应变及应变率分析对代谢综合征大鼠心脏收缩功能的评估及相关研究

摘要

第一部分基于普通SD大鼠代谢综合征模型的建立
　　 背景和目的:
　　 代谢综合征是多种因素导致的以胰岛素抵抗为特征,包括糖耐量减低、高甘油三酯血症、高密度脂蛋白胆固醇降低、高血压、肥胖等的一组临床综合征,与心血管疾病发生密切相关。代谢综合征的发病机制尚未明确。基因遗传、环境因素、不良生活方式等均可导致代谢综合征的发生。因此有必要建立代谢综合征动物模型进行相关实验和研究,以探讨其发病机制及与预后。
　　 由于异常复杂的病理生理机制,代谢综合征动物模型的建立存在相当的困难,不易成模且难以体现代谢综合征各个方面的病理生理特征。现有的大鼠模型包括遗传性模型、转基因和基因敲除模型、环境因素诱导模型以及药物诱导模型等。每一类型的模型虽然可以体现代谢综合征的部分特征,但均存在一定程度的缺陷及不足之处。从代谢综合征多基因影响的本质来说,应当从其可能的发病机制多方入手,才能建立一种适当的模型来反映其全面的病理生理特点。因此,本实验以普通SD大鼠为基础,采用生活方式干预联合小剂量药物干预的方式,诱导建立代谢综合征动物模型。
　　 方法:
　　 16只6周龄雄性SD大鼠,随机分为代谢综合征模型组及对照组8各只。适应性饲养1周,禁食14小时后模型组尾静脉注射链脲佐菌素(15mg/kg),继续禁食6小时后给予高脂、高盐饲料饲养,并给予含0.02％N'-硝基-L-精氨酸甲酯盐酸盐、10％葡萄糖的饮用水；对照组给予标准动物饲料,并给予蒸馏水饮用。共饲养6周,于实验开始及结束时测定大鼠的体重、空腹血糖、胰岛素、血浆甘油三脂、总胆固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、糖耐量及血压水平,计算稳态模型胰岛素抵抗指数。空腹血糖及甘油三酯、总胆固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白的检测使用全自动生化分析仪测定。OGTT实验在大鼠过夜禁食后使用20％葡萄糖溶液按2mg/100g灌胃,使用血糖仪测定0,15,30,45,60,90,120分钟时的血糖水平,计算糖耐量曲线下面积。空腹胰岛素测定使用双抗体夹心酶联免疫吸附法。应用SPSS17.0统计学软件包进行数据的统计学处理:计量资料以均数±标准差((x)±s)表示。独立对照的前后测量数据使用重复测量资料的方差分析进行比较。P<0.05为有统计学意义。
　　 结果:
　　 1.体重。饲养6周后,代谢综合征模型组与对照组比较,体重变化有显著差异,模型组体重增加显著高于对照组(F=11.406,P=0.005)。
　　 2.空腹血糖、胰岛素水平及稳态模型胰岛素抵抗指数。饲养6周后,模型组与对照组比较,空腹血糖水平的改变无统计学差异(F=0.035,P=0.855)。空腹胰岛素水平及稳态模型胰岛素抵抗指数的改变有统计学差异,模型组空腹胰岛素水平及稳态模型胰岛素抵抗指数显著高于对照组(F=12.232,P=0.004:F=11.966,P=0.004)。
　　 3.OGTT水平。饲养6周后,模型组与对照组比较,OGTT实验曲线下面积的改变有统计学差异,模型组曲线下面积显著高于对照组(F=8.717,P=0.010)。
　　 4.血酯水平。饲养6周后,模型组与对照组比较,血浆甘油三酯、总胆固醇及低密度脂蛋白水平的改变有统计学差异,模型组甘油三酯、总胆固醇及低密度脂蛋白水平的升高显著高于对照组(F=5.525,P=0.034；F=17.096,P=0.001；F=21.458,P=0.000)。模型组与对照组比较,高密度脂蛋白水平的改变无统计学差异(F=0.057,P=0.815)。
　　 5.血压水平。饲养6周后,模型组与对照组比较,收缩压及舒张压水平的变化有统计学差异,模型组收缩及压舒张压显著高于对照组(F=17.678,P=0.001；F=10.755,P=0.005)。
　　 结论。
　　 1.小剂量链脲佐菌素联合高糖、高脂饲养可以诱导大鼠血糖代谢紊乱；
