摘要
阿尔茨海默病（AD）是一个全球健康问题，在美国影响超过600万人，随着人口老龄化，这一数字预计还将增加。作为一种影响记忆和认知功能的神经退行性疾病，AD除了脑功能衰退外，还与心血管风险因素密切相关。在本研究中，我们测量了5xFAD AD小鼠及其同窝对照小鼠与心血管和脑血管功能相关的心血管参数。具体来说，我们测量了心血管脉搏波速度参数（动脉僵硬度和心血管风险的标志物）和脑血管脉搏波速度（一种测量脑动脉僵硬度的新技术）。结果显示，虽然5xFAD小鼠在射血时间、脉压和Tei指数方面表现出显著差异，但许多其他心血管和脑血管参数并无差异。尽管已有报道称5xFAD小鼠在1.5个月龄时即开始出现淀粉样斑块沉积，但我们的结果并未显示显著的心血管变化。应在后期年龄进行研究，以阐明心血管和脑血管参数变化，此时潜在变化更为明显。
概要
- 阿尔茨海默病（AD）与心血管功能障碍密切相关，但这些相互作用的时间和性质仍不明确。
- 本研究引入脑脉搏波速度作为一种新的无创方法来评估脑动脉僵硬度，增强了心血管和脑血管研究的严谨性。
- 通过证明在淀粉样病理早期的年轻5xFAD小鼠中显著的血流动力学变化缺失，我们的工作确立了关键时间线，并表明心血管衰退可能是疾病晚期阶段的后果。
- 这为未来研究针对特定年龄和连接血管健康与AD进展的机制提供了基础。
1 引言
阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性疾病，影响全球数百万人，导致生活质量下降，表现为记忆和认知功能的衰退[1]。AD是一项关键研究课题，据估计其年度负担达3050亿美元，随着人口老龄化，这一数字预计还将增长[1]。AD的一个标志性特征是脑内聚集的淀粉样β蛋白（Aβ）的积累，最终导致突触功能障碍、神经元丧失和认知障碍[2]。除了遗传因素外，压力和饮食等生活方式和环境因素也被认为与AD的发展和进展有关[3]。除痴呆外，AD还影响心血管功能，因为Aβ斑块也会在心脏中积累[4]。AD的一个关键风险因素是高血压（HTN），并且已提出神经炎症效应将这些病理联系起来[5]。
AD被充分理解为导致神经心理衰退，但也被理解为影响心血管血流动力学。AD与高血压通过Aβ斑块形成相关，这可能会限制脑血流量[6]。在人类群体中，即使在调整了年龄等风险因素后，高血压的减少也与认知能力保留增加相关，表明血压治疗可能是管理AD的潜在机制[4]。血压与AD之间的这种联系在收缩压方面尤为明显[7]。然而，先前的综述表明，这一问题远比想象的复杂，因为许多过去的研究并未使用标准化的高血压测量方法。高血压与AD发展之间的关系可能还受到年龄和种族因素的影响[8]。这些发现共同强调了对AD中血流动力学更深入理解的必要性。
我们的目标是研究携带五个AD相关突变的5xFAD小鼠中的心血管相关参数。5xFAD小鼠模型表达人类淀粉样前体蛋白（APP）和早老素1（PS1）突变，导致Aβ快速积累和AD样病理的发展[9]。该模型还与人类疾病模型有显著相似之处，包括Aβ-丁酰胆碱酯酶关联和关键标志物，如伴随突触标志物减少的认知功能进行性丧失[10]。由于凋亡性神经元丧失，5xFAD小鼠在4个月龄时表现出记忆缺陷[11]。疾病在年轻年龄的发展允许区分与年龄相关的动脉僵硬化和与AD相关的动脉僵硬化。该小鼠模型已被广泛用于研究AD的潜在机制并测试潜在的治疗干预。
AD与心血管疾病之间联系的机制的全部范围仍不明确。在本研究中，我们试图确定AD如何改变心血管和脑血流动力学的基本理解。
2 方法
2.1 动物
所有动物方案均经贝勒医学院机构动物护理和使用委员会批准，符合国家卫生研究院实验室动物护理和使用指南。我们使用了5只雄性和5只雌性同窝对照（C57BL/6J-WT）以及2-3月龄的雄性（n=10）和雌性（n=10）5xFAD小鼠。两组小鼠的饮食均包含标准商业饲料（2920X Harlan Teklad，印第安纳波利斯，印第安纳州，美国），可自由获取食物和水。小鼠麻醉首先使用2.5%异氟醚诱导，然后转移到加热（37°C ± 1°C）心电图板（MouseMonitor S，Indus Instruments，韦伯斯特，德克萨斯州）上，通过鼻锥维持1.5%异氟醚麻醉。小鼠的爪子被固定在四个电极上以测量心电图（ECG）。
