異氟烷對小鼠老化過程中常規(guī)超聲心動圖及斑點追蹤成像所測參數(shù)的影響

王瑩 吳曉芬 阮磊 張存泰 王冠

人類預(yù)期壽命的延長使得延緩衰老相關(guān)疾病的發(fā)生成為目前急需解決的問題。衰老可引起冠心病、心力衰竭、心律失常及糖尿病心肌病等一系列心血管系統(tǒng)疾病發(fā)生。它的潛在形態(tài)學改變包括冠脈狹窄、冠脈壁的脂質(zhì)沉積、心室重量的上升、心室腔結(jié)構(gòu)改變及心肌纖維組織的沉積[1]。而心臟結(jié)構(gòu)的改變往往先于心臟疾病癥狀的出現(xiàn),因此有必要評估心臟的增齡變化。小鼠模型由于基因背景與人相似,預(yù)期壽命較短,無疑是評估心臟衰老的可靠模型[2]。裝備高頻探頭的超聲儀也為評估衰老過程中小鼠心臟結(jié)構(gòu)功能甚至行斑點追蹤成像提供了可能[3]。理想狀態(tài)下,小鼠應(yīng)在清醒狀態(tài)下評估心功能,以避免麻醉劑所致的心功能抑制,但是小鼠本身易激惹,因此在評估小鼠心功能時必須麻醉小鼠。小鼠的麻醉劑品種眾多,包括異氟烷、阿佛丁及氯胺等。研究表明:相比其他麻醉劑,異氟烷因吸收快、易于控制麻醉深度且對心功能影響較小,被認為是麻醉小鼠的理想選擇之一[4]。本研究旨在探討不同濃度異氟烷對不同月齡小鼠,特別是對老齡小鼠心臟常規(guī)超聲心動圖及斑點追蹤成像所測參數(shù)的影響,進一步為老齡小鼠行超聲檢查提供參考。

1 材料和方法

1.1 實驗材料和分組 選擇鼠齡為3周、3個月、6個月及20個月的C57BL/6雄性小鼠各10只。上述動物均購于華中科技大學同濟醫(yī)學院動物房,所有實驗方案均經(jīng)華中科技大學同濟醫(yī)院倫理委員會批準( TJ-IRB-S1203)。

1.2 超聲心動圖數(shù)據(jù)采集 異氟烷置于揮發(fā)罐(均購于美國 Baxter Healthcare Corporation)內(nèi),隨后通過調(diào)節(jié)揮發(fā)罐的濃度儀分別產(chǎn)生異氟烷濃度為1%及2%的異氟烷氧氣混合氣體。應(yīng)用Vevo 2100小動物超聲心動儀及對應(yīng)的MS-400高頻探頭,采集各年齡組小鼠在1%及2%異氟烷麻醉下胸骨旁左室長軸切面及左室短軸切面圖像,然后計算出左室后壁舒張期厚度(LVPWTd)、左室后壁收縮期厚度(LVPWTs)、左室舒張期末內(nèi)徑(LVEDD)、左室收縮期末內(nèi)徑(LVESD)、左室重量、LVEF和左室短軸縮短率(FS)等指標[5],見圖1。

注:A:小鼠B型超聲心動圖; B:小鼠M型超聲心動圖

在超聲儀自帶的Vevo imaging工作站中回放所有左室長軸切面圖像,選取內(nèi)膜邊界清晰的圖像通過導入Vevo Strain定量分析軟件,手動描繪心室內(nèi)膜。描繪過程中如圖像內(nèi)膜邊界存在偽影或缺失心肌某一節(jié)段,應(yīng)及時舍棄。隨后儀器可自動逐幀地追蹤心室內(nèi)膜的形變和時程,進而測算出心肌整體和各節(jié)段的長軸應(yīng)變(LS)和應(yīng)變率(LSr)等指標[5](圖2)。

2 結(jié)果

2.1 異氟烷對不同鼠齡C57BL/6小鼠心室結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的影響 本研究選取了LVPWTd、LVPWTs、LVEDD 和LVESD 等4個評估心室結(jié)構(gòu)的常用指標來評估異氟烷對小鼠心室結(jié)構(gòu)的影響。研究表明,當鼠齡為3周至6個月,即幼年到成年過程中,1%和2%的異氟烷對小鼠的LVPWTd、LVPWTs、LVEDD 和LVESD等參數(shù)無明顯影響。而隨著年齡的上升,當小鼠月齡為20個月,即老年時,相比1%異氟烷麻醉,在2%異氟烷麻醉下,LVPWTs顯著下降,LVEDD、LVESD顯著上升(均P<0.05),見表1～4。

