激光散斑血流成像在心冠动脉微循环研究的应用

在心血管疾病研究领域，冠状动脉微循环一直是备受关注却又充满研究挑战的关键区域。近期一项发表于《Frontiers in Cardiovascular Medicine》的研究，利用LSCI激光散斑血流成像技术，为深入探究冠状动脉微循环灌注提供了新的视角。

研究背景与技术挑战
现有研究技术的局限
在临床研究中，冠状动脉微循环的研究进展一直较为缓慢，主要障碍在于现有的成像技术难以清晰地呈现冠状动脉微血管结构。在实验研究方面，心脏位于胸腔深处，其周围的肺脏运动以及自身的跳动，都会干扰成像效果。且该技术需要昂贵的设备、专业的操作人员以及复杂的心脏稳定措施，这些因素限制了其在心脏微循环研究中的广泛应用。

LSCI技术的优势与困境
LSCI激光散斑血流成像技术具有操作简便、技术门槛低、成本相对较低等优势。能够从组织或器官表面附近的血管评估微循环血流情况，并以伪彩色“热图”的形式展示灌注状态。而且，该技术无需使用外源性对比剂或荧光剂，通过光的散射原理即可实现成像，这使得它在生物医学研究中具有独特的应用价值。

不过对运动极为敏感，在应用于心脏研究时，心脏的跳动会产生大量运动伪影，严重干扰血流信号的准确获取。心脏复杂的收缩、舒张运动以及主动脉压力波动，都会导致最终计算得到的散斑对比图像受到干扰，难以准确反映真实的血流情况，这也使得LSCI激光散斑血流成像技术在心脏研究中的应用受到了很大限制。

技术创新与应用
创新点：结合自定义软件
为了克服LSCI激光散斑血流成像技术在心脏成像中的运动伪影问题，研究团队进行了创新性的尝试。他们将LSCI激光散斑血流成像与自定义的散斑分析软件相结合，能够从LSCI激光散斑血流成像技术采集的通量数据中准确识别并整理出心脏收缩期和舒张期的相关事件。通过设定特定的算法规则，还可以筛选出符合条件的通量峰值和谷值，分别代表舒张期和收缩期的血流情况，为后续的数据分析提供了有力支持。

实验动物模型与干预措施
实验选用的小鼠分为成年（2-4个月）和老年（18-19个月）两个年龄组。为了诱导心肌缺血-再灌注损伤，通过左胸切开术暴露心脏，对左前降支动脉进行缝合结扎45分钟，随后松开结扎实现再灌注2.5小时。此外，还关注了抑制促炎细胞因子的治疗效果。在部分实验中，通过颈动脉插管在再灌注前10分钟和再灌注后60分钟注射小鼠观察其对心脏灌注的影响。

成像实验与结果分析
识别心脏周期的双相通量特征
在实验中发现，心脏在每个心动周期中，有两个相对静止的时刻，分别是舒张高峰期和收缩高峰期。在舒张高峰期，心肌灌注较高；而在收缩高峰期，由于心脏收缩对血管的机械挤压，心肌灌注较低。LSCI激光散斑血流成像技术能够清晰地捕捉到这两个阶段的差异，在热图中表现为舒张期颜色较暖，收缩期颜色较冷。同时，在通量读数中呈现出明显的振荡特征，舒张期出现峰值，收缩期出现谷值。

通过软件的进一步分析，能够更准确地识别和整理这些高、低通量点。软件会根据设定的规则，判断通量数据的变化趋势，只有当检测到符合特定轨迹（如低谷值前有两个下降点，后有至少两个上升点）的通量变化时，才会将其标记为有效点进行后续分析。这种精确的数据分析方法，为研究心脏不同时期的血流变化提供了可靠依据。

验证LSCI通量信号来源
为了确定LSCI激光散斑血流成像技术通量信号并非主要由心脏运动产生，研究人员进行了一项巧妙的实验：在一只未受伤的成年小鼠暴露的左心室近端放置一块不透明、不反光的黑色卡片，这样可以阻止来自下方心肌壁血流的通量信号被捕获，只能记录到心脏跳动产生的运动通量信号。

