Het bestuderen van Linker Ventriculaire Omgekeerde Remodeling door Aorta Debanding in Knaagdieren
Summary
Hier beschrijven we een stapsgewijs protocol van chirurgische aorta-debanding in het gevestigde muizenmodel van aorta-vernauwing. Deze procedure maakt het niet alleen mogelijk om de mechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan de linker ventriculaire omgekeerde remodellering en regressie van hypertrofie, maar ook om nieuwe therapeutische opties te testen die myocardherstel kunnen versnellