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摘要

右心室衰竭(RVF)是肺动脉高压(PH)发病率和死亡率的重要原因。RV的力学行为被认为是其生理功能的基础;然而，RV组织生物力学和器官功能之间的联系仍然是一个关键的知识鸿沟。我们假设右心室的被动弹性与其在活的有机体内函数。在本研究中，我们利用改良的绵羊肺动脉收缩模型，研究了健康绵羊和PH羊RV的组织力学和生理功能之间的关系。在活的有机体内通过超声心动图和血液动力学测量检查RV功能，并通过RV被动弹性测量体外equibiaxial机械测试。我们观察到PH羊右心室纵向刚度显著增加，从而改变了其各向异性特性。这种弹性与长轴舒张末期或收缩期末期直径/面积显著相关。我们进一步观察到，在流出道(纵向)方向上，低应变弹性模量与加速度时间、高应变弹性模量与减速时间存在相关性。这些发现有力地说明了右心室被动力学特性在器官功能中的关键作用。

关键字

心脏力学，刚度，肺动脉高压，压力过载，RV功能障碍

介绍

右心室失败（RVF）显着促进各种心血管疾病的死亡率和发病率，包括肺动脉高压（pH），先天性心脏病和留下的射血馏分[1-5]。RV自由壁的生物力学特性被认为在其器官功能中发挥作用[6,7]，并且最近的啮齿动物研究报告了无源弹性模量与RV的末端舒张体积之间的相关性[8]，后者通常被用作RV功能的指标[9]。这是第一项研究，直接将RV组织力学与临床相关的血液动力学指数相关联，导致新的观点将心室生物力学与器官功能联系起来推进RV失效的生物力学机制的理解。但是，全面了解RV生物力学特性的作用在活的有机体内功能仍然是一个关键的知识鸿沟。

本研究旨在探讨右心室组织力学性能与血管张力的关系在活的有机体内健康和高血压成年人的功能我们假设右心室被动弹性与其在活的有机体内函数。使用RV失效的大型动物模型，我们观察了RV弹性特性与生理功能之间的相关性，我们的研究结果提出了对慢性压力过载的RVF的生物力学机制的深化洞察力。

材料和方法

绵羊肺动脉高压模型与右心室衰竭的发展

所有动物作品都得到了科罗拉多州立大学动物保护和使用委员会(IACUC#17-7590A)的批准。本研究共招募6只PH绵羊和3只年龄匹配的健康绵羊。选择绵羊进行这项研究是因为绵羊的解剖和生理结构比小[10]更接近人类。用我们最近建立的动物特异性肺动脉收缩模型[11]诱导8月龄公羊和母羊的PH。简单地说，在肺动脉主干周围放置一个可调节的液压封堵器(uss - port 12x14 mm, Norfolk Vet Products, IL)以提高肺动脉压力。每只动物的收缩程度由注射盐水的数量决定，以提高右心室的收缩压，与相同动物的左心室(LV)相当。慢性压力超负荷维持了11-20周，因此不同阶段的右心室衰竭包括在这些PH羊。

在体内功能测量中

在Euthanasia之前，RV血液动力学和功能测量是通过在唤醒动物的GE生动（GE Healthcare，Chicago，IL）上的2.5 MHz传感器，然后通过RV导尿管（7 FR Swan Ganz导管（Edwards Lifesciences）之前进行血流动力学和功能测量在麻醉的动物中的公司，Irvine，加利福尼亚州。RV收缩压（RVSP），行程量（SV），心输出（CO），三尖瓣环形平面收缩偏移（Tapse），分数缩短（FS），加速时间（AT），获得减速时间（DT）和喷射时间（ET）[11]。测量舒适的末端舒张和末端收缩阶段的RV直径和区域。通过富尔顿指数测量RV肥大，这是湿法的比率组织重量计算为RV /（LV + S），其中LV是左心室，S是隔膜[12]。

体外力学试验及数据分析

在牺牲的四个小时内，将RVS解剖并浸入冰上的生理盐水溶液（PBS）中。由于健康的RV是薄的，几乎整个自由壁在去除小梁后用于机械测试;但在患病的RVS中，中壁用类似的健康RV厚度切成切片并用于机械测试。为了获得双轴力学性能，RV的流出道（OT）方向被定义为测试轴中的纵向。最小的样品纵横比为3：1（长度：厚度）来接近平面应力条件，切割十字形部分（中心方形区域为25mm×25mm×3mm）以产生更多均匀应变分布和最小化双轴试验中的剪切菌株[13,14]。用尺子和卡钳分别用于测量组织尺寸和厚度。

