压力-容积环评估肺动脉高压小鼠右心室功能的研究

尚小珂 卢蓉 柳梅 肖书娜 王斌 张长东 董念国



·基础研究·

压力-容积环评估肺动脉高压小鼠右心室功能的研究

尚小珂 卢蓉 柳梅 肖书娜 王斌 张长东 董念国

目的 使用电导导管测量小鼠右心室压力-容积环，评估健康小鼠及肺动脉高压模型小鼠的血流动力学。方法 将16只小鼠随机分为实验组(n=8)和对照组(n=8)。实验组小鼠暴露在常压缺氧的环境中10 d，对照组小鼠被安置在室内空气中。使用1.2 F导管从右颈动脉插至升主动脉，另外再穿刺右心室心尖部，用20号针头导入1.2 F压力-容积导管，获得压力-容积的测量值并计算血流动力学参数。比较两组小鼠血流动力学参数的差异。结果 两组小鼠体重、右心房重量/体重、左心房重量/体重、(左心室+室间隔)重量/体重比较，差异均无统计学意义(均P>0.05)；实验组小鼠右心室重量/(左心室+室间隔)重量[(0.30±0.03)比(0.23±0.06)，P=0.0291]、右心室重量/体重[(1.04±0.13)比(0.74±0.10)，P=0.0001]显著高于对照组，差异均有统计学意义。两组小鼠心率、主动脉收缩压、主动脉舒张压、右心室舒张末期容积、心室内最大压力上升速度、右心室收缩末期压力-容积关系的斜率、心室内最大压力下降速度、松弛因子τ比较，差异均无统计学意义(均P>0.05)。实验组小鼠血细胞容积率、右心室收缩压、右心室舒张压、搏出功、压力导数的最大值与右心室舒张末期压力容积关系的斜率、前负荷补充搏功、动脉有效弹性显著大于对照组，差异均有统计学意义；而射血时间[(36±2)ms比(45±1)ms，P=0.0001]、心输出量[(5.2±2.6)ml/min比(8.5±2.3)ml/min，P=0.0026]、心室顺应性[(0.43±0.13)μl/mmHg比(0.68±0.21)μl/mmHg，P=0.0030(1 mmHg=0.133 kPa)]、射血分数[(28±13)%比(51±11)%，P=0.0008]、耦合效率[(0.36±0.15)比(0.73±0.26)，P=0.0001]显著低于对照组，差异亦均有统计学意义。结论 本研究验证了电导导管测量小鼠右心室压力-容积数据的可能性，为健康状态或疾病状态下的右心室-肺动脉耦合机制的研究提供了方向。

压力-容积环； 肺动脉高压； 电导导管； 右心室-肺动脉耦合

肺动脉高压是肺小动脉原发病变或其他原发疾病导致的肺动脉阻力增加，最终会导致代偿失调的右心室功能衰竭，甚至死亡。近年来，肺动脉高压的预后效果仍不理想，现有治疗措施1年内死亡率约为15%[1]。虽然右心室功能是确定心肺功能的重要因素，但与左心室(left ventricle，LV)相比，对右心室(right ventricle，RV)的研究相对较少。具体而言，与LV相比，RV的力学性能尚未明确，唯一报道RV力学数据的研究基于健康犬类[2-4]、牛类[5]和鼠类[6]等动物模型的离体实验。就肺动脉高压而言，目前仅有一项鼠类的肺动脉环缩术研究论述了RV因形态重构而发生的力学与结构变化[7]。而小鼠RV-血管耦合的相关研究尚未见报道。本研究通过利用电导导管测量压力-容积环评估小鼠RV功能、肺动脉功能和RV-肺动脉血流动力学耦合，将这项技术运用于小鼠RV和肺血管研究。

1 材料与方法

1.1 动物模型制作

16只雄性C57bL6小鼠，年龄为10～12周，体重为(25.6±1.4)g。将16只小鼠随机分为实验组(n=8)和对照组(n=8)。实验组小鼠暴露在常压缺氧的环境中10 d，缺氧环境由环境控制箱制造，每周打开控制箱3次，每次10～20 min用来打扫笼子，补充食物和水，每12 h开关灯交替；对照组小鼠被安置在室内空气中自由进食、给水，每12 h开关灯交替。

1.2 手术步骤

使用戊巴比妥钠(80 mg/kg)腹腔注射麻醉，插管并放置呼吸机，使用225 L的潮气量和200次/min呼吸频率，以加热垫保持小鼠的温度为38℃～39℃。从下颌骨到剑突下剪开皮肤，打开胸骨，进入胸腔，暴露RV。

1.3 血流动力学测量

参考Pacher等[8]的操作方法，使用1.2 F导管从右颈动脉插入至升主动脉，另外再穿刺RV心尖部，用20号针头导入1.2 F压力-容积导管，使用小鼠动脉血校准导管参数。获得压力-容积的初始测量值后，分离出下腔静脉并短暂夹闭，通过改变腔静脉回流测定RV收缩末期压力和RV舒张末期压力的关系。下腔静脉闭塞限制在几秒钟内，以避免引起心搏骤停。

所有数据测量完毕后，用一个血液样品来测量血细胞比容。称重LV、室间隔(S)及RV，RV/(LV+S)用来计算RV肥大的指标。左心房(LA)、右心房(RA)也剔除并称重。

1.4 血流动力学数据分析

每一只小鼠都至少取10个连续心脏周期用于分析压力-容积数据，测得的基本血流动力学数据包括心率、舒张压、收缩压。RV功能的部分参数包括心输出量(cardiac output，CO)、射血分数、心室顺应性及动脉有效弹性(Ea)等根据血流动力学数据进行计算。心脏收缩力从3个方面来定义： 收缩末期压力-容积关系的斜率(end-systolic elastance，Ees)、前负荷补充搏功(preload recruitable stroke work，PRSW)、压力导数的最大值与舒张末期压力容积关系的斜率(dP/dtmax-EDV)。最后用Ees/Ea 计算心室血管耦合效率。

1.5 统计学分析

2 结果

2.1 两组小鼠心室重量情况比较

两组小鼠体重、RA重量/体重、LA重量/体重、(LV+S)重量/体重比较，差异均无统计学意义(均P>0.05)；而实验组小鼠RV重量/(LV+S)重量[(0.30±0.03)比(0.23±0.06)，P=0.0291]、RV重量/体重[(1.04±0.13)比(0.74±0.10)，P=0.0001]显著高于对照组，差异有统计学意义(表1)。

2.2 两组小鼠血流动力学参数及压力-容积衍生相关指标的比较

通过对小鼠腔静脉阻塞导致前负荷改变形成典型的压力-容积曲线。两组小鼠心率、主动脉收缩压、主动脉舒张压、RV舒张末期容积、dP/dtmax、Ees、dP/dtmin、松弛因子τ比较，差异均无统计学意义(均P>0.05)。实验组小鼠血细胞容积率、RV收缩压、RV舒张压、搏出功、dP/dtmax-EDV、PRSW、Ea显著大于对照组，差异均有统计学意义；而射血时间[(36±2)ms比(45±1)ms，P=0.0001]、心输出量[(5.2±2.6)ml/min比(8.5±2.3)ml/min，P=0.0026]、心室顺应性[(0.43±0.13)μl/mmHg比(0.68±0.21)μl/mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)，P=0.0030]、射血分数[(28±13)%比(51±11)%，P=0.0008]、Ees/Ea[(0.36±0.15)比(0.73±0.26)，P=0.0001]显著低于对照组，差异亦均有统计学意义(表2)。

3 讨论

本研究通过小鼠实验论证了导管同步测量RV压力与容积的可能性，得出压力-容积数据以及RV-肺动脉功能的病变。目前，尚未见同步测量小鼠RV逐次心跳的压力和容积的研究报道。

本研究测量的RV压力与既往研究类似，约25 mmHg[9-11];略高于另外几项研究的测量结果(约18 mmHg)[12-13]，RV收缩压高于后两项研究的可能因素是小鼠心率减慢所致。本研究测得的RV CO值近似于热稀释法测得的RV CO值[14]、经食管超声心动图估算的RV CO值[14]以及各种方法测得的LV CO值[15]。测量得RV舒张末期容积值与超声心动图测得的值类似[14]，但低于Rockman等[16]利用X线微血管造影术测得的值。但Rockman等使用了对比剂，静脉回流随之增加，并且心率偏低，这两种因素可能会影响RV舒张末期容积的值。在测得RV功能数据中，对照组RV收缩力替代值dP/dtmax[(2522±660) mmHg/s]高于Otto等[17]测得的值[(736±100)mmHg/s]，但Otto等测得的RV压力和心率均偏低，这可能是产生差异的原因。射血分数类似于超声心动图测得的值[14]，以及X线微血管造影术测得的值[16]。通过压力-容积分析的金指标Ees测量小鼠RV收缩力低于LV的值[18]，可能是与RV的压力较低有关。

目前，尚无小鼠肺循环Ea的相关研究。Ea包括了整个心室后负荷的主要元素，如血管末梢阻力、动脉顺应性、特性阻抗等[15]，可通过搏出功除以心室压力峰值(SW/PVP)计算[19]。已有研究表明，小鼠肺循环的Ea值比体循环系统的Ea值约小4倍[15]。在CO相同的情况下，RV压力峰值比LV压力峰值约小4倍[15]。本研究验证了这些指标。另外本研究表明收缩力增强、Ea增大、室腔顺应性减弱，导致心室与脉管系统无法耦合，说明在慢性缺氧10 d的情况下，小鼠心肌做功已经无法抵消增加的后负荷量，耦合效率降低约一半。

