C57BL/6小鼠出生至成年期心脏发育的前瞻性超声心动图特征描述：心肌应变分析

《Physiological Reports》：Prospective echocardiographic characterization of postnatal cardiac development in C57BL/6 mice: Strain analysis between birth and adulthood

　　

超声心动图对于表征心血管疾病小鼠模型至关重要，然而出生后早期阶段的规范性数据，特别是心肌应变等高级功能指标，仍未明确。该发育窗口期以心脏快速成熟为特征，是先天性及新生儿心脏病建模的核心环节。为建立出生至成年期间心脏结构与功能的规范性、性别特异性变化轨迹，研究人员在C57BL/6小鼠出生后第0天（P0）、第8天（P8）、第21天（P21）及第8周（Wk8）实施了前瞻性高频超声心动图检查。体质量增长与左心室结构尺寸自P0至Wk8进行性增加。这一结构成熟伴随射血分数与缩短分数的降低，归因于几何重塑。相比之下，斑点追踪应变分析显示，内在心肌变形能力（包括整体圆周应变与径向应变）在整个出生后发育过程中保持稳定。重要的是，研究人员发现了在青春期后期出现的性别二态性；至Wk8时，雄性小鼠的纵轴向与径向应变幅度显著大于雌性。本研究首次提供了基于心肌应变的、从出生至成年小鼠心脏发育的前瞻性超声心动图特征描述，并将P21至Wk8确定为由性别影响心脏力学的关键窗口期。这些规范性轨迹为解读先天性、儿科及发育性心血管疾病临床前模型的心脏表型提供了转化研究框架。

**研究背景与意义**
小鼠因其遗传可操作性、生命周期短及与人类健康的转化关联性，已成为现代生物医学研究尤其是心血管领域的核心模式生物，其心脏发育序列与人类高度相似。超声心动图作为无创、实时成像平台，能够全面评估心脏形态与功能，具备参数丰富、时间分辨率高、成本低等优势；高频超声系统可在心率400—600次/分的条件下实现高时空分辨率的活体成像。斑点追踪技术的进展进一步使应变分析成为可能，该指标可敏感反映常规B型或M型成像难以捕捉的固有心肌变形异常。然而，成年小鼠的超声心动图参考数据虽然丰富，出生后早期阶段的前瞻性规范数据却严重缺乏。胎儿期心脏功能虽然已有在子宫内超声评估的先例，但这些数据无法延伸到出生后即刻；从孕晚期至新生儿早期的过渡伴随着心室壁增厚、腔室重塑及收缩舒张功能成熟等快速非线性变化，因此胎儿或成年阶段的参考值不能直接用于新生儿或幼年期，可能导致表型严重度或治疗效果的误判。为满足遗传修饰疾病模型中基线值对照、多时间点疾病进程追踪及治疗干预效果动态监测的需求，并减少动物使用量与研究成本，本研究旨在系统表征C57BL/6野生型（WT）小鼠从出生（P0）至成年（Wk8）不同发育时间点的经胸超声心动图测量值及衍生参数，涵盖B型、M型、多普勒及心肌应变等多种模式，建立年龄与性别分层的规范性参考轨迹。

**研究内容概述**
研究人员采用前瞻性纵向设计，对3窝共计30只C57BL/6小鼠（Jackson Laboratories来源）于P0、P8、P21及Wk8四个时间点进行系列高频超声心动图检查。研究发现体质量、左心室内径与室壁厚度等结构参数随发育持续增长；射血分数（EF）与缩短分数（FS）呈进行性下降；而斑点追踪应变分析显示整体环向应变与径向应变保持稳定；性别分层分析则揭示了青春期后期出现的性激素相关心脏力学差异，雄性在Wk8时表现出更高的纵轴向与径向应变幅度。上述发现确立了P21至Wk8为性别特异性心脏力学发育的关键窗口期。

**主要技术方法**
该研究使用VisualSonics Vevo F2超声系统，P0—P21采用UHF71x（71—30 MHz）探头，Wk8采用UHF57x（57—25 MHz）探头。成像模式包括胸骨旁长轴（LAX）与短轴（SAX）B型、M型、脉冲波多普勒、组织多普勒成像（TDI）及斑点追踪应变分析。左心室容积基于Teichholz公式由M型数据计算，应变分析采用Vevo Strain 2.0软件在LAX B型图像上进行心内膜与心外膜边界追踪，量化心肌及心内膜整体环向应变（MyoGCS、EndoGCS）、整体纵轴向应变（MyoGLS、EndoGLS）及整体径向应变（GRS）。统计方法包括单因素重复测量方差分析（ANOVA）、Friedman检验、线性混合模型、双因素混合ANOVA及Bland–Altman分析。P0时因心脏极小及声窗限制，未进行多普勒、应变及右心室（RV）评估。所有操作均经布里格姆妇女医院（BWH）机构动物护理与使用委员会批准（protocol 2016N000278）。

