主动脉弓缩窄大鼠心功能代偿期和失代偿期的评价

陈洁娣，唐羽欣，胡婷婷，刘晓雨，谭文

(华南理工大学生物科学与工程学院/生物医药前孵化器研究中心/广东省发酵与酶工程重点实验室，广东广州510006)

主动脉弓缩窄大鼠心功能代偿期和失代偿期的评价

陈洁娣，唐羽欣，胡婷婷，刘晓雨，谭文

(华南理工大学生物科学与工程学院/生物医药前孵化器研究中心/广东省发酵与酶工程重点实验室，广东广州510006)

目的应用压力容积导管系统评价主动脉弓缩窄(transverse aortic constriction，TAC)大鼠在不同阶段心功能的变化。方法24只雄性Wistar大鼠，随机分为TAC 3周组、TAC 9周组及假手术组(每组8 只)。麻醉后用Millar压力容积导管检测心功能改变。取心脏称重并计算心脏质量/体质量比。结果与假手术组比较，TAC 3周大鼠的心脏质量/体质量比显著增加；心功能无明显改变。TAC 9周大鼠心脏质量/体质量比显著增加；心功能显著减弱，射血分数、每搏输出量、每搏功、心输出量显著降低；左心室收缩、舒张末容积和等容舒张时间常数显著增加。结论雄性Wistar大鼠TAC 3周后处于心肌肥厚代偿期，TAC 9周后，处于心肌肥厚失代偿期。

主动脉弓缩窄；心肌肥厚；心功能

主动脉弓缩窄(transverse aortic constriction，TAC)引起心肌肥厚进而导致心衰，TAC是研究压力超负荷引起心肌重构和心衰常用的动物模型之一。但不同的动物，甚至同一种动物不同种系(大鼠)在实施TAC手术后，其心功能的改变不尽相同，比如代偿期和失代偿期的出现时间[1-2]，造成相应疾病过程和药物作用的评价困难。目前国内外文献用来研究心肌重构和心衰的TAC模型时间为2～9周不等，但对不同时间心功能的改变程度，比如代偿期和失代偿期并没有明确的评价和界定，这对心肌重构或心功能损伤的相关病理及药物作用研究带来不确定因素。本文采用Wistar大鼠进行TAC手术，并应用压力容积导管对不同时间的TAC大鼠进行心功能评价，明确心肌肥厚心功能代偿期和失代偿期的出现时间，为相关的病理药理研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物

雄性Wistar大鼠，8～10周龄，体质量(200±20)g。购于中山大学动物实验中心，生产许可证号:SCXK(粤)2011-0029。

1.2 主要仪器

外科手术设备(广州器化医疗设备有限公司)；小动物呼吸机(Harvard Apparatus，Holliston，MA，USA)；PLS-20A恒温加热垫(广州飞迪生物科技有限公司)；PowerLab数据采集分析系统(AD InstrumentsInc.)；SPR-838 Millar导管 (Millar Instruments Inc.)；F-150S光纤冷光源、ASC-30小动物电子秤(永康市华鹰衡器有限公司)。

1.3 主要试剂

戊巴比妥钠(德国Merck，规格:5 g/瓶)

1.4 大鼠心肌肥厚模型制作及分组

大鼠称质量后腹腔注射3%(φ)戊巴比妥钠(40 mg/kg)。麻醉后，固定于手术台上(恒温垫控温37℃)。行气管插管，潮气量为4～6 mL/200 g，呼吸频率为70次/min。手术区域备皮消毒，从左胸部位把皮剪开，钝性分离胸大肌和胸小肌，暴露出肋骨。在第2～3肋间无菌操作下开胸，分开胸腺，暴露主动脉弓。把4-0的医用真丝编织线从右无名动脉和左颈总动脉之间穿过胸主动脉，将主动脉结扎于21G(外径为0.8 mm)的针头上，随后把针头抽出。结扎牢固后，将胸腺回位。逐层关胸，继续通气15 min，待大鼠恢复自主呼吸，拔出气管插管，放回笼子饲养。假手术组，不结扎主动脉弓以外，其他步骤与模型组相同。大鼠随机分为3组:假手术组，TAC 3周组，TAC 9周组，每组各8只。