表1 異氟烷對3周齡小鼠常規(guī)超聲學參數(shù)的影響

表2 異氟烷對3月齡小鼠常規(guī)超聲學參數(shù)的影響

表3 異氟烷對6月齡小鼠常規(guī)超聲學參數(shù)的影響

表4 異氟烷對20月齡小鼠常規(guī)超聲學參數(shù)的影響

2.2 異氟烷對不同鼠齡C57BL/6小鼠心功能相關(guān)參數(shù)的影響 當鼠齡為3周至6個月時,1%和2%的異氟烷對小鼠的LVEF和FS的影響未見顯著差異。而當鼠齡為20個月時,相比1%異氟烷麻醉,在2%異氟烷麻醉下,LVEF和FS顯著下降(均P<0.05),見表1～4。

2.3 異氟烷對不同鼠齡C57BL/6小鼠斑點追蹤成像所測心功能相關(guān)參數(shù)的影響 當鼠齡為3周至6個月時,1%和2%的異氟烷對小鼠LS和LSr的影響沒有顯著差異。而當小鼠月齡為20個月時,相比1%異氟烷麻醉,在2%異氟烷麻醉下,LS和LSr水平顯著下降(均P<0.05),見圖3。

注:與1%異氟烷比較,*P<0.05

3 討論

超聲心動圖因其無創(chuàng)性、所測數(shù)據(jù)重復性高,是測量小鼠心臟結(jié)構(gòu)及功能的可靠方法。清醒狀態(tài)最符合小鼠的生理狀態(tài),此時行小鼠心臟超聲所測指標也最為準確。然而小鼠易于激惹的生理特性往往引起交感神經(jīng)激活、心率增快、超聲探頭位置變異性增大等不良后果,進而導致所測超聲指標準確性減低。異氟烷由于安全性高、易于控制麻醉深度、誘導麻醉速度快等一系列特性,被廣泛應(yīng)用于小鼠麻醉。然而,既往研究往往著重于成年小鼠,忽視了異氟烷麻醉對不同鼠齡小鼠心臟超聲所測參數(shù)的影響。

本研究對比了在實驗室常用的異氟烷濃度下,不同鼠齡小鼠常規(guī)超聲心動圖所測參數(shù)的變化。我們發(fā)現(xiàn):當鼠齡為3周至6個月時,即處于幼年期及成年期時,1%及2%異氟烷麻醉狀態(tài)均能穩(wěn)定可靠地應(yīng)用常規(guī)超聲心動圖評價小鼠的心臟左室的結(jié)構(gòu)和功能;而隨著年齡的增長,當鼠齡為20個月時,即處于老年期時,上述2種不同異氟烷濃度麻醉下,常規(guī)超聲心動圖所測指標及斑點追蹤成像所測參數(shù)出現(xiàn)了明顯不同。斑點追蹤成像的原理為通過追蹤聲學斑點測定應(yīng)變及應(yīng)變率來評估左心室整體和局部的形變,其優(yōu)勢在于相比傳統(tǒng)二維超聲或者M型超聲,其所測結(jié)果精確性高、穩(wěn)定性好,更能體現(xiàn)心肌的早期損傷,因此被廣泛應(yīng)用于心血管疾病的篩查[6]。本文選取LS和LSr來評估異氟烷對小鼠心功能的影響,之所以選擇上述參數(shù),而非環(huán)向或徑向應(yīng)變/應(yīng)變率來評估小鼠心功能是因為LS和LSr對心功能的早期損傷更為敏感,更能反映心功能的早期整體變化[7]。

不同鼠齡小鼠對異氟烷麻醉的敏感性存在顯著的差異。其潛在機制如下:隨著小鼠等嚙齒類動物年齡增長,其心臟形態(tài)學上表現(xiàn)為心室質(zhì)量的上升,心室腔幾何形狀的改變,心肌僵硬程度的增加,纖維組織的沉積及心肌細胞逐漸凋亡壞死,上述改變進一步導致心肌運動耐量和對麻醉藥物的耐受性降低。這與我們在臨床上觀察到在吸入麻醉下,老年人群相比年輕人群,高濃度氣體吸入麻醉往往更容易導致心功能下降這一現(xiàn)象相符[8]。進一步比較不同年齡嚙齒類動物離體左心室乳頭肌心功能差異,也發(fā)現(xiàn)在相同濃度氣體吸入麻醉下,相比年輕大鼠,老年大鼠的心肌收縮力-頻率依賴性效應(yīng)明顯被抑制[9]。

異氟烷等氣體麻醉劑能更顯著地抑制老年小鼠的心功能,這與既往的研究結(jié)果相符。但是既往文獻多是從細胞水平(單個心肌細胞)[10]或組織水平(離體心室乳頭肌)觀察異氟烷對小鼠心肌的影響,而本研究從在體實驗水平觀察到異氟烷對不同鼠齡小鼠心功能的影響。

綜上所述,當鼠齡為3周至6個月時,異氟烷麻醉不會顯著影響超聲心動圖及斑點追蹤所測指標;而當小鼠月齡為20個月,即步入“老年”時,上述指標明顯受到異氟烷麻醉的影響。在行小鼠超聲心動圖時應(yīng)考慮到鼠齡的差異性,針對不同鼠齡小鼠,應(yīng)該選擇合適的異氟烷濃度進行麻醉,以期能穩(wěn)定、可靠地測量小鼠的心功能。