本研究利用电导导管检查健康和肺动脉高压小鼠，评估RV和心肺功能状态。本研究的不足之处在于电导导管测量容积并非金标准，可能会导致容积测量偏小而高估Ees等参数；另外本研究样本量较小，还需要增加样本量进一步验证结论。目前初步测得的参数与既往研究基本一致，这些发现重要在于用压力-容积环小鼠模型阐明肺动脉高压与力学和结构变化有关的规律，将这些整体变化情况进行量化分析极为重要。肺动脉高压是一种严重的疾病，其预后较差，了解并预测RV衰竭对于诊治肺动脉高压并探索更有效的治疗措施极为重要。本研究应用电导导管测量压力-容积曲线评估了右心功能和心室-肺动脉耦合关系，可将这些技术运用于转基因和剔除基因的小鼠，以评估基因因素对于RV衰竭与肺动脉高压的影响，以及传统治疗方法或新的治疗方法的疗效。

表1 两组小鼠体重和心室重量比较情况±s)

注：RV，右心室；LV，左心室；S，隔膜；RA，右心房；LA，左心房

表2 两组小鼠血流动力学参数和从RV压力-容积衍生的收缩及舒张功能指标比较±s)

注： dP/dtmax，心室内最大压力上升速度；dP/dtmin，心室内最大压力下降速度；dP/dtmin-EDV,压力导数的最大值与舒张期压力-容积关系的解率；PRSW，前负荷补充搏功；Ees，收缩末期压力-容积关系的斜率；Ea，动脉有效弹性；Ees/Ea，耦合效率；1 mmHg=0.133 kPa

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DONGNian-guo，Email：sxs_dng@163.com

Objective To study on the evaluation of haemodynamics in the normal and pulmonary hypertensive mouse hearts using pressure volume loops measured by electric catheter. Methods Compared the difference in haemodynamics between mice exposed to chronic hypoxia for 10 days, which causes hypoxia-induced pulmonary hypertension(experimental group,n=8), and mice raised under normal atmospheric pressure (control group,n=8). The right carotid artery was cannulated with a 1.2 F catheter and advanced into the ascending aorta, then punctured towards the right ventricular apex. A 1.2 F admittance pressure-volume catheter was introduced using a 20-gauge needle to obtain the pressure - volume measurements and calculate hemodynamic parameters. Results There were no significant differences in average by weight, ratio of right atrial weight to body weight, left atrial weight/body weight, left ventricular free wall and septum weight/body weight between the 2 groups(allP>0.05).The ratio of right rentricle/left rentricle and septum weight as well as right rentricular weight/body weight was increased in the experimental group and of significant difference when compared to the control.The mice in in the experimental group had a 61%mean decrease in cardiac output,a 55% decrease in ejection fraction,and a 63% decrease in ventricular compliance(P<0.05).The increase in dP/dtmax-EDVand PRSWfound in the experimental group reflected significant increase in myocardial contractility.Increase in Ees was observed but without significant difference as compared to the control.Ea significantly increased in the experimental group resulting in significant decrease in Ees/Ea from(0.71 ±0.27) to (0.35 ±0.17) (P< 0.005). Conclusion This study demonstrates the feasibility of obtaining RV pressure-volume measurements in mice using electric catheter. These measurements provide insight into right ventricular- pulmonary artery interactions in healthy and diseased conditions.

Pressure-volume loop； Pulmonary hypertension； Electric catheter； The right ventricle-pulmonary artery coupling

10.3969/j.issn.1004-8812.2017.05.006

国家自然科学基金重大项目(31330029)；武汉市中青年医疗骨干人才专项基金(201477)；武汉市晨光计划人才专项基金(2016)

430032 湖北武汉，华中科技大学同济医学院附属协和医院心外科(尚小珂、王斌、董念国)；武汉大学第二临床学院医学科学研究院(尚小珂)；武汉市第一医院ICU(卢蓉、柳梅)；湖北省妇幼保健院ICU(肖书娜)；武汉亚洲心脏病医院心外科(张长东)

董念国，Email：sxs_dng@163.com

R544.1

2016-11-07)

Assessment of right ventricular function in mice with pulmonary hypertensive by pressure-volume loopsSHANGXiao-ke,LURong,LIUMei,XIAOShu-na,WANGBin,ZHANGChang-dong,DONGNian-guo.CardiovascularSurgery,WuhanUnionHospital,TongjiMedicalCollege,HuazhongUniversityofScienceandTechnology.Wuhan430022,China