武汉大学学报(医学版)   2017, Vol. 38Issue (4): 587-590, 595   DOI: 10.14188/j.1671-8852.2017.04.016.
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引用本文 

董巧巧, 陈卓彬, 冯鸿, 曹建雷, 王扬淦. 斑点追踪成像评价压力负荷型心衰小鼠左室收缩功能的变化[J]. 武汉大学学报(医学版), 2017, 38(4): 587-590, 595. DOI: 10.14188/j.1671-8852.2017.04.016.
DONG Qiaoqiao, CHEN Zhuobin, FENG Hong, CAO Jianlei, WaNG Yanggan. Speckle Tracking Echocardiography Assessment of Left Ventrical Contractile Function Changes in Pressure-Overloaded Heart Failure Mice[J]. Medical Journal of Wuhan University, 2017, 38(4): 587-590, 595. DOI: 10.14188/j.1671-8852.2017.04.016.

作者简介

董巧巧,女,1991-,医学博士生,主要从事心衰研究

通讯作者

王扬淦,男,1963-,教授,博士生导师,主要从事心衰与心律失常研究

文章历史

收稿日期:2016-12-13
斑点追踪成像评价压力负荷型心衰小鼠左室收缩功能的变化
董巧巧 , 陈卓彬 , 冯鸿 , 曹建雷 , 王扬淦     
武汉大学中南医院心内科 湖北 武汉 430071
[摘要] 目的: 利用斑点追踪成像技术探讨压力负荷型心衰小鼠的心衰发展进程中左心室整体及局部心功能的变化情况,为预测心衰的发展提供新思路。 方法: 用小鼠重度胸主动脉缩窄模型模拟压力负荷型心衰发生发展情况,术后1-12周每周监测手术组和假手术组小鼠常规心脏超声和斑点追踪成像参数的变化情况。 结果: 手术组小鼠术后1周即出现射血分数、纵向应变、径向应变、环向应变等左心室整体心功能参数的降低以及心尖部、心中部、心底部局部应变的下降,随着时间的进展,术后第7周出现整体纵向应变和心尖部纵向应变的进一步下降,第8周出现整体和局部各段心功能的全面下降。 结论: 在心衰的发展过程中,纵向应变先于常规心脏超声参数和径向应变、环向应变发生失代偿性损伤,心尖部纵向应变先于心中部和心底部出现损伤。
关键词超声心动描记术    心衰    应变    左室心功能    
Speckle Tracking Echocardiography Assessment of Left Ventrical Contractile Function Changes in Pressure-Overloaded Heart Failure Mice
DONG Qiaoqiao, CHEN Zhuobin, FENG Hong, CAO Jianlei, WaNG Yanggan     
Dept. of Cardiology, Zhongnan Hospital of Wuhan University, Wuhan 430071, China
[Abstract] Objective: To explore the changes of global and regional left ventricular function in pressure-overloaded heart failure(HF) mice by speckle-tracking echocardiography (STE), and provide possibility for predicting the development of HF. Methods: Adult mice were subjected to severe thoracic aortic banding(sTAB). After surgery, conventional echocardiography and STE were performed weekly in the sTAB group and sham group. Results: In the sTAB group, left ventricular(LV) contractile function parameters including ejection fraction(EF), longitudinal strain(LS), radial strain(RS) and circumferential strain(CS) were significantly decreased 1 week after surgery. At the end of the 7th week after surgery, global LS and LS of apex region were further decreased, and at the 8th week, LV contractile function parameters were all declined. Conclusion: In the development of pressure-overloaded HF, changes of LS were appeared earlier than conventional echocardiography, RS and CS. Changes of apex strain were appeared earlier than mid and base strain.
Key words: Echocardiography    Heart Failure    Strain    Left Ventricular Function    

心力衰竭(heart failure, HF)是心血管系统各疾病发展的终末阶段[1]。斑点追踪成像技术(speckle-tracking echocardiography, STE)是通过识别和跟踪超声图像内心肌斑点间的相对运动,得到心肌各段应变值来评价局部及整体心肌的运动功能[2],越来越多地应用于心梗、心肌缺血患者局部收缩功能的检测[3],却尚未用于心力衰竭局部心功能的检测。我们用小鼠重度胸主动脉缩窄术(severe thoracic aortic banding, sTAB)制造心衰模型,对术后心衰小鼠左心室整体和局部应变进行监测,并与常规超声心动图收缩功能的结果进行对比,探讨心衰时左心室整体及局部收缩功能的变化情况。

