心血管重塑相关疾病教育部重点实验室

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在临床方面,购置了最先进的320排螺旋CT,通过完善数字化影像学工作站软硬件设施和数据信息库建立,可以定量分析疗效评价冠心病及主动脉瘤病变,研发早期诊断新技术,并通过其最适参数的探索和研究将其改造为适用于临床的系统。

在实验室方面,购置了超高分辨小动物超声影像系统及小动物活体成像系统,对小动物进行无创影像学检查,精确观察各种心血管疾病模型心脏结构、功能的改变以及动物体内多种组织及器官中的激活基因表达和细胞活动变化,可为心血管病理生理研究提供了工具。

具体包括:

(1)动脉无创血压检测仪

高血压是心血管疾病的重要危险因素,目前在我国发病率逐年升高。升高的血压引起心、脑、肾脏等靶器官的结构及功能改变,是高血压的最重要危害。因此,高血压模型是各种心血管疾病动物模型的基础,实现对实验动物血压精确、有效的检测,是进行相关研究的前提。

实验室已经引进的动脉无创血压检测仪(CODATM6,KENT,American),可以同时直接测量包括实验动物收缩压、舒张压、平均血压、心率、尾部血液容量和尾部血流速6道血液参数,能全面反映不同时间点实验动物的血流动力学改变,是高血压的病生理研究,及高血压新药药效学研究中必须的实验设备。多种因素,包括:环境、温度、光线及动物本身的活动,都可影响血压测量的准确性。该设备能避免上述影响因素,同时其使用方便,价格较低,操作易于掌握,具有重要的使用价值与意义。

以高血压相关研究为例,在血管紧张素II灌注小鼠、自发性高血压大鼠等高血压模型中,精确的血压测定是对模型的最佳质控标准。本平台所引进的动物无创血压检测仪可以避免多种外界因素对血压的干扰,实现血压的准确测量。同时,在各种降压药物新药研发过程中,所关注的不仅是其降低收缩压的程度,还应对新药是否反射性引起心率增快、降低舒张压及平均血压的程度,及对其他的血流动力学指标如血液流速等指标进行全面评估,而上述指标均可通过我们的平台获得。

(2)无创心电遥测系统

新药的研发是疾病研究过程中的重要一环,同时是实现科研成果转化的现实体现。在各种新药研发中,以心脏电生理毒性为主的心血管毒性,因其发病突然、后果严重而成为对新药研发的制约环节。已经证实,动物在保定(即外力使其保持静止状态)或麻醉状态下给药所得到的各种生理指标不能准确反映药物的药理和毒理过程,因此,如何获得动物清醒、自由活动状态下的生理指标对新药开发具有重要意义。

实验室已经引进的无创心电遥测系统(EMKA,France),可以实现在动物清醒、自由活动状态,对其心电图、呼吸、体温、无创血压、直接血压等生理指标的获取,同时无需进行动物外科手术,因此能获得真实、准确的各项动物生理基础指标。尤其是心电图的描计,对新药心脏电生理毒性的监测具有重要价值。

以药物对心脏电生理毒性检测为例,多种临床常用药物包括强心药(如洋地黄)、麻醉药品(如利多卡因)、降压药(如各种利尿药)等,因可影响心肌细胞,尤其是缺血心肌细胞膜离子通道,导致心脏电活动异常,引起包括室颤在内的多种恶性心律失常。临床表现为突发晕厥或猝死,具有重要危害。本平台所引进的无创心电遥测系统,通过以心电监测为主的多种生理指标记录,动态观察各种药物(尤其是新药)对心脏电生理活动的影响,包括心率、心律、P-R间期、QT间期等,为药物的安全性提供重要实验室证据。

(3)精诺真活体成像系统

炎症作为心血管疾病发病的重要病理机制,多种转录因子及炎症相关因子基因在其病理过程中呈现序贯性激活与失活、转录开启与关闭,蛋白表达的上升与下降等。因而这些炎症因子已经成为新的心血管疾病治疗的靶点。既往的病理分析、分子生物学实验等手段,须在获取组织标本的前提下进行分析,操作复杂且受小鼠来源、实验技术手段、分析材料等因素所影响。

实验室已经引进的精诺真活体成像系统(IVIS, Xenogen Corp, America):是目前唯一可以实现三维荧光和生物发光技术,采用生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)两种技术,通过活体动物体内成像系统,可以观测在不同疾病模型中目的基因在多种组织及器官,如心脏、血管、脑、肝脏等中的激活,可以活体监测疾病过程中基因水平的变化,同时也可用于病毒及细菌的感染过程、对药物治疗所产生的反应,基因治疗研究、免疫学研究、siRNA研究、干细胞研究、蛋白质相互作用研究以及分子生物学体外检测等领域。让研究人员能够观察活体动物体内的基因表达和细胞活动,是将分子及细胞生物学技术从体外研究发展到活体动物体内的强有力手段.