2.2 多普勒流速测量
我们使用20 MHz多普勒探头测量多普勒主动脉流出速度、二尖瓣流入速度和颈动脉流速信号。这些信号依次用同一探头在不同动脉和心脏部位测量，使用多普勒流速系统（DFVS；Indus Instruments，韦伯斯特，德克萨斯州）获取和存储，同时记录血压和ECG信号。我们从主动脉流出速度测量峰值和平均主动脉速度、每搏距离（Sd）和主动脉射血时间（ET），从二尖瓣流入信号测量峰值-E（早期）速度、等容收缩时间（IVCT）、等容舒张时间（IVRT），以及心肌性能指数（MPI，也称为Tei指数 = (IVCT + IVRT)/ET）。从颈动脉流速信号中，我们计算了峰值、最小值和平均速度，以及搏动性和阻力指数。
2.3 血压测量
血压测量如先前所述[12-14]，简言之，通过分离的右颈动脉引入1-French（0.33毫米直径）血压导管（SPR-1,000：Millar Instruments Inc.，休斯顿，德克萨斯州），并推进到升主动脉以测量主动脉压力。使用DFVS系统获取约2-3秒的血压信号段（同时获取主动脉流速或颈动脉流速和ECG信号）。从记录的主动脉血压信号计算收缩压（SBP）、舒张压（DBP）、平均压（MBP）、脉压（PP = SBP-DBP）、收缩末期压力（ESP）和压力-心率乘积（RPP）。
2.4 主动脉和脑阻抗的确定
确定主动脉阻抗的方法已在其他地方描述[12,14-16]。主动脉阻抗是使用主动脉压力-速度关系确定的。将主动脉压力波形的起始点与主动脉速度波形的起始点对齐，以避免压力和速度信号之间相位关系的潜在误差。使用快速傅里叶变换将信号转换到频域，并计算阻抗（|Z| = |P| / |V|）参数（外周血管阻力[aZ0]、特征阻抗[aZC]和第一谐波阻抗[aZ1]）。主动脉脉搏波速度计算为aZC/ρ（ρ-血液密度）。将血压波形的起始点与颈动脉流速波形的起始点对齐，以与主动脉阻抗相同的方式确定脑阻抗。计算脑阻抗参数（脑血管阻力[cZ0]、脑特征阻抗[cZC]和脑第一谐波阻抗[cZ1]）。脑脉搏波速度计算为cZC/ρ（ρ-血液密度）。
2.5 确定心室-血管耦合的参数计算
弹性模量如前所述确定[12,17]。动脉弹性模量（Ea）计算为ESP/SV（每搏输出量，SV = Sd 主动脉横截面积），而每搏功（SW）计算为ESPSV[17]。
血流动力学参数的定义详见下表（表1）。
表1. 血流动力学参数的定义
测量 | 定义
----- |-----
主动脉横截面积 | 主动脉管腔的面积，与每搏距离一起用于计算每搏输出量
主动脉射血时间 | 表示在收缩期血液射入主动脉的时间段，用于评估左心室收缩功能
主动脉弹性模量 | 主动脉的刚度及其在收缩期对血液射出的阻力
主动脉脉搏波速度 | 穿过主动脉的压力或流速波的传播速度；主动脉僵硬度的指标
体重 | 小鼠的总质量，以克为单位测量
脑脉搏波速度 | 从颈动脉到脑动脉的压力或流速波的传播速度，是脑动脉僵硬度的指标
脑cZ1 | 指示来自脑循环的波反射影响的第一谐波阻抗
脑cZC | 脑循环的特征阻抗，反映脑动脉的僵硬度
脑cZ0 | 脑血管阻力的测量，是脑血管系统血流阻力的指标
减速度时间 | 二尖瓣早期（E）流速在舒张期减速至零流速的时间
收缩末期压力 | 收缩期结束时心脏内的残余压力，用于评估心输出量
心率（HR） | 每分钟心跳次数（bpm），通常随年龄增长而下降，是心血管健康的基本指标
第一谐波阻抗（aZ1） | 脉搏波第一谐波频率下的血流阻力，是主动脉壁僵硬度的指标
基于阻抗的脑（cPWVZ） | 使用cZC计算的脑脉搏波速度，脑动脉僵硬度的测量
基于阻抗的脉搏波速度（aPWVZ） | 使用ZC计算的主动脉脉搏波速度，主动脉僵硬度的测量
等容收缩时间 | 二尖瓣关闭和主动脉瓣打开之间的时间长度
等容舒张时间 | 主动脉瓣关闭和二尖瓣打开之间的时间长度
平均颈动脉速度 | 颈动脉中血流的平均速度
平均主动脉流出速度 | 主动脉中血流的平均速度