实验结果显示，从左心室未覆盖区域（“灌注和运动”区域）生成的热图，在舒张期呈现温暖的红色，收缩期则变为较冷的红/绿色；而覆盖区域（“仅运动”区域）生成的热图颜色明显更冷，在绿色和蓝色之间交替变化。通量信号数据也呈现出相应的规律，未覆盖区域的通量值高于覆盖区域。通过将“仅运动”的通量值从“灌注和运动”的总通量值中减去，得到的“仅灌注”通量信号仍然呈现出与心脏周期相关的双相振荡特征，这充分证明了尽管部分通量信号来源于心脏运动，但左心室微循环血流对总通量信号也有重要贡献。

评估左心室灌注情况
研究人员利用LSCI激光散斑血流成像技术对未治疗和接受IL-36Ra治疗的成年和老年小鼠在心肌缺血-再灌注损伤后的左心室灌注情况进行了评估。结果发现，在所有小鼠中，一旦左前降支动脉结扎，热图颜色会迅速转变为较冷的颜色，通量数据也显著下降，这清晰地表明了缺血期的到来。在缺血期间，由于心脏运动，通量信号仍然呈现出振荡特征，但在未治疗的老年小鼠中，通量信号的波动范围更大，数据的均匀性更差，表现得更为“不稳定”。

再灌注后，成年小鼠的热图颜色和通量信号能够恢复到基线水平，而老年小鼠则无法恢复，通量信号甚至在再灌注阶段继续下降，且振荡信号仍然不稳定。这表明老年小鼠在心肌缺血-再灌注损伤后，左心室灌注恢复能力明显较弱。

然而，接受IL-36Ra治疗的成年和老年小鼠，通量信号均能恢复到基线水平。通过对舒张期平均通量信号的分析发现，成年小鼠的基础通量值显著高于老年小鼠。缺血会使所有小鼠的平均舒张期通量信号下降，再灌注后成年小鼠能够恢复，但老年小鼠不能。对再灌注期分析显示，受伤的老年小鼠心脏通量显著低于成年小鼠，而IL-36Ra治疗能够显著增加成年和老年小鼠的通量，且两组治疗后的小鼠之间无显著差异。

量化心率和检测心律不齐
利用LSCI激光散斑血流成像技术从每分钟的舒张期事件数量计算心率。实验结果显示，在受伤的老年小鼠中，缺血期间心率下降，再灌注期间短暂上升；而受伤的成年小鼠心率则相对稳定。

同时，研究还发现受伤的老年小鼠在缺血和再灌注期间更容易出现心律不齐。尽管AUC分析显示成年和老年小鼠在心律不齐方面总体无显著差异，但老年小鼠在整个成像期间，心跳间隔的标准差变化更为明显，这表明LSCI激光散斑血流成像技术不仅可以评估心脏灌注，还能为研究心脏对损伤的功能反应提供有价值的信息。

深远意义与未来展望
研究首次成功将LSCI激光散斑血流成像技术应用于麻醉小鼠跳动心脏，突破了该技术在心脏研究的局限，为冠状动脉微循环研究开辟新途径。研究清晰展示了缺血-再灌注损伤对心脏灌注的影响，尤其在老年小鼠中更明显，证实了抗炎药物IL-36Ra改善冠状动脉微循环灌注的作用，为理解老年患者心肌梗死后不良结局及未来心血管疾病治疗提供依据和新策略。

LSCI激光散斑血流成像技术可用于检测多种合并症下冠状动脉微循环灌注变化，研究多种心脏疾病模型中的微循环改变，评估缺血预处理效果和相关药物作用。但该技术对运动敏感，微弱的冠状动脉反应可能被运动信号掩盖，限制其在复杂场景的应用。未来研究可探索去除运动伪影的方法，拓展其在不同心血管疾病模型中的应用。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
El-Awaisi J, Kavanagh DPJ, Kalia N. Monitoring coronary blood flow by laser speckle contrast imaging after myocardial ischaemia reperfusion injury in adult and aged mice. Front Cardiovasc Med. 2024 Feb 12;11:1358472. 

DOI：10.3389/fcvm.2024.1358472.