1.5 心功能测定

原理:Millar导管的末端带有1个压力感受器和4个环状电极。通过压力感受器检测心室压力的变化。通过检测心室内血液的电导，转换为心室容积，转化公式:Volume＝(1/α)∗ρ∗L2∗G，Volume表示心室容积，α表示容积校正系数，ρ表示血液的电阻，L表示导管上干预电极之间的距离，G表示检测的总电导。由于Millar导管检测心室内血液的电导以电势信号输出，需要进行单位转换。将相对容积电导信号(以电势 V表示)转化为绝对容积(μL)。此外，由于检测的总电导其实包含了血液，心室壁和周围的组织产生的电导，所以为了准确得到心室容积，需要进行高渗盐水定标，以扣除心室壁和周围组织产生的电导[3]。

1.5.1 Millar导管相对容积电导信号向绝对容积转化 往绝缘校准器中5个已知容积的孔加入肝素抗凝的新鲜大鼠血液。将Millar导管插入孔中，保证4个电极均浸没在血液中，保持10～20 s。记录各孔血液产生的电导信号，重复2次。根据每孔测得的实际电导信号(以电势V表示)与标示的容积拟合校正标准曲线，由此得到线性方程的斜率和截距(图1)。将斜率和截距代入方程即可将相对容积电导信号向绝对体积转化[4]。

图1 相对容积向绝对容积校准标准曲线Figure 1 Standard calibration curve of relative volume to absolute volume

1.5.2 左心室内插入Millar导管 3周和9周后，将大鼠麻醉固定于手术台上(控温37℃)。行气管插管，通上呼吸机，具体步骤参考模型[5]制备。颈部备皮消毒，行颈正中切口，钝性分离皮下组织和颈前正中肌肉，找到右颈动脉。结扎右颈动脉远心端，用动脉夹夹闭近心端。在近心端剪一小口，插入

Millar导管，扎1个松结，松开动脉夹，往左心室方向递送Millar导管。适度调整Millar导管在左心室内的位置，直到出现稳定且漂亮的压力-容量环。平稳10～15 min后，关上呼吸机，记录停呼吸机5 s的数据(停呼吸机是为了避免肺部运动对数据测定的影响)，然后继续通上呼吸机，重复此操作，采集5～8次停呼吸机5 s的数据。采集完稳定期的数据(负荷依赖性数据)后，对大鼠腹部进行备皮，然后开腹，在胸腔与腹腔之间的隔膜下找到下腔静脉，用棉棒轻轻地把下腔静脉压住，记录减少心脏前负荷的数据(非负荷依赖性数据)[6]。

1.5.3 平行容积(parallel volume，Vp)校正 经右颈静脉注射约40 μL 30%的高渗盐水，等容量恢复到给高渗盐水前的水平，再次推进高渗盐水，重复2～3次。选取心室容量增加但压力没明显变化的一段数据(图2)，得到给高渗盐水后左心室舒张末-收缩末容积的线性关系，此直线与当左心室舒张末容积和收缩末容积相等时的直线(表示心室没有血液)相交于一点，此点对应的容积为Vp(图3)。最终表示左心室的容积要减去Vp值[3]。

图2 注射高渗盐水后压力-容积环的变化Figure 2 Changes of pressure-volume loop after injection of hypertonic saline

图3 Vp的推导过程Figure 3 Derivation process of the Vp

1.6 各组大鼠心脏实际质量及HE染色

进行心功能测定前，对大鼠称质量，记录各组大鼠体质量。测完心功能后，打过量麻药处死大鼠，迅速开胸，剪下心脏，放入冰冻的生理盐水中，洗净血液，剪去心脏多余的组织，用滤纸吸干水分，电子天平称取心脏的实际质量。并计算心脏质量/体质量比。心肌组织用10%(φ)中性甲醛溶液固定，制作石蜡切片后进行HE染色，普通光镜下(400×)观察心肌组织的形态学变化。

