分層斑點(diǎn)追蹤評(píng)估小鼠心衰模型左心室內(nèi)、外膜下心肌力學(xué)改變*

王 冠，王 瑩，阮 磊，吳曉芬，張存泰△

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院 1綜合科 2病理科，武漢 430030

心力衰竭(heart failure,HF)往往提示心血管疾病的最后階段，死亡率及致殘率高，為公共衛(wèi)生系統(tǒng)帶來了巨大負(fù)擔(dān)[1]。小鼠作為心血管疾病常用模型，探討其心衰模型的特點(diǎn)無疑為我們防治該疾病提供了可能。速度向量成像技術(shù)(velocity vector imaging,VVI)以斑點(diǎn)追蹤為原理，通過逐幀掃描感興趣區(qū)域心動(dòng)周期內(nèi)的位移，進(jìn)而測(cè)算出運(yùn)動(dòng)速度、應(yīng)變及應(yīng)變率等指標(biāo)，為探索心臟心肌力學(xué)改變提供了新方法[2]。本研究應(yīng)用分層斑點(diǎn)追蹤(layer specific-speckle tracking echocardiography,LS-STE)技術(shù)觀察壓力超負(fù)荷所致心衰小鼠左心室內(nèi)、外膜下的心肌力學(xué)改變，及其與心肌纖維化的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和分組

選擇8周齡，體重18～24 g的雄性C57BL/6小鼠23只，隨機(jī)分為手術(shù)組和假手術(shù)組，手術(shù)組13只小鼠，假手術(shù)組10只小鼠。上述動(dòng)物均購(gòu)于華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，所有實(shí)驗(yàn)方案均經(jīng)華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 小鼠心衰模型的建立

依照經(jīng)典文獻(xiàn)[3]，手術(shù)組小鼠通過戊巴比妥鈉(80 mg/kg)腹腔麻醉，當(dāng)小鼠完全麻醉后置于37℃恒溫加熱板上，隨后在左胸第1肋間隙上行胸廓切開術(shù)，暴露主動(dòng)脈弓，在小鼠無名動(dòng)脈及左頸總動(dòng)脈處放置28號(hào)針頭，用7-0縫線結(jié)扎，隨后快速拔走針頭，造成主動(dòng)脈狹窄，然后逐層關(guān)閉胸壁。假手術(shù)組除未用縫線結(jié)扎外其余手術(shù)步驟與手術(shù)組相同。

1.3 超聲心動(dòng)圖采集數(shù)據(jù)

用3%異氟烷吸入誘導(dǎo)麻醉小鼠，待翻正反射消失后，維持異氟烷濃度1%～2%繼續(xù)麻醉小鼠，使小鼠既能配合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)心率在420次/min以上，以避免麻醉對(duì)心功能的抑制。小鼠麻醉后置于加熱板上，維持體溫為37℃，隨后胸部脫毛，應(yīng)用Vevo2100小動(dòng)物超聲儀及配備的MS-400探頭(采樣頻率>30 MHz)，B-mode和M-Mode下采集胸骨旁左室長(zhǎng)軸切面及左室短軸切面圖像，然后分別測(cè)量計(jì)算出左室后壁厚度(LVPWT)、左室舒張期末內(nèi)直徑(LVEDD)、左室收縮期末內(nèi)直徑(LVESD)、左室重量和左室短軸縮短率(FS)等指標(biāo)。

選擇心室內(nèi)外膜邊界清晰的左室短軸切面和長(zhǎng)軸切面圖像導(dǎo)入VevoStrain定量分析軟件，手動(dòng)描繪心室內(nèi)外膜。描繪過程中越過乳頭肌及肌小梁等結(jié)構(gòu)。描繪結(jié)束后儀器自動(dòng)將心室劃分為固定節(jié)段，隨后通過模式匹配，自動(dòng)逐幀地追蹤心動(dòng)周期中各節(jié)段心室內(nèi)外膜的形變和時(shí)程，進(jìn)而測(cè)算出心室各個(gè)節(jié)段內(nèi)外膜的應(yīng)變、室壁最大達(dá)峰延遲時(shí)間(maximal opposite wall delay，MOWD)等指標(biāo)(圖1)。