最小颈动脉流速 | 颈动脉中血流的最小速度
心肌性能指数（Tei指数） | 心脏整体功能的测量，考虑收缩和舒张功能，计算为(IVCT + IVRT)/ET
峰值主动脉流出速度 | 收缩期主动脉中血流的最大速度
峰值颈动脉速度 | 收缩期颈动脉中血流的最大速度
峰值二尖瓣-早期流速 | 舒张早期血流的最大速度
搏动性指数（PI） | 也称为Gosling指数，计算为(Vmax - Vmin)/平均速度，是血管阻力的指标
阻力指数（RI） | 也称为Pourcelot指数，血流阻力计算为(Vmax - Vmin)/Vmax，是血管阻力的指标
每搏距离 | 心动周期中血液行进的距离，是心脏每搏输出量的指标
每搏功 | 也称为心脏功，每搏输出量乘以平均主动脉压，评估心动周期中心脏所做的功
总外周阻力（aZ0） | 体循环中血流阻力，由包括血管直径和血液粘度等因素的综合效应测量。心血管健康的整体指标
收缩压 | 心动周期中收缩期的峰值血压，包括高血压在内的因素的关键测量
舒张压 | 心动周期中舒张期的最低血压，包括高血压在内的因素的关键测量
平均血压 | 心动周期中包括收缩和舒张期的平均动脉压，代表系统血管阻力
脉压 | 收缩压和舒张压之间的差异，代表动脉僵硬度和心血管疾病的危险因素
压力-心率乘积 | 收缩压乘以心率，是心脏应激的指标
2.6 统计分析
所有数据均表示为平均值±标准误差（SEM）。使用未配对t检验通过Prism（GraphPad Software；拉霍亚，美国）对每种性别的条件进行比较。
3 结果
我们的分析显示，雌性5xFAD与雌性对照小鼠之间的趋势与雄性5xFAD与雄性对照之间的趋势相似。因此，我们将两性数据合并，总结如表2所示。
表2. 5xFAD小鼠及其同窝对照（雄性和雌性）合并数据的总结
参数（单位） | WT小鼠 | 5xFAD小鼠 | p值
----------- |---------|-----------|------
平均值±SEM | 平均值±SEM | |
一般参数 | n = 10 | n = 20 |
体重（g） | 35.2 ± 2.2 | 26.9 ± 0.9 | 0.0040
主动脉横截面积（cm²） | 0.0118 ± 0.0005 | 0.0097 ± 0.0003 | 0.0036
心率（bpm） | 389 ± 12 | 535 ± 11 | 0.0000
主动脉流速 | | |
峰值主动脉速度（cm/s） | 115.3 ± 4.5 | 113.1 ± 4.6 | 0.730
平均主动脉速度（cm/s） | 28.3 ± 1.6 | 32.4 ± 1.3 | 0.056
主动脉每搏距离（cm） | 3.5 ± 0.13 | 3.7 ± 0.16 | 0.322
主动脉射血时间（ms） | 56.0 ± 1.4 | 44.6 ± 1.3 | 0.0000
颈动脉流速 | | |
峰值颈动脉速度（cm/s） | 57.2 ± 3.8 | 55.8 ± 2.2 | 0.764
最小颈动脉速度（cm/s） | 8.48 ± 0.75 | 9.45 ± 0.75 | 0.367
平均颈动脉速度（cm/s） | 19.3 ± 1.0 | 20.2 ± 1.0 | 0.494
搏动性指数 | 2.54 ± 0.20 | 2.34 ± 0.11 | 0.404
阻力指数 | 0.80 ± 0.02 | 0.83 ± 0.01 | 0.748
主动脉血压 | | |
收缩压（mmHg） | 102.0 ± 2.2 | 102.4 ± 3.3 | 0.916
舒张压（mmHg） | 80.1 ± 2.0 | 84.9 ± 3.0 | 0.193
平均压（mmHg） | 90.5 ± 2.0 | 93.6 ± 3.1 | 0.418
脉压（mmHg） | 21.9 ± 0.5 | 17.5 ± 0.6 | 0.0000
压力×心率（bpm·mmHg） | 39673 ± 1511 | 54745 ± 2030 | 0.0000
主动脉阻抗 | | |
aZ0（dyne·s/cm³） | 8860 ± 425 | 8137 ± 390 | 0.223