1.7 统计学分析

2 结果

2.1 各组大鼠的心脏质量、体质量和心脏质量/体质量比

与假手术组比较，TAC 3周组大鼠的心脏质量、体质量和心脏质量/体质量比增加(图4)，说明3周后，模型组大鼠心肌肥大，造模成功；TAC 9周组大鼠的心脏质量、心脏质量/体质量比增加，与TAC 3周组比较，TAC 9周组大鼠的心脏质量/体质量比降低(图4)，这是由于TAC 9周组大鼠心脏质量增加的同时体质量也显著增加。

图4 3周和9周造模后各组大鼠的心脏质量/体质量、心脏质量、体质量比较Figure 4 Comporison of heart weight/body weight ratio，heart weight and body weight in each group after 3 and 9 weeks surgery

2.2 各组大鼠的心功能参数

2.2.1 负荷依赖性的心功能参数 与假手术组比较，TAC 3周组大鼠的压力-容量环向右移动，说明心室容量增加，心室扩张，但心室压力没有明显变化，心功能处于良好状态；TAC 9周组大鼠的压力-容量环进一步向右移动，说明心室容量进一步增加，心室扩张，并且压力-容量环向下移动，大鼠的收缩末压力降低(图5)。

图5 稳定状态下检测的压力-容积环Figure 5 Pressure-volume loop detected in steady state

与假手术组比较，TAC 3周组大鼠的射血分数(EF)降低；每搏输出量(SV)、每搏功(SW)和心输出量(CO)代偿性增加；左心室收缩末容量(Ves)和舒张末容量(Ved)增加；等容舒张时间常数(Tau)差异无统计学意义，说明3周后，模型组大鼠心室扩张但心功能没明显变化；与假手术组比较，TAC 9周组的EF、SW显著降低(表1)，说明9周后，模型组大鼠心脏收缩功能减弱；Ves和Ved显著增加，说明9周后，模型组大鼠心室扩张；Tau显著增加，说明9周后，模型组大鼠心脏舒张功能减弱。与TAC 3周组比较，TAC 9周组的EF、SV、SW显著降低，Ves显著增加(表1)，说明TAC后大鼠心功能随时间推移而逐渐下降，模型组大鼠心脏收缩功能恶化，泵血能力降低，导致收缩末残留在心室内的血液增加，由代偿期进入失代偿期。

2.2.2 非负荷依赖性的心功能参数 不同负荷状态下的压力-容积环，其收缩末点和舒张末点具有一定线性关系，即，收缩末压力-容量关系(end-systolic pressure-volume relationship，ESPVR)和舒张末压力-容量关系(end-diastolic pressure-volume relationship，EDPVR)，可分别反映心肌收缩性和被动舒张能力，且不受负荷的影响。ESPVR的斜率越高，说明心肌收缩能力越好；而EDPVR的斜率越低，说明心肌被动舒张能力越好。与假手术组比较，TAC 3周组的ESPVR和EDPVR的斜率增加，说明3周时，模型组大鼠心脏收缩力代偿性增加的同时心脏被动舒张能力降低；TAC 9周组的ESPVR的斜率降低，EDPVR的斜率增加，说明9周时，模型组大鼠心脏收缩、舒张功能降低(图6)。

表1 造模后3周和9周各组大鼠的心功能参数Table 1 Cardiac function parameters in each group after 3 and 9 weeks surgery(±s，n＝5)

表1 造模后3周和9周各组大鼠的心功能参数Table 1 Cardiac function parameters in each group after 3 and 9 weeks surgery(±s，n＝5)