以心力衰竭研究为例,心衰是多种心血管疾病的终末阶段,发病率、病死率很高。如何有效的预测及治疗心衰,是目前亟待解决的科学问题。肿瘤坏死因子-α(TNF-α)在心衰的发病过程中随病情发生发展而表达升高,正常心肌不表达TNF-α。同时,已经发现包括他汀类药物在内的多种心血管药物都可以影响TNF-α表达水平。因此,采用TNF-α-luc小鼠,结合精诺真活体成像系统,可以在不同的心血管疾病模型中,对TNF-α基因活化及表达进行时间和空间的动态观察,探讨TNF-α在不同心血管疾病诱导心衰过程中的作用。以期为临床预防心衰的发生提供精准的实验室诊断依据,为临床心衰治疗提供潜在药物治疗靶点。

(4)超高分辨小动物超声影像系统

心脏作为心血管疾病的重要靶器官,其结构和功能的改变是多种心血管相关疾病,如心力衰竭、心脏纤维化、心律失常等的常见病理生理基础。动态、有效、精确观察各种心血管疾病模型中心脏结构和功能的改变,对探讨心血管疾病的病理生理过程、及为临床预防提供实验依据有重要意义。

实验室已经引进的超高分辨小动物超声影响系统(Vevo2100,Visualsonics, Canada):可对各种新生小鼠及成年鼠模型及其他小动物进行多脏器的二维超声图像采集,测量。包括:多普勒血流速度测量,心脏M型超声检测,心功能分析、血管直径的测量,解剖型心动周期重建,其他组织多普勒检测(如:大脑、肿瘤组织),心血管指标的动态数字射频输出模块可记录心肌运动,血管张力等变化,能进行动脉粥样硬化斑块的稳定性分析,M造影剂后处理软件可利用特定造影剂,在超声探头的探视下显示心肌组织缺血、坏死的位置、缺血面积的大小等各项指标,并可进行定性、定量,对缺血性心脏病的诊断、防治起到重要作用,还可进行超声实时引导注射等。

以后负荷增加引起心脏重塑研究为例,采用主动脉弓部分结扎使心脏后负荷增加,观察心脏结构及功能在这一病理过程中的改变,通过对心脏M型超声检测,观察不同时间、遗传背景或药物对各心动周期心脏房室腔径、室壁厚度、间隔厚度、心腔容积等心脏结构的影响,同时通过心功能分析,分析追踪心肌运动,量化心脏收缩及舒张功能,半自动分析胸骨长轴切面节段运动的向量大小,计算射血分数和左室重量。同时,还能通过实时成像引导精确定位注射药物,心腔取血及液体抽取等。

(5)双光子活体成像系统

疾病的发展是连续的过程,现有的多数研究手段无论在基因水平、细胞水平,或是整体水平,都无法得到病理生理过程的动态演变过程。目前采用的研究模式多是通过不同时间点对基因、蛋白、细胞、及组织的断点分析,推断疾病发展的病生理过程。

实验室已经引进的双光子活体成像系统(Two-photon intravital microscopy),可在活体中动态观察细胞增殖、分化,细胞间相互作用,活细胞离子通道状态,微血管系统中的血小板活化及血栓形成过程的成像系统,同时对深部组织活体观察具有极大的优越性,国内尚未见应用。而对这些生理过程的动态同步记录,将对深入理解及探讨疾病的发病过程有重要意义。

以动脉粥样硬化为例,冠状动脉粥样硬化斑块破裂是冠心病的病理生理基础。炎症反应在斑块破裂中的作用今年来成为研究热点。以课题负责人所在研究组引进的多种炎症相关转基因敲除鼠为基础,复制动脉粥样硬化模型,结合本平台引进的双光子活体显微镜系统,观察不同目的基因在斑块稳定性及斑块破裂中的作用,为冠心病的预防提供依据,为冠心病的治疗提供新的稳定斑块治疗靶点。