　　 2.高糖、高脂饲养可以诱导大鼠血脂代谢紊乱；
　　 3.高糖、高脂饲养可以诱导大鼠体重的增加以及肥胖；
　　 4.小剂量N'-硝基-L-精氨酸甲酯盐酸盐联合饮食干预可以诱导大鼠血压的升高；
　　 5.本实验方法建立的大鼠模型较为全面的反映了代谢综合征的临床特征。
　　 第二部分应变及应变率分析对代谢综合征大鼠心脏收缩功能的评估及相关研究
　　 背景和目的:
　　 对代谢综合征心脏功能的研究目前集中于舒张功能的改变,尤其是早期舒张功能的改变。而动物以及临床研究均未发现其心脏收缩功能的明显改变,这可能与研究中使用的心脏收缩功能检测手段的敏感性不高有关。因此采用一种更加敏感的方法检测代谢综合征心脏收缩功能的改变具有十分重要的意义。二维超声成像点追踪应变及应变率分析对左心室功能的评估不依赖于左室容量,能够检测左心室在收缩、射血、舒张、充盈以及扭转等状态下的收缩变形能力,并且能够检测不同节段心肌的收缩变形能力,对心功能的评估具有更高的敏感性,可能更适于代谢综合征早期心脏收缩功能的检测。但目前在代谢综合征中使用应变及应变率分析对心脏功能检测的研究很少,有必要进行相关研究以探讨其对代谢综合征心功能变化检测的诊断意义。
　　 心外膜脂肪具有活跃的内分泌功能,可能通过旁分泌以及内分泌途径对心脏的功能产生影响,但并未得到充分的研究,对它与心脏功能关系的了解仍然有限。而肥胖是代谢综合征的关键特征之一,尤其是内脏型肥胖。在此种情况下,心外膜脂肪也可能出现堆积及质量增加,并对心脏功能产生一定的影响。因此,有必要对代谢综合征中心外膜脂肪组织进行相关研究,以探讨其是否与心脏功能的改变有关系以及可能的病理生理机制。
　　 针对目前应用二维成像点追踪应变及应变率分析对代谢综合征心脏收缩功能评估的研究的缺乏以及对心外膜脂肪对心脏功能影响的认识的有限,本实验拟采用此项技术检测代谢综合征大鼠心脏收缩功能,评估其心脏收缩功能的改变；同时探讨心外膜脂肪对心脏功能的影响及可能机制。
　　 方法:
　　 1.动物分组、饲养及代谢综合征相关特征指标检测。见第一部分。
　　 2.心脏超声检测。使用Vevo(R)2100彩色多普勒小动物超声诊断仪,选用16MHz高频探头获取大鼠胸骨旁短轴左室乳头肌水平切面,清晰显示左心室内外膜轮廓,记录三个完整心动周期的二维图像,转换至M超模式,获取左室短轴乳头肌水平前壁与后壁图像,以上图像存盘后脱机后分析。在M模超声图像上测量左室舒张末期、收缩末内径,左室前壁及后壁厚度,应用Teichholtz公式计算左室射血分数。左心室收缩期周向应变及应变率分析采用美国心脏超声学会推荐的16节段法将左室乳头肌水平短轴二维图像分为前间隔、前壁、侧壁、后壁、下壁及后间隔6个节段,分析每个心动周期所收集到的至少14帧高帧频二维图片(帧频=100帧/秒),使用系统软件进行数据分析。选取清晰图像,定帧于收缩末期,手动勾画左室心内膜边缘。软件自动包络心肌全层并追踪心肌组织运动。系统可以自动分析每个左室节段心内膜、心外膜的周向应变及应变率,自动计算出追踪成功节段的应变及应变率曲线及相关参数测量应变曲线上的收缩峰值应变、应变率曲线上的收缩期峰值应变率。整体周向应变/应变率为短轴乳头肌平面六个节段应变/应变率的平均值。取三个独立心动周期整体周向应变/应变率的均值评估左心室收缩功能。
　　 3.心脏、左心室及心外膜脂肪组织的分离。实验第6周,完成各指标检测后,隔夜禁食后麻醉大鼠,沿两侧肋弓剪开皮肤后沿胸骨打开胸腔,暴露心脏,分离出心脏及心外膜脂肪组织,称重。进一步分离出左心室,称重。取部分心肌组织4％甲醛固定后石蜡包埋切片,染色观察心肌形态学并进一步行免疫组化分析。留取部分心外膜脂肪组织行全基因组表达谱芯片扫描分析。
　　 4.统计学分析。应用SPSS17.0统计学软件包进行数据的统计学处理。计量资料以均数±标准差((x)±s)表示。两组独立样本组间均数比较采用t检验,方差不齐时采用t’检验。独立对照的前后测量数据使用重复测量资料的方差分析进行比较。两变量间的相关分析采用线性相关分析,采用Pearson法,并进一步行偏相关分析。P<0.05为有统计学意义。