与假手术组比较:∗P＜0.05，∗∗P＜0.01；与TAC 3周组比较:＃P＜0.05，＃＃P＜0.01。

组别 EF/% SV/μL SW/(mmHg·μL－1)CO/(μL·min－1) Ves/μL Ved/μL Tau/ms假手术组 67.09±3.25 122.84±5.55 12 236.4±907.11 54 548.0±3 641.85 96.06±4.78 176.42±10.45 9.41±1.13 TAC 3周组 59.29±3.808 136.66±19.87 16 290.0±3 076.65 55 662.5±920 1.73 110.74±21.63 215.20±33.79 13.49±1.926 TAC 9周组 40.002±3.565∗∗＃＃100.56±7.74＃6 096.0±837.7∗＃＃38 314.0±3 584.91 204.92±16.48∗∗＃＃243.72±12.33∗16.31±0.853∗∗

图6 改变前负荷状态下检测的压力-容积环Figure 6 Pressure-volume loop detected in the change of pre-load state

2.3 大鼠TAC 3周和9周后模型组、假手术组的心肌HE染色结果

与假手术组比较，TAC 3周组和TAC 9周组大鼠的心肌细胞大于假手术组。见图7。

图7 假手术组、TAC 3周组和TAC 9周组心肌HE染色结果比较(400×)Figure 7 Histological sections of hearts in the sham，3-weekTAC and 9-week TAC groups(400×)

3 讨论

病理性心肌肥厚常常伴发心功能不全。在发病的初始阶段，肥厚的心肌细胞收缩和舒张时间延长，速度减慢，但仍保持良好的肌纤维缩短能力和心室排空能力，因此，如果心脏有适当的室壁厚度足以克服室壁应力时，心功能仍保持在良好的状态，即为心肌肥厚的代偿性阶段；随着时间的推移，当心脏的室壁厚度不足以克服室壁应力时，心室会发生进行性扩大并伴随着心功能的减弱，即为心肌肥厚的失代偿阶段，并最终发展为心衰。

目前，评价心肌肥厚模型是否造模成功常用的指标包括心脏大体形态的评价(心脏质量、左心室质量、心腔大小改变、心肌壁厚度改变)；心肌细胞大小评价(病理组织染色评价细胞横截面积、直径)[7-8]。本实验对成年雄性Wistar大鼠行主动脉弓缩窄制备心肌肥厚的动物模型。造模第3周和第9周后显示:TAC模型组大鼠的心脏质量、心脏质量/体质量比均显著增加，说明造模成功。

心功能检测的方法有超声波心动扫描记术、磁共振成像等。这些方法均是无创性的检测心功能，但具有一定的局限性，一方面监测心室功能时，会受到心室壁厚度和心室复杂几何形状的影响；另一方面心室负荷的显著变化会影响监测的结果。因此不能准确地判断心脏的收缩功能变化是由于心肌本身的收缩性改变，还是前、后负荷改变而引起的[9]。压力容积导管操作复杂，有一定的创伤，但其对心功能的评价更为准确、可靠，可以全面地对心功能作出评价。还可通过人为改变前后负荷，在一定的变化范围内对心功能做出动态评价，从而更为全面地研究疾病的病变机制和药物的作用。大量的研究表明[10-12]，心室压力容积导管能同时分析负荷调节和非负荷调节的心功能指标。通过对心脏负荷进行干预，记录不同负荷下的压力-容积环是获得ESPVR 和EDPVR传统的、直接的方法，且不受负荷的影响。

本研究通过压力容积导管技术评价TAC造模后各组大鼠的心功能变化，分别在稳定状态下及压迫下腔静脉的状态下检测负荷调节和非负荷调节的心功能指标。结果表明，与假手术组比较，TAC 3周组的收缩功能指标EF、SV、SW、CO和舒张功能指标Tau均无明显变化，说明TAC 3周后，大鼠心脏的收缩和舒张功能无明显变化，此时，大鼠处于心肌肥厚的代偿期。与假手术组比较，TAC 9周组的EF、SV、SW、CO均显著降低，Tau显著增加，说明TAC 9周后大鼠心脏的收缩功能和舒张功能均降低，此时，大鼠处于心肌肥厚失代偿期。