1 材料与方法 1.1 实验动物分组

于武汉大学动物中心购买30只6-8周的野生雄性C57BL/6小鼠(体重20-24 g),在实验室适应环境1周后,随机分成两组:假手术组(10只)和手术组(20只)。

1.2 模型制作

所有小鼠用超声心动图测量基线。根据文献[4]通过sTAB建立小鼠心衰模型。小鼠腹腔注射戊巴比妥钠(80 mg/kg)进行麻醉。手术组在第二肋间隙处,胸骨左侧切开约3 mm大小的切口暴露动脉,在无名动脉和左颈总动脉之间的横向主动脉弓处平行放置28号针头,并用7-0聚丙烯缝线结扎,迅速抽掉针头形成主动脉狭窄。假手术组和手术组一样开胸暴露胸主动脉,但不结扎主动脉。小鼠术后1-12周每周同一时间测量心脏超声,直至12周后处死小鼠,取心肺称重。

1.3 超声测量

使用vevo 2100小动物高频超声测量仪(Visualsonics,加拿大)和配套的小鼠专用MS-400超声探头(采样频率达30 MHz)对清醒小鼠进行超声心动图测量,以排除麻醉对小鼠心功能的影响[5],采集小鼠心脏胸骨旁左室短轴乳头肌切面的M模式及B模式超声图像,和胸骨旁左室长轴切面的B模式超声图像。在M模式下用自带工作站计算小鼠左心室射血分数(ejection fraction, EF)。

1.4 斑点追踪成像数据分析

参考文献[6]的斑点追踪成像数据处理方法,在Vevo imaging工作站中,选取心肌内外膜界限清晰且没有伪影干扰的左室长轴和短轴切面B模式图像,进入Vevo Strain工作界面,通过M模式图像确定心动周期的起始,选择3个以上连续的心动周期,进入分析模式,选取心内外膜最清晰的舒张末期图像,手动描画小鼠左心室内外膜,描画过程中应略过小鼠的肌小梁、乳头肌和二尖瓣部分。描画结束后,软件自动追踪心肌组织内外膜运动的位移、速度、应变和应变率,并自动将左室分为6个节段。左室长轴切面上左心室分为前壁心底部、前壁心中部、前壁心尖部、后壁心底部、后壁心中部、后壁心尖部六个节段;左室短轴切面上左心室被分为前壁、前间壁、侧壁、后壁、下壁和下间隔。依次记录局部各节段心肌在长轴方向的纵向应变(longitudinal strain, LS)、长轴方向的径向应变(radial strain, RS)、和短轴方向的环向应变(circumferential strain, CS)(图 1)。左室各节段心肌应变的平均值即为左心室整体的应变值,而前后壁心尖部的平均值、前后壁心中部的平均值和前后壁心底部的平均值分别为左心室心尖部、心中部和心底部的局部应变值。

图 1 斑点追踪成像图 A:左室长轴切面纵向应变图;B:左室长轴切面径向应变图;C:左室短轴切面环向应变图
1.5 统计学分析

本研究资料用均数±标准误表示。手术组与假手术组之间比较用独立样本t检验,同一组小鼠前后变化比较采用方差分析。P < 0.05被认为具有统计学差异。数据分析采用SPSS 20.0进行。

2 结果 2.1 心衰模型的建立

与假手术组相比,手术组小鼠术后表现出典型的心衰特征,如精神萎靡、移动力降低、水肿等,其中5只小鼠在术后1周内死亡,4只在术后12周内死亡,术后第12周手术组存活11只,存活率为55%,假手术组存活率为100%。处死小鼠,取心肺称重,与假手术组相比,手术组小鼠心脏体重比和肺脏体重比均有增加(P < 0.05),表现出明显的心室重塑和肺淤血(表 1)。

表 1 各组实验动物术后12周的形态学参数
2.2 常规超声心动图参数的监测

为监测小鼠在手术前后心功能的变化,术前及术后每周同一时间对小鼠进行心脏超声测量。图 2结果表明,手术组小鼠术后1周时EF有明显的减小(P < 0.05),而后基本保持不变,直到术后第8周再次出现下降(P < 0.05),此后大致维持在该水平。假手术组术后EF与术前相比无明显变化。

图 2 小鼠射血分数(EF)随时间变化趋势 与术前相比,*P < 0.05;与第7周相比,#P < 0.05
2.3 斑点追踪成像对整体心功能的监测

图 3显示,手术组小鼠术后1周时,LS、RS和CS均有显著下降(P < 0.05),此后均在一定时间内大致保持不变。其中,LS在第7周和第8周均有明显的降低(P < 0.05),此后大致维持在该水平,而RS与CS在第7周仍保持不变,直到第8周才开始下降(P < 0.05)。假手术组的LS、RS和CS在手术前后均无明显变化。