A：分層斑點(diǎn)追蹤在長(zhǎng)軸切面測(cè)定內(nèi)外膜各階段應(yīng)變及達(dá)峰時(shí)間；B：分層斑點(diǎn)追蹤在短軸切面測(cè)定內(nèi)外膜各階段應(yīng)變及達(dá)峰時(shí)間圖1 分層斑點(diǎn)追蹤應(yīng)變成像Fig.1 Layer specific-speckle tracking strain echocardiography

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 手術(shù)組心衰模型的建立

手術(shù)組13只小鼠明顯表現(xiàn)出心衰特征，即昏睡、移動(dòng)力減低、呼吸困難及水腫，其中2只小鼠在術(shù)后1周內(nèi)死亡，1只在術(shù)后3周內(nèi)死亡，術(shù)后第3周手術(shù)組存活10只，存活率為77%，假手術(shù)組的存活率為100%。3周后尸檢結(jié)果和常規(guī)超聲結(jié)果亦提示相比假手術(shù)組，手術(shù)組心臟重量和體重的比值(HW/BW)及肺臟重量和體重的比值(LW/BW)均明顯增大，LVEDD、LVESD明顯升高，LVPWT減低，F(xiàn)S明顯下降，心室變薄(均P<0.05，圖2、表1)。

圖2 術(shù)后第3周小鼠心臟尸檢結(jié)果Fig.2 Gross observation of hearts of mice three weeks after surgery

表1 各組術(shù)后第3周常規(guī)超聲學(xué)參數(shù)比較Table 1 Comparison of conventional echocardiographic parameters three weeks after surgery

與假手術(shù)組比較，*P<0.05

2.2 手術(shù)組和假手術(shù)組間內(nèi)外膜速度向量成像參數(shù)比較

相比假手術(shù)組，手術(shù)組的MOWD表現(xiàn)為明顯延長(zhǎng)；應(yīng)變值也表現(xiàn)為內(nèi)外膜縱向、環(huán)向應(yīng)變及徑向應(yīng)變值顯著低于假手術(shù)組(均P<0.05，表2，3)。

2.3 手術(shù)組和假手術(shù)組內(nèi)外膜速度向量成像參數(shù)的梯度差異

假手術(shù)組及手術(shù)組在環(huán)向及縱向均表現(xiàn)為內(nèi)膜應(yīng)變大于外膜應(yīng)變；假手術(shù)組及手術(shù)組在環(huán)向及縱向均表現(xiàn)為內(nèi)膜MOWD小于外膜MOWD(均P<0.05，表2，3)。

2.4 速度向量成像參數(shù)與心肌纖維化的相關(guān)性

手術(shù)組纖維化面積占左室總面積(1.74±0.15)%，明顯高于假手術(shù)組的(0.29±0.07)%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。根據(jù)組織病理切片(圖3)所測(cè)得的內(nèi)外膜縱向和環(huán)向應(yīng)變與心肌纖維化程度顯著相關(guān)(r=-0.85，-0.81，-0.88，-0.86，P<0.05，圖4)。

表2 比較術(shù)后第3周不同組之間及各組內(nèi)的內(nèi)、外膜下應(yīng)變值Table 2 Comparison of endocardium and epicardium strain values between different groups and within each group three weeks after

與假手術(shù)組比較，*P<0.05；與內(nèi)膜比較，#P<0.05

表3 比較術(shù)后第3周不同組之間及各組內(nèi)的內(nèi)、外膜達(dá)峰時(shí)間Table 3 Comparison of endocardium and epicardium maximal opposite wall delay between different groups and within each group three weeks after

與假手術(shù)組比較，*P<0.05；與內(nèi)膜比較，#P<0.05

A：假手術(shù)組小鼠術(shù)后第3周心肌纖維化損傷；B：手術(shù)組小鼠術(shù)后第3周心肌纖維化損傷圖3 術(shù)后第3周左室心肌纖維化(Masson-some染色法)Fig.3 Fibrotic lesion of left ventricle three weeks after surgery (Masson-some staining)

A：纖維化面積占左室總面積與內(nèi)膜下縱向應(yīng)變的相關(guān)性；B：纖維化面積占左室總面積與外膜下縱向應(yīng)變的相關(guān)性；C：纖維化面積占左室總面積與內(nèi)膜下環(huán)向應(yīng)變的相關(guān)性；D：纖維化面積占左室總面積與外膜下環(huán)向應(yīng)變的相關(guān)性圖4 左室心肌纖維化程度與應(yīng)變指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis between the fibrotic lesion of left ventricle and strain parameters