左心室收缩末容积(Ves)和舒张末容积(Ved)反映心室容积大小，其数值的变化预示心脏功能的变化。本研究表明，TAC 3周组的Ves和Ved均大于假手术组，但差异不显著，说明TAC 3周后引起大鼠心室扩张，但心功能变化不显著。TAC 9周组的Ves和Ved均显著大于假手术组，说明TAC 9周后引起大鼠心室进一步扩张，并且心脏的收缩力降低，使得残留在心室内的血量增多，Ves增大。此外，Ved的增加会导致心室舒张末压力增加，即心脏的前负荷增加。

ESPVR和EDPVR的斜率能准确地反映心脏的收缩和舒张功能，且不受负荷的影响。ESPVR的斜率反映心肌收缩性，其值越大，心肌收缩力越强，反之，收缩力降低；EDPVR的斜率反映心肌被动舒张特性，其值越大，心肌僵硬度增加，顺应性下降。本研究表明，TAC 3周组的ESPVR和EDPVR的斜率均增加，而 TAC 9周组的 ESPVR的斜率降低，EDPVR的斜率增加，说明TAC 3周后，大鼠心脏的收缩功能代偿性增加但舒张功能降低；TAC 9周后，大鼠心脏的收缩功能和舒张功能均降低，这与负荷调节的心功能指标结果一致。

综上所述，TAC诱导大鼠发生心肌肥厚，在压力超负荷初期，心脏增大的同时心肌收缩力代偿性增加。随着病情发展，心脏增重，但是心脏的收缩、舒张功能恶化，出现失代偿症状。雄性Wistar大鼠TAC 3周，适用于心肌重构相关疾病研究，TAC 9周，适用于心力衰竭相关疾病研究。

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(责任编辑:王昌栋)

Evaluation of cardiac function in compensatory and decompensatory states in
transeverse aortic constriction rats

CHEN Jiedi，TANG Yuxin，HU Tingting，LIU Xiaoyu，TAN Wen
(School of Bioscience and Bioengineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；Pre-incubator for Innovative Drugs and Medicine Center，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；Guangdong Provincial Key Laboratory of Fermentation and Enzyme Engineering，Guangzhou 510006，China)

ObjectiveTo evaluate changes in heart weight and cardiac function in transverse aortic constriction(TAC)rats using the pressure-volume catheter system.MethodsTwenty-four male Wistar rats were randomly divided into the TAC 3-week group，the TAC 9-week group and the sham group(n＝8 for each group).After anesthesia，cardiac function was studied by Millar pressure volume catheter.Hearts were weighted and heart weight/body weight ratio was calculated.ResultsCompared with the sham group，the ratio of heart weight to body weight was increased in the TAC 3-week group，but the cardiac function did not obviously changed.The ratio of heart weight to body weight was also increased in the TAC 9-week group and the cardiac function was significantly reduced.Ejection fraction，stroke volume，stroke work and cardiac output were reduced.Left ventricular end-systolic or diastolic volume and the time constant of isovolumic relaxation increased.ConclusionMale Wistar rats are in myocardial hypertrophy compensatory and decompensatory states after TAC 3 weeks and 9 weeks，respectively.

transverse aortic constriction；myocardial hypertrophy；cardiac function

R543.1

:A

10.3969/j.issn.1006-8783.2015.05.025

1006-8783(2015)05-0670-06

2015-05-21

广东省重大科技专项(2012A080204001)；广州市重大专项科技项目(201300000051)

陈洁娣(1988—)，女，2012级硕士研究生，Email:jdchen510＠163.com；通信作者:谭文，男，教授，主要从事医药生物学研究，Email:went＠scut.edu.cn。

时间:2015-09-12 10:07

http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1413.R.20150912.1007.002.html