aZ1（dyne·s/cm³） | 428 ± 32 | 371 ± 20 | 0.147
aZC（dyne·s/cm³） | 305 ± 39 | 288 ± 16 | 0.695
aPWVZ（cm/s） | 309 ± 36 | 271 ± 15 | 0.350
脑阻抗 | | |
cZ0（dyne·s/cm³） | 5902 ± 325 | 6837 ± 543 | 0.151
cZ1（dyne·s/cm³） | 776 ± 60 | 782 ± 63 | 0.948
cZC（dyne·s/cm³） | 358 ± 37 | 325 ± 22 | 0.456
cPWVZ（cm/s） | 338 ± 35 | 307 ± 21 | 0.455
心室-血管耦合 | | |
收缩末期压力（mmHg） | 91.8 ± 2.0 | 92.2 ± 3.0 | 0.916
主动脉弹性模量（mmHg/μL） | 2.32 ± 0.16 | 2.73 ± 0.18 | 0.103
每搏功（mmHg·μL） | 3814 ± 324 | 3346 ± 249 | 0.266
二尖瓣流速 | | |
E-峰值速度（cm/s） | 67.9 ± 2.0 | 77.6 ± 2.6 | 0.0071
等容收缩时间（ms） | 18.4 ± 1.3 | 10.3 ± 0.4 | 0.0001
等容舒张时间（ms） | 22.7 ± 1.0 | 14.9 ± 0.5 | 0.0000
心肌性能或Tei指数 | 0.73 ± 0.03 | 0.57 ± 0.02 | 0.0012
一般参数中，5xFAD小鼠的体重和主动脉横截面积显著低于对照组（图1A,B′），而心率（HR）在5xFAD小鼠中显著更高（图1C,C′）。
使用主动脉流速测量心脏收缩功能，我们发现5xFAD小鼠表现出较低的主动脉射血时间（图2D,D′）。然而，在峰值主动脉速度、平均主动脉速度和每搏距离方面没有显著差异（图2A–C′）。
对于颈动脉流速数据，在两组之间未观察到峰值、平均和最小颈动脉速度或搏动性指数（PI）和阻力指数（RI）（表2）的显著差异。
在主动脉血压数据中，我们观察到两组之间的收缩压、舒张压和平均血压没有显著差异（图3A–C′），但我们发现5xFAD小鼠的脉压（图3D,D′）显著较低，而压力-心率乘积RPP（图3E,E′）显著较高。
在主动脉阻抗（aZ0, aZ1, aZC, 或aPWVZ）或脑阻抗（cZ0, cZ1, cZC, 或cPWVZ）参数方面未观察到显著差异（表2）。
心室-血管耦合参数，包括收缩末期压力、动脉弹性模量、每搏功和每搏距离，在两组之间没有差异（表2）。
二尖瓣流速测量显示，5xFAD小鼠的E-峰值速度（图4A,A′）显著较高，等容收缩时间、等容舒张时间和心肌性能（Tei）指数（图4B–D′）均显著较低。
4 讨论
本研究的目标是表征可能指示AD进展的早期血管变化。在这里，我们描述了早期年龄5xFAD小鼠的脑、心脏和主动脉血流动力学，希望捕捉AD进展的起始时间点。从一般参数来看，我们发现5xFAD小鼠的体型比对照组小，因此主动脉横截面积较低。这可能导致这些小鼠的心率较高，这可能是由于哺乳动物缩放因子，即较小体型的动物心率较高[18]。在一项涉及5xFAD小鼠的超声心动图研究中，未报告心率[19]。然而，基于提供的m模式图像，我们确定2月龄5xFAD小鼠的心率与WT大致相同（假设时间尺度相同）。这与我们在5xFAD小鼠中观察到的心率不同。一般来说，异氟醚会轻微抑制心率，这在我们的研究中5xFAD小鼠可能并非如此。
4.1 主动脉和颈动脉血流速度
由主动脉流速参数确定的心脏收缩功能除主动脉射血时间外没有显示任何显著差异（图2D），这可能源于5xFAD小鼠较高的心率。众所周知，较短的左心室射血时间伴随射血分数和每搏输出量受损[20]，这与Murphy等人[19]的发现一致，他们报告2月龄5xFAD小鼠的射血分数较低。这可能是由于早期年龄开始的病理变化，导致5xFAD小鼠在2月龄时出现淀粉样蛋白沉积[21,22]。颈动脉流速在任何参数方面均无显著变化（表2），表明脑功能可能未受损，或者可能触发了肌源性自动调节反应[23]以维持脑循环。
