10)

表1 大鼠腹主動(dòng)脈移植模型正常血管不同時(shí)間血流動(dòng)力學(xué)檢查指標(biāo)(±s,n=10)

檢測(cè)時(shí)間近心端吻合口處正常血管血管內(nèi)徑(mm)管壁厚度(mm)血流速度(mm/s)PCL-肝素人工血管血管內(nèi)徑(mm)管壁厚度(mm)血流速度(mm/s)遠(yuǎn)心端吻合口處正常血管血管內(nèi)徑(mm)管壁厚度(mm)血流速度(mm/s)建模后1個(gè)月1.92±0.070.36±0.04808.55±134.481.85±0.120.45±0.06505.76±41.921.87±0.040.31±0.03609.55±62.85建模后2個(gè)月1.98±0.120.32±0.05796.23±65.831.83±0.050.63±0.08500.04±80.151.85±0.080.29±0.04635.61±71.43建模后3個(gè)月1.94±0.050.33±0.06825.89±109.771.82±0.100.74±0.05560.81±96.341.77±0.150.30±0.03653.72±100.68F值0.400.650.060.0816.920.580.780.140.23P值0.690.550.090.99<0.010.59 0.500.880.80

圖1 PCL-肝素血管移植及取出 A.將PCL-肝素人工血管植入大鼠腹主動(dòng)脈，建立大鼠腹主動(dòng)脈移植模型； B.移植模型建立后3個(gè)月取材，正常PCL-肝素人工血管形態(tài)； C.移植模型建立后3個(gè)月取材，動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張PCL-肝素人工血管形態(tài)； D.移植模型建立后3個(gè)月取材，正常PCL-肝素人工血管內(nèi)腔表面； E.移植模型建立后3個(gè)月取材，動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張PCL-肝素人工血管內(nèi)腔表面

檢測(cè)時(shí)間瘤樣擴(kuò)張(n=5)血管內(nèi)徑(mm)管壁厚度(mm)血流速度(mm/s)未擴(kuò)張(n=5)血管內(nèi)徑(mm)管壁厚度(mm)血流速度(mm/s)建模后1個(gè)月———1.85±0.120.45±0.06505.76±41.92建模后2個(gè)月2.19±0.310.70±0.05353.85±144.501.83±0.050.63±0.08500.04±80.15建模后3個(gè)月2.80±0.660.75±0.28218.30±126.381.82±0.100.74±0.05560.81±96.34

圖2 大鼠腹主動(dòng)脈移植模型建立后超高分辨率小動(dòng)物超聲影像系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)檢查 A.建模后1個(gè)月PCL-肝素人工血管聲像圖，血管未擴(kuò)張； B.建模后2個(gè)月PCL-肝素人工血管聲像圖，血管呈瘤樣擴(kuò)張； C.建模后3個(gè)月PCL-肝素人工血管聲像圖，血管呈瘤樣擴(kuò)張

建模后2個(gè)月瘤樣擴(kuò)張與未擴(kuò)張的PCL-肝素人工血管血流速度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.82，P=0.12)，但建模后3個(gè)月瘤樣擴(kuò)張的PCL-肝素人工血管血流速度明顯低于未擴(kuò)張者(t=4.28，P=0.01)。見表2。

3 討論

生物可降解材料組織工程血管是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。聚己內(nèi)酯因其強(qiáng)度高、降解速率、孔徑人工可調(diào)、易加工及在體內(nèi)降解產(chǎn)物對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于血管組織工程相關(guān)領(lǐng)域[7]。肝素含有糖胺聚糖成分，可促進(jìn)組織生長(zhǎng)[6]。與其他細(xì)胞外基質(zhì)相比，多糖可為生物材料提供結(jié)合活性物質(zhì)的位點(diǎn)，同時(shí)穩(wěn)定性更高而免疫原性更低[8]。應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維，可模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，有助于細(xì)胞生長(zhǎng)[9]；通過(guò)肝素表面改性后，以這種技術(shù)制備的PCL材料血管具有較好的生物學(xué)性能[6]。

MRA、CTA等影像學(xué)檢查是診斷動(dòng)脈病變的重要依據(jù)。MRA通過(guò)非對(duì)比增強(qiáng)和對(duì)比增強(qiáng)技術(shù)使血管顯像，可評(píng)估動(dòng)脈管腔[10]。近年來(lái)迅速發(fā)展的三維時(shí)間飛躍法MR血管成像(3D time-of-flight MR angiography, 3D TOF MRA)技術(shù)無(wú)需注射對(duì)比劑，不存在電離輻射，適用于需長(zhǎng)期影像學(xué)觀察的患者；但MRA檢查費(fèi)用較為昂貴，掃描時(shí)間較長(zhǎng)。CTA也可用于評(píng)估動(dòng)脈病變，與MRA相比,主要優(yōu)勢(shì)在于圖像采集相對(duì)較快，通?？稍? min內(nèi)完成對(duì)主動(dòng)脈的圖像采集，其主要缺點(diǎn)是存在電離輻射，同時(shí)CTA過(guò)程中需要使用碘對(duì)比劑[10]。超聲血管檢查無(wú)需造影劑，不存在電離輻射，且可準(zhǔn)確檢測(cè)血管及移植物的血流動(dòng)力學(xué)變化[4]；超聲造影以聲諾維(SonoVue)作為血池顯像劑，通過(guò)諧波成像技術(shù)，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)各種臟器的血液微循環(huán)灌注情況。SonoVue不經(jīng)過(guò)腎臟代謝，無(wú)腎臟毒性，能夠隨呼吸排出體外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[4]及臨床研究[11-12]均已證實(shí)其安全性。目前超高分辨率小動(dòng)物超聲已用于評(píng)價(jià)小鼠心血管及移植物血流動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域[4,13]，還可用于檢測(cè)ApoE小鼠腹主動(dòng)脈瘤中血栓等[14]。

大鼠腹主動(dòng)脈移植模型可用于評(píng)價(jià)聚合物材料的生物相容性。本研究應(yīng)用高分辨動(dòng)物超聲測(cè)量大鼠腹主動(dòng)脈移植模型PCL-肝素人工血管的血管內(nèi)徑、管壁厚度、血流速度以及血管移植后通暢情況，發(fā)現(xiàn)人工血管管壁不斷增厚，建模后1、2、3個(gè)月差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=16.92，P<0.01),但血流狀態(tài)保持穩(wěn)定，建模后1、2、3個(gè)月血管內(nèi)徑及血流速度差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=0.08、0.58，P=0.99、0.59)，即PCL-肝素人工血管移植后生長(zhǎng)良好，未發(fā)生血栓形成、管腔狹窄、過(guò)度增生等情況。但本研究發(fā)現(xiàn)部分PCL-肝素人工血管出現(xiàn)動(dòng)脈瘤樣擴(kuò)張，血流速度明顯降低，具體原因還有待今后進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。

總之，高分辨動(dòng)物超聲可作為檢測(cè)大鼠腹主動(dòng)脈移植模型的重要實(shí)驗(yàn)工具，具有廣闊應(yīng)用前景。