3 討論

本文通過主動(dòng)脈縮窄術(shù)復(fù)制壓力后負(fù)荷增加所致的心力衰竭模型。術(shù)后1周，小鼠表現(xiàn)為精神差、移動(dòng)力減低、昏睡等一系列癥狀。術(shù)后第3周，上述癥狀更為明顯，常規(guī)M型超聲提示心動(dòng)周期中心室壁收縮明顯減低。這無疑提示該模型可有效模擬病理狀態(tài)下的心力衰竭。實(shí)際上既往多個(gè)研究也證實(shí)了上述造模方法的可靠性[4-5]。

研究表明心臟并不能看成是一個(gè)“合體”細(xì)胞。它的“泵”功能的實(shí)現(xiàn)包括內(nèi)膜下右手螺旋形心肌、外膜下左手螺旋形心肌的縱向縮短以及中層心肌的環(huán)向增厚組成，這無疑提示心肌存在跨膜異質(zhì)性，因此有必要分層研究心肌的力學(xué)特點(diǎn)[6-7]。我們的研究發(fā)現(xiàn)，無論是生理狀態(tài)下還是病理狀態(tài)下的小鼠，在縱向和環(huán)向均表現(xiàn)為內(nèi)膜下應(yīng)變明顯高于外膜下應(yīng)變。這與既往應(yīng)用TDI技術(shù)或速度向量成像技術(shù)在人體的研究相符，說明對(duì)小鼠心肌分層行斑點(diǎn)追蹤可有效評(píng)價(jià)心功能，小鼠模型可完美模擬人體心肌的力學(xué)特點(diǎn)，在小鼠模型得到的結(jié)果對(duì)臨床有很好的借鑒意義[8-9]。我們發(fā)現(xiàn)小鼠心肌內(nèi)膜應(yīng)變高于外膜應(yīng)變，內(nèi)膜MOWD小于外膜MOWD。這是心室內(nèi)外膜心肌力學(xué)差異性所致。具體來說，心動(dòng)周期中心臟收縮主要以心內(nèi)膜收縮為主導(dǎo)，外膜下心肌的收縮一方面依賴于心肌纖維本身，也一定程度依賴于內(nèi)膜纖維等的牽拉效應(yīng)，因此相比心外膜，心內(nèi)膜形變更加顯著，而達(dá)到最大形變程度所需時(shí)間較短[10]。其他課題組進(jìn)一步分析內(nèi)外膜單個(gè)心肌細(xì)胞收縮幅度也證明心內(nèi)膜下單個(gè)心肌細(xì)胞收縮幅度更大，達(dá)峰更快，無疑從微觀上證實(shí)了上述觀點(diǎn)[11]。

隨后我們發(fā)現(xiàn)心衰小鼠內(nèi)外膜縱向、環(huán)向應(yīng)變以及徑向應(yīng)變均低于對(duì)照組，這是由于小鼠心功能減低，收縮功能下降所致。而心衰小鼠內(nèi)外膜MOWD表現(xiàn)為明顯增大，提示各節(jié)段心肌的協(xié)同性減低，與心衰心肌凋亡壞死、心肌纖維化導(dǎo)致心肌排列雜亂無序、僵硬度增加有關(guān)。而Masson-some染色也證實(shí)心衰小鼠心肌中的膠原組織更多，提示纖維化程度更重，相關(guān)性分析則進(jìn)一步證實(shí)分層速度向量成像所測(cè)指標(biāo)與心肌纖維化密切相關(guān)。

綜上，本研究表明心肌分層速度向量技術(shù)可評(píng)估小鼠生理及病理狀態(tài)下的心肌力學(xué)特點(diǎn)，一方面為未來動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供了參考值，也為探索心力衰竭機(jī)制提供了新的視角。該方法的局限性在于：①分層速度向量需較高的圖像分辨率才能識(shí)別心肌內(nèi)外膜，對(duì)超聲設(shè)備要求較高，限制了其廣泛應(yīng)用；②該方法只能測(cè)定心肌二維平面內(nèi)縱向、環(huán)向及徑向運(yùn)動(dòng)，而心肌運(yùn)動(dòng)是三維過程，忽視了心肌二維平面外的運(yùn)動(dòng)。