图 3 斑点追踪成像参数随时间变化趋势 A:纵向应变(LS)随时间变化趋势;B:径向应变(RS)随时间变化趋势;C:环向应变(CS)随时间变化趋势;与术前相比,*P < 0.05;与第6周比较,P < 0.05;与第7周相比,#P < 0.05
2.4 斑点追踪成像对局部心功能的监测

图 4结果显示,手术组小鼠术后1周时,LS的各节段应变值均有明显下降(P < 0.05),而后各节段应变大致维持平稳状态。到术后第7周,仅有心尖部的应变有明显下降(P < 0.05),而到术后第8周,心中部和心底部的应变出现不同程度的下降(P < 0.05),而后各节段应变大致维持在较低水平。假手术组手术前后各节段的LS均无明显变化。

图 4 斑点追踪成像局部纵向应变(LS)随时间变化趋势 A:心尖部LS随时间变化趋势;B:心中部LS随时间变化趋势;C:心底部LS随时间变化趋势;与术前相比,*P < 0.05;与第6周相比,P < 0.05;与第7周相比,#P < 0.05
3 讨论

本文用sTAB模型来模拟压力负荷型心衰的发展过程,并用斑点追踪成像技术来监测压力负荷下左心室整体和局部心功能随着心衰的发展而变化的过程。结果表明,在心衰的发展过程中,心功能会维持在一定水平,持续一段时间后会发生失代偿性心功能下降,LS先于常规心脏超声参数、RS和CS出现下降趋势,心尖部LS先于心中部和心底部出现下降趋势。

传统的胸主动脉缩窄术用27号针头置于主动脉弓处并进行结扎,抽掉针头后形成一定程度的狭窄,多用于建立代偿性心肌肥厚模型。我们前期研究成果显示,采用28号针头可以在主动脉弓处形成更狭小(1/20 mm)的缩窄,形成失代偿性压力负荷,建立稳定的压力负荷型心衰小鼠模型[5]。术后监测小鼠心功能发现,手术组小鼠术后1周的EF及LS、RS、CS均有明显下降,小鼠表现出精神不振、移动力减低等心衰表现。在术后第7周,小鼠LS有一定程度的下降,待到第8周,小鼠的收缩功能及应变值均有不同程度地下降,小鼠的心衰症状逐渐加重,移动力显著下降甚至昏睡。以上结果提示我们,纵向应变能够在常规超声心动图所测得的心脏收缩功能指标改变及症状加重之前发生变化,为预测心衰发展过程中进一步失代偿性心功能下降提供指导。

在sTAB术后,小鼠因重度压力负荷出现急性失代偿,表现出左心室扩大、收缩功能受损和典型心衰症状[5],在心衰的慢性进展过程中,心脏后负荷增加,常以心肌肥厚作为其代偿机制[7],随着心肌肥厚逐渐发展,心肌细胞肥大,心肌纤维化增生,心肌细胞能量供应不足以致心肌细胞坏死,纤维化的增加又使得心室顺应性下降,使得心室肌受损,收缩功能下降,最终导致失代偿。为何LS能够先于其它收缩功能指标出现下降,究其原因,可能与心脏各层心肌的结构和功能有关。不同绕行方向的心外膜、心中层、心内膜收缩形成纵向、径向和环向运动,其中纵向运动在实现左心室“泵”功能中起着主导作用,因而它的耗氧量和所需的能量供应及冠脉血流量比环形心肌更高,对缺血、纤维化等损伤更为敏感[8],因而在心衰发展过程中,随着心肌纤维化的发展,纵向肌束最先受到损伤,因而最先表现出纵向应变的下降。

在小鼠模型中,只有在探头扫描线方向与心肌形变方向一致时,所测得参数的变异性最低,重复性最好[9]。考虑到CS和RS的局部应变值变异较大,故只检测LS的局部变化。研究表明,手术组小鼠左心室心尖部应变相比心中部和心底部提前出现下降趋势。出现该现象的原因可能与心尖部心肌受血流冲击更大,对损伤更为敏感所致[6]

综上所述,本研究证实了二维斑点追踪成像技术能够无创地、高效地评价小鼠左心整体和局部心功能的变化,对预测心衰发展进程中失代偿性心肌损伤和收缩力下降有着重要的价值。

参考文献
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