然后对组织进行等双轴拉伸力学试验，或在室内空气中定期喷洒PBS溶液以保持组织湿润，或在26-37°C下浸泡心脏停搏液(CPS)和30 mM的2,3-丁二酮单肟(BDM)。我们补充的实验数据证实，这些测试条件之间的应力-应变曲线没有显著变化(图1)。采用石墨粉(AGS, MI)通过数字图像相关进行应变表征。在测试过程中，使用数码相机(尼康)以每秒1帧的速度拍摄图像。采用基于matlab的数字图像相关程序对组织变形进行分析。两个250磅容量的测压元件(Honeywell Sensotec, Columbus, OH)用于获取力。使用自定义LabVIEW代码来控制执行器并记录数据[13]。

图1。比较了不同试验条件下的平均应力-应变曲线。(A-B)分别为纵向和周向应力-应变曲线。N = 3。

安装完成后，施加小预紧力(~0.1 N)确定零应力结构，然后进行15次等双轴试验，包括预适应循环(以15 mm/min的拉伸速率，~25%的最大拉伸)。假设组织为不可压缩[15]，剪切变形可以忽略不计，然后使用加载曲线的最后一个循环生成柯西应力-格林应变曲线，以分析RV的力学性能，如前所述[15]。我们无法在一只对照羊和一只PH羊中获得完整的机械数据。从应力-应变曲线上，用低应变和高应变范围的弹性模量(EM)量化RV被动刚度(或弹性)，分别为[8]。

统计及相关分析

除EM通过QQ图(GraphPad (v8.0.2))确定为正态分布外，其余数据均采用非参数统计分析。采用Pearson相关分析研究组织力学性能与RV功能指标(Microsoft Excel)的相关性。所有数据均以平均值±SEM表示。P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

右心室几何形状和血流动力学功能随PH的变化

表1总结了单个右心室几何形状和血流动力学功能的结果。与CTL组相比，PH组RVSP显著升高，SV和CO显著降低(p<0.05)。与CTL组相比，PH也导致AT有下降趋势(p=0.07)， DT、ET和AT/ET比值显著升高(p<0.05)。最后，随着PH值的增加，RV明显肥厚(p<0.05)。这些结果表明在PH动物中成功地诱导了右心室压力过载和建立了右心室失败。

表1。单个血流动力学，绵羊RV的结构和功能测量。CTL：对照组，pH：肺动脉高压组。RVSP：右心室收缩压，SV：行程量，CO：心输出;Tapse：Tricuspid环形平面收缩偏航，FS：分数缩短，AT：加速时间和ET：喷射时间。/：无法获取数据。*：P <0.05 VS CTL组。

样本	RVSP （mmhg）	SV (毫升)	CO. (毫升)	TAPSE (毫米)	FS (%）	在 (毫秒)	等 (毫秒)	DT (毫秒)	在/等	富尔顿指数(%)
CTL1	22.7	96	9．2	19	/	94	231	137	0．41	28.8
CTL2	23.8	99	13.3	21	/	73	160	87	0.46	29.5
CTL3	21.7	130	11.6	28	/	68	198	130	0.34	27
均值±扫描电镜	23±1	108±11	11±1	23±3	/	78±8	196±21	118±16	0.40±0.03	28±1
PH1	35	69	6.5	17	32.7	/	321	/	/	43．9
PH2	51	65	5.9	20.	11.1	69	335	266	0.21	46
PH3	45	83	9.4	22	/	59	237	178	0.25	39.2
PH4	42	39	3．8	25	35.9	62	271	209	0．23	58.8
PH5	28	56	5．6	22	11.9	67	360	293	0.19	58.2
PH6	51	47	3．9	20.	27	44	278	234	0．16	64.1
均值±扫描电镜	42±4 *	60±7 *	6±1 *	21±1	24±5	60±4	300±19 *	236±20 *	0.21±0.02 *	52±4 *

右心室被动弹性随PH的变化

图2展示了从控制和PH羊获得的RV被动双轴弹性。尽管对照组动物数量相对较少，但我们观察到PH组的RV明显变硬:与对照组RV相比，PH组RV在低应变范围(EM)有更大的EM_低)(图2A, p<0.05)。在高应变范围(EM)也观察到类似的趋势_高)，但差异未达到统计学意义(图2B)。相反，随着PH的增加，这些EM在周向的变化不明显。