　　 结果:
　　 1.两组组大鼠饲养6周时的特征。具体结果见第一部。
　　 2.M模超声左心室结构及收缩功能评估。饲养6周后,代谢综合征模型组与对照组比较,左心室前壁舒张末厚度、收缩膜厚度的改变均有统计学差异,模型组左心室前壁舒张末厚度、收缩膜厚度的增加均显著高于对照组(F=5.427,P=0.035；F=5.467,P=0.035)；左心室舒张末内径的改变有统计学差异,模型组左心室舒张末内径的减小显著大于对照组(F=14.416,P=0.002),而左心室收缩末内径的改变无统计学差异(F=4.317,P=0.057)；左心室后壁舒张末厚度及收缩末厚度的改变亦均有统计学差异,模型组左心室后壁舒张末厚度及收缩末厚度的增加均显著高于对照组(F=8.999,P=0.010；F=14.613,P=0.002)。与对照组比较,模型组左心室射血分数无显著改变(F=0.265,P=0.615)。
　　 3.左心室内膜收缩期周向应变及应变率。饲养6周后,与对照组比较,模型组左心室内膜收缩期周向应变及应变率的改变无统计学差异(F=0.574,P=0.461:F=0.370,P=0.553)。
　　 4.左心室外膜收缩期周向应变及应变率。饲养6周后,模型大鼠左心室心外膜收缩期周向应变及应变率均显著小于对照组(F=8.797,P=0.010:F=6.917,P=0.020)。
　　 5.左心室心内膜、心外膜收缩期周向应变及应变率的比较。0周及6周时,两组大鼠左心室内膜收缩期周向应变均显著高于外膜(t=-18.421,P=0.000；t=-6.883,P=0.000；t=-9.0431,P=0.000；t=-7.791,P=0.000),而应变率亦显著高于外膜(t=-13.028,P=0.000；t=-5.827,P=0.000；t=-8.182,P=0.000；t=-7.675,P=0.000)。
　　 6.心脏、左心室及心外膜脂肪质量。6周时,代谢综合征模型大鼠心脏质量、左心室质量与对照组比较均无显著性差异(t=0.266,P=0.794；t=1.878,P=0.081),而心外膜脂肪质量显著高于对照组(t=2.803,P=0.014)。
　　 7.左心室收缩期周向应变及应变率与心外膜脂肪的相关性。合并两组大鼠6周时收缩期左心室周向应变、应变率等数据,Pearson直线相关分析显示,心外膜脂肪质量与心外膜收缩期周向应变及应变率均呈显著正相关(r=0.679,P=0.004；r=0.712,P=0.002),而与心内膜收缩期周向应变及应变率均不相关(r=0.223,P=0.406；r=0.209,P=0.438)。校正体重、空腹血糖、甘油三脂、总胆固醇、高密度脂肪蛋白、低密度脂蛋白、糖耐量水平及血压指标后,偏相关分析显示心外膜脂肪质量与心外膜周向应变及应变率均无显著相关性(r=0.014,P=0.979；r=0.369,P=0.471)。
　　 8.左心室病理形态及免疫组化分析结果。实验结束时,代谢综合征模型大鼠与对照比较,心外膜及心内膜心肌形态均未出现显著差异,而模型大鼠心外膜与心内膜比较心肌形态亦无显著改变。免疫组化的结果显示,模型大鼠心外膜与心内膜比较,胶原蛋白-Ⅰ、胶原蛋白-Ⅲ的表达均未表现出显著差异。模型大鼠与对照比较,心外膜及心内膜胶原蛋白-Ⅰ、胶原蛋白-Ⅲ的表达亦均未出现显著差异。
　　 9.心外膜脂肪差异表达基因。心外膜脂肪全基因组表达谱芯片扫描的结果显示,心外膜脂肪中在心肌肥厚、心肌收缩功能调节通路上以及与脂肪细胞因子、脂肪储存相关的基因存在差异表达。
　　 结论:
　　 1.代谢综合征大鼠左心室出现显著肥厚,发生了重构；
　　 2.代谢综合征大鼠出现早期心肌肌层特异性的左心室收缩功能障碍；
　　 3.代谢综合征大鼠左心室外膜收缩功能障碍与心外膜脂肪密切相关；
　　 4.二维超声点追踪应变及应变率分析检测代谢综合征大鼠心脏收缩功能较左室射血分数敏感。
　　 5.心外膜脂肪中相关差异基因表达产物可能是代谢综合征大鼠心外膜心肌收缩功能的重要调节因素。