以往研究表明，Aβ沉积通常与人类模型中的血压一起增加[8]，因此未来研究可能有助于了解在5xFAD模型中，尽管在早期时间点总体血压没有变化，Aβ沉积如何随年龄导致血压和心血管变化。
4.2 主动脉血压
虽然5xFAD小鼠的收缩压、舒张压和平均血压未观察到显著变化，但我们发现脉压显著较低，这可能表明心输出量减少（Murphy等人[19]报告的射血分数降低），导致5xFAD小鼠心率增加。我们发现两组的脉压均低于收缩压的25%。据报道，脉压低于收缩压25%通常发生在心脏功能障碍、主动脉瓣狭窄、心脏填塞或失血[24]的情况下，但这可能发生在老年动物中，而不是2-3月龄小鼠中。较低的脉压可能与脑血流量减少相关，导致阿尔茨海默病或痴呆[25]，这可以解释我们在研究中观察到的5xFAD小鼠的较低脉压。在人类中，轻度至中度AD与降低的脉压和受损的脑血流量相关，表明这些可能是导致后期病理的早期适应不良[26]。我们还发现5xFAD小鼠的压力×心率乘积（RPP）显著较高。作为心肌氧利用的指标，RPP反映了整体心脏工作负荷[27]，这可能解释了由于心率较高以弥补较低心输出量而导致的较高工作负荷。
4.3 主动脉和脑阻抗
当评估主动脉外周血管阻力（aZ0）、外周波反射强度（aZ1）、特征阻抗（aZC）和aPWVZ时，我们发现5xFAD小鼠与对照组相比没有显著差异。与我们之前的研究结果[13]类似，预计脉压和射血时间会与aZC和aPWVZ同时变化，因为主动脉僵硬度指数应在这些测量之间相关。然而，我们在这些年轻小鼠组中未观察到这一点。
同样，我们未观察到两组在脑阻抗参数方面的显著差异。以往研究将动脉僵硬度增加与脑负面结果线性关联，且随年龄增长[28]。
4.4 心室-血管耦合
关于心室血管耦合，我们未观察到收缩末期压力的任何差异。虽然5xFAD小鼠的主动脉弹性模量较高，每搏功较低，但它们未达到显著水平。较高的主动脉弹性模量可能表示影响心室-血管耦合的血管负荷增加[29]。在Murphy等人[19]报告的研究中，5xFAD小鼠的正常功能心肌细胞的肌节缩短显著减少，导致收缩功能受损，可能导致每搏功减少。
4.5 二尖瓣流速
显著较高的峰值-E速度反映了舒张早期阶段的快速充盈，这可能表示正常舒张功能或限制性充盈舒张功能障碍，由峰值-E/峰值-A（心房）速度确定。然而，在我们的研究中，由于高心率导致A波与E波融合，我们无法可靠地测量峰值-A速度。IVCT（二尖瓣关闭到主动脉瓣打开的时间）和IVRT（主动脉瓣关闭到二尖瓣打开的时间）均与LV射血时间（ET）相关。由IVRT、IVCT和ET计算的心肌性能指数（或Tei指数）提供了一个独立于心室几何形状的整体收缩和舒张性能[20]。5xFAD小鼠的IVRT、IVCT和ET显著较低，导致Tei指数显著降低，表明与对照小鼠相比心脏功能更好。考虑到5xFAD小鼠射血分数较低且肌节缩短减少[19]，较低的Tei指数令人困惑。因此，可能需要使用组织多普勒指数计算Tei指数来确认上述发现。
5 结论
总之，我们的研究表明，在所检查的大多数血流动力学参数中没有显著变化。然而，观察到体重、主动脉横截面积、射血时间、脉压、压力×心率乘积、二尖瓣峰值-E速度、IVCT、IVRT和ET的显著差异。这些发现与5xFAD及其同窝对照的报告一致。主动脉和脑阻抗的研究结果表明，动物模型中PWV与AD病理之间的关系可能需要在这些小鼠的后期年龄进行研究。需要进一步研究以阐明潜在机制及其对AD发展和进展的影响。
5.1 局限性
在解释结果时必须考虑本研究的几个局限性。虽然5xFAD小鼠是人类AD的有力模型，但它们缺乏人类AD中具有的神经纤维缠结[9]。我们研究的另一个局限性是我们未测量Aβ沉积水平，这可能用于与PWV相关[30]，或其他AD病理的分子标志物。因此，我们的发现可能无法完全捕捉血流动力学参数和AD病理之间的复杂关系。最后，我们的研究仅检查了一个时间点（12周龄），随着年龄增长，5xFAD小鼠可能对血流动力学参数和AD病理产生不同影响。
【全文结束】