图2。由应力-应变曲线得出不同的RV弹性。(A)低应变范围的电磁(EM)_低)和(B)高应变范围的电磁场(EM)_高)在纵向(L)和周向(C)方向。CTL:对照组，PH:肺动脉高压组。*: p < 0.05。

此外，PH导致了升高的趋势_低(图2A, p=0.06)。然而，这在对照房车中没有观察到。这些结果表明，随着PH值的增加，低应变范围内的各向异性行为发生了变化。我们没有从PH和对照组的高应变EM中观察到任何各向异性行为。

RV被动弹性与生理功能指标的相关性研究

RV弹性及RV直径:在所有健康和患病的房车中，我们观察了纵向EM_低与舒张末期长轴面积显著相关(图3A)， p<0.05，与收缩期末期内径有相关性(图3B)。此外，我们还看到了一个趋势，即纵向EM_高与右心室长轴收缩末内径相关(图3C)。在我们的研究中，双轴特性中纵向方向的定义是解剖的，并与RV几何长轴对齐。因此，这些数据提示右心室的被动弹性与心室在同一(长轴)方向上的缩短密切相关。

图3。右心室被动弹性与右心室纵向直径的相关性。(A)低应变范围EM与右心室舒张末期内径的相关性;(B-C)低应变和高应变范围EM与右心室收缩末期内径的相关性。

RV弹性及RV面积:同样，我们观察到右心室的直径，纵向EM_低与右心室长轴收缩末面积显著相关(图4A)， p<0.05，与右心室舒张末面积趋于相关(图4B)。然而,新兴市场_高与右心室面积的相关性不同，而与右心室直径的相关性不同:纵向EM_高，圆周电磁_高显示出与右心室长轴收缩末期面积相关的趋势(图4C)。

图4。RV被动弹性与RV区域之间的相关性。（a）在低应变范围和纵向的低应变范围和RV端舒张区域之间的相关性，（b）在纵向处的低应变范围内的EM和RV端收缩区域之间的相关性，（c）之间的相关性在高应变范围和长轴的RV端收缩区域处的圆周EM。

RV弹性和RV血液动力学配置文件：最后，我们发现右心室纵向刚度指数与多普勒血流测量得到的右心室血流动力学曲线具有很强的相关性。纵向EM_低倾向于与AT和纵向潜力呈负相关_高与ET和DT趋于正相关(图5)。

图5。右心室被动弹性与血流动力学的关系。(A)低应变EM与RV加速度时间(AT)的相关性;(B)高应变电磁与RV喷射时间(ET)的相关性;(B)高应变电磁与RV减速时间(DT)的相关性。

此外，我们检查了RV被动弹性与其他函数指数（如SV和Tapse）之间的相关性。我们观察到纵向局之间的负相关性的轻度趋势_高和SV (r=-0.48, p=0.28)，但被动弹性指数与TAPSE无相关性(数据未显示)。

讨论

在本研究中，我们利用绵羊的右心室衰竭模型，初步研究了健康和肺动脉高压成人右心室被动机械特性与其生理功能之间的关系。据我们所知，只有一项啮齿动物研究显示右心室被动弹性与其舒张末期容积[8]之间存在相关性。之前的研究是第一次尝试将RV生物力学与器官功能联系起来，但研究的关系是有限的。本研究研究了大型动物(羊)的RV组织力学与各种器官功能指标之间的关系。与小动物相比，绵羊的解剖学和生理学更接近于人类患者，因此这里的研究结果更适用于人类生理学和心脏生物力学[10,16,17]。

我们观察到一些有趣的相关性，支持右心室力学和血流动力学功能之间存在联系的假设。首先，我们的结果显示右心室弹性与右心室几何形状相关，这是右心室功能的一个替代指标，也是右心室衰竭患者的一个有用的预后参数[9,18-20]。我们的数据显示，纵向电磁_低与右心室舒张末期内径和面积在同一方向(长轴)相关(图3和图4)_低与右心室舒张末期容积[8]相关。目前尚不清楚在本绵羊研究中是否达到了与之前的啮齿动物研究相同程度的右心室衰竭。此外，我们在PH羊中有不同的PAC持续时间，这可能包括动物中RV失败的不同阶段。然而，我们的研究和之前的研究都发现了低应变EM (EM_低)和右心室舒张几何学(图3A和4A)。这些发现证实了右心室被动力学特性在舒张功能中的重要作用。