(6)M2高性能紧凑型MRI成像系统

以色列Aspect Imaging公司的M2™高性能紧凑型MRI系统是一款主磁场强度1-Tesla的高分辨率小动物MRI系统,M2™系统小巧、轻便无边缘磁场,因此无需专用特殊场地、屏蔽、维护和供电,即可绝对安全方便地安装在常规实验室、普通实验台上或与其他任何影像系统相邻,完全无需任何特殊外围防护/屏蔽措施或其他操作规程限制。操作流程简洁易用,基于“开源架构”的操作软件可使用户快速定制扫描序列和复杂多阶的扫描程序,便于研究人员快速开展高通量MRI研究,并且获取2D/3D精确量化数据。

利用该系统平台,开展了小动物在体、离体和体外研究,包括:高分辨率3D解剖学、血管造影成像,检测血流灌注异常等方面。还计划进行分子水平、功能性和多模态影像,以及肿瘤生长和转移、肿瘤标志物分子检测、肿瘤血管新生等研究。

(7)Vevo2100超高分辨率小动物超声系统升级

升级的探头对小型实验动物的血管成像进行了优化,也可以对微小的肿瘤进行清晰成像,以及对脏器进行清晰成像。

升级的实验动物平台用于实验动物的放置、固定、定位和体表温度保持;以及生理监控和处理。与高级生理监控器 (VS-20000) 配套使用,可以准确监控/输出多组生理数据。

升级的成像功能模块可以对心肌运动进行综合整体量化分析和评价,以及与其它成像模式如彩色多普勒,能量多普勒和造影成像结合,从而构建三维图像。

升级的左室功能高级分析软件包含改良的左室功能分析功能,可在多种(B/M等)模式下实现左室室壁的自动追踪,准确实现心动周期内左室室壁运动轨迹/边界位置的精确跟踪和定位;可自动实现室壁厚度、间隔、室腔容积/质量、射血分数EF、心排量CO/每搏输出量SV等多种生理参数的精确计算;在B/M型超声模式可以连续测量容积数据,并与血压数据整合,自动生成连续准确的PV- LOOP曲线,进行准确压力-容积变化分析。已经利用升级后平台,开展对模型小鼠的心脏功能检测工作。

(8)Cellvizio LAB 探头式在体荧光显微镜系统

可用于小动物在体成像实验,系统的探头分辨率高,工作深度深,可用于分辨细胞形态,血管成像,深层/多层细胞成像。配套的血管影像分析模块可以实现自动的血管影像分析。该软件可以帮助研究人员得到血管的直径、总长度、总面积、功能性血管密度等数据,实现在体追踪肿瘤血管新生过程及抗-肿瘤药物的治理效果。配套的视野拼接模块可以将自动进行图像处理,将一系列连续视野的图像拼接到一起,合成更大视野范围的图像,可用于大范围的血管成像、外周神经束成像等。该系统已被本实验室用于cuff模型的颈动脉检测中。

(9)Pressure Myograph System微血管压力直径测定仪

又名压力肌动图记录系统,通过两根玻璃插管插入血管两端,通过控压装置使血管加压,使其接近正常生理状态。通过显微摄像系统及图像分析控制软件,实时监测血管的壁厚,直径等参数。

该系统主要用于血管、微血管药理学研究,在近似生理条件下进行药理学血管评估,监测血管直径、血管壁厚、血管压力和纵向力。药物反应和外周神经刺激作用,压力和直径关系等都能够量化。另外结构特征如血管横截面积也能够量化。微血管两端固定在微小的玻璃中空管上,实验中调节血管内的压力到正常体内压力的水平。目前已经将该系统应用到离体血管张力的检测当中。

(10)小动物血压心电系统

北京软隆生物技术有限公司生产的BP2010A可以为测量大/小鼠创造一个适温,低干扰的环境,运用红外线传感技术精确地检测脉搏振动波,准确测量大鼠与小鼠的心率、收缩压、平均压,并自动通过计算得到舒张压。测量的重复再现率非常高。自动判断测量鼠血压的变化,进入可测量状态时自动开始测量。并能根据设定的次数自动进行多次测量,计算测量的心率、收缩压、平均压以及舒张压的平均值。该系统已经广泛应用于实验室各动物模型的血压测定中。

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