**3.1 出生后发育过程中的系列超声心动图评估**
共30只野生型C57BL/6小鼠（雄性13只，雌性17只）完成了全部时间点的超声心动图检查。体质量从P0的1.25±0.08 g增加至Wk8的20.79±2.27 g（p<0.001）。心率从P0的325±35次/分升至P8的475±39次/分，随后在P21与Wk8略有回落并稳定（416±33、441±39次/分）。左心室舒张末期内径（dLVD）从1.52±0.15 mm增至3.72±0.19 mm（p<0.001），收缩末期内径（sLVD）从0.98±0.14 mm增至2.54±0.32 mm（p<0.001）；前壁与后壁厚度在舒张期和收缩期均显著增加（p<0.001）。左心室舒张末期容积（LVEDV）从6.39±1.48 μL增至59.22±7.22 μL，收缩末期容积（LVESV）从2.03±0.66 μL增至23.92±7.36 μL（均p<0.001）。每搏输出量（SV）从4.36±0.93 μL增至35.31±3.76 μL，心输出量（CO）从1.43±0.38 mL/min增至15.58±2.31 mL/min（均p<0.001）。左心房收缩末期面积与舒张末期面积自P8至Wk8进行性增加（p<0.001）。

**3.2 体质量增长与结构性心脏成熟**
体质量在每个相邻时间点之间均显著增长。LVEDV、LVESV及室壁厚度随体质量同步增加，反映出生后心脏腔室的生长性扩张。体质量标化的左心室质量指数（LVMi）从P0至P8升高，在P21维持较高水平，至Wk8回落至接近出生后期数值。心率呈特征性发育模式：先于P0至P8期间急剧上升，随后在P21部分下降并直至Wk8保持稳定。

**3.3 射血分数在出生后发育期间下降**
左心室射血分数从P0的69±5%持续下降至Wk8的60±8%（p<0.001）；缩短分数也呈现类似下降趋势（p=0.017）。Bland–Altman分析显示SAX M型与LAX B型来源的EF存在?12.3%的系统偏差（95%一致性界限：+2.9%至?27.4%），证实M型在所有发育时间点均系统性高估射血分数。

**3.4 舒张功能随出生后发育而变化**
二尖瓣多普勒参数表现出明确的年龄相关性改变。早期充盈速度（E）与晚期充盈速度（A）均随年龄显著增加（p<0.001），E/A比值在P8达到高峰后略有变化并趋于稳定。瓣环组织多普勒速度（e’、a’）和收缩期瓣环速度（s’）从P8至Wk8进行性增加（p<0.001）。主动脉射血时间（AET）保持相对稳定，等容收缩时间（IVCT）轻度延长（p=0.023），等容舒张时间（IVRT）呈下降趋势但未达统计显著。左心房面积持续增加，左心房面积变化分数（LA FAC）存在显著时间变异但无恒定方向趋势。

**3.5 右心室功能成熟**
三尖瓣环收缩期位移（TAPSE）从P8的0.40±0.06 mm进行性增加至Wk8的0.78±0.12 mm（p<0.001），反映右心室纵向收缩功能随发育增强。

**3.6 应变分析揭示心肌力学的选择性成熟**
斑点追踪应变分析显示，大部分固有心肌变形指标包括心肌及心内膜整体环向应变（MyoGCS、EndoGCS）和整体径向应变（GRS）在发育期间保持稳定。相反，心肌整体纵轴向应变（MyoGLS）显著增加（数值更负），从P8的?8.79±2.64%变为P21的?11.88±2.38%（p<0.001），此后维持在相似水平。这表明在腔室扩大和几何重塑的同时，心肌固有的收缩变形能力整体得以保留。

**3.7 性别二态性在出生后晚期出现**
性别分层分析显示，体质量在Wk8之前无显著性别差异，至Wk8时雄性显著重于雌性（22.75±0.84 g vs.18.82±1.28 g；p<0.001）。双因素混合ANOVA显示，每搏输出量（p=0.043）和收缩期瓣环速度s’（p=0.002）存在显著的Time×Sex交互作用。多个应变参数呈现性别二态性轨迹：心内膜整体纵轴向应变（EndoGLS）与整体径向应变（GRS）的Time×Sex交互作用显著（p<0.05），MyoGLS的交互作用呈边缘显著（p=0.067）。在Wk8时，雄性小鼠的纵轴向应变（EndoGLS：?17.82±3.99% vs.?12.90±3.09%；MyoGLS：?12.24±2.53% vs.?9.96±2.06%）和径向应变（GRS：65.32±21.91% vs.41.51±20.07%）幅度均显著大于雌性（p<0.05）。常规M型参数、多普勒参数及TAPSE未见显著Time×Sex交互作用。

**4 讨论总结与结论**
本研究首次提供了从出生到成年基于心肌应变的C57BL/6小鼠超声心动图规范参考轨迹。结构成熟伴随几何重塑以及EF和FS的下降，但整体环向与径向应变保持稳定，表明内在心肌收缩力在出生后早期已经建立并贯穿成熟过程，这与已知的钙处理及肌节蛋白成熟时间线一致；舒张功能参数随年龄进行性增加，反映了出生后代谢向脂肪酸氧化转变和兴奋-收缩偶联效率的成熟。性别差异在P21至Wk8之间突显，雄性表现出更高的纵轴向及径向应变，与性激素相关肌细胞收缩力的已知性别差异相符，且该现象与青春期雄激素升高时间吻合；这一模式与人类通常女性应变更高的情形相反，可能源于肌球蛋白重链亚型、心率及年龄相关动态差异等物种特异性因素。技术注意事项包括维持新生鼠正常体温、注意M型取样线放置、采用盲法分析以及认识Teichholz公式的几何假设局限。局限性包括麻醉影响血流动力学、数据仅来自Jackson Laboratories的C57BL/6品系、容积参数基于M型计算，以及P0时因成像限制无法获得应变和多普勒数据。总之，这些年龄与性别分层的参考值可为先天性、儿科和发育性心血管疾病的临床前模型提供转化研究基准。