此外，我们观察到在pH发育过程中RV的各向异性行为的变化（图2）。RV在纵向方向上的加固和在圆周方向上的不存在导致RV的更各向异性行为，具有pH的进展。我们推测双轴机械变化可能部分解释RV失效的发展。在持久的压力过载下，RV通常将沿圆周方向的壁强度重构成球形，以保持肺循环中的血流。或者，未能提高圆周壁强度将损害心室功能并导致RV失效。因此，我们在研究中观察到的圆周方向上缺乏壁的缺乏加强（'弹性反冲强度'）可能有助于在活的有机体内功能(例如，降低SV)。

接下来，我们还观察到RV被动弹性与其收缩几何之间的新相关性（图3B-C和4B-C）。这使我们能够思考RV被动弹性如何干扰包括收缩功能的整体功能。众所周知，心肌僵硬在心力衰竭进展中起着作用[21]。对于RV，特别是，衍生自舒张压体积关系的舒张刚度是比收缩参数更好的参数，例如负载无关的收缩性，以区分pH患者的不同临床结果（存活）[22]。这证据强调了RV被动僵硬在RV整体健康状况的重要性。Our data here add additional support that the role of the passive elasticity may go beyond the diastolic function, and one possible explanation is that the matrix ‘stiffness’ may be linked with the ‘health’ state of the cardiomyocytes [23,24], and thus affect the contractile function of the RV. The understanding of the roles of active (systolic) and passive (diastolic) mechanical property in myocardial function has been an ongoing research area, especially with the development of non-invasive cardiac imaging and computational modeling techniques [25-27]. Therefore, future study should elucidate the linkage between the active and passive stiffness of the RV and their impacts on the RV function.

最后，我们首次观察到纵向僵硬指数（EM_低和em._高)倾向于与AT (p=0.07)和DT (p=0.05)相关(图5)，两者都是与心室后负荷相关的血流动力学指标[28,29]。与AT不同，DT不是一个常见的血流动力学参数。在左心室的一项研究表明，DT的增加与中心血压的增加以及在休息和运动时脉搏波速度(动脉硬度的指标)的增加相关[29]。因此，建议DT作为中心血流动力学的替代标志，主要代表左室后负荷(稳定和脉动)。据我们所知，在右心室的这种测量尚未被注意到，但另一组已经测量了肺动脉高压患者的中收缩期DT(从血流剖面的峰值到“切迹”的减速时间)。他们发现收缩期中期DT与肺血管阻力和肺压力有关，这是RV稳定后负荷[30]的测量指标。因此，我们观察到的相关趋势表明右心室纵向硬化是对后负荷增加的一种适应，血流动力学指标(AT和DT)不仅可以用来估计右心室后负荷，还可以用来预测心室壁硬化。

此外，新兴市场_低是舒张应力范围内的测量值，因此它被用作右心室的舒张刚度[8,31]。据推测，EM_低主要是由肌纤维刚度贡献的，这与EM_高这是在高应变范围内测量的，主要由胶原纤维刚度贡献[8,32,33]。我们不知道为什么EM_低和em._高与AT和DT显示不同程度的相关性，未来的研究应该调查不同应变范围内的RV硬化是否可以区分适应性和适应性的重塑或对不同类型的RV后载（稳定或脉动）的反应。总的来说，肺血流动力学和RV被动弹性之间的建议关系可能意味着新的诊断标志物用于评估RV功能，并且应该在未来的临床前和临床研究中进一步研究。

结论

在本研究中，我们进行了在活的有机体内RV功能评估体外对健康羊和PH羊的RV进行力学测量，探讨被动弹性与RV功能的关系。我们观察到右心室纵向弹性与右心室舒张末期和收缩期末期直径/面积显著相关，表明右心室被动刚度对舒张功能的贡献。更重要的是，低应变范围的弹性模量与加速度时间相关，而高应变范围的弹性模量与减速时间相关。这表明右心室血流动力学曲线可能是评估右心室被动弹性的另一种方法，并可作为评估右心室衰竭的有用指标。总之，本研究强调了右心室被动弹性特性在右心室功能障碍进展中的重要性。

确认

我们要感谢亚当博士。Chicco对相关的有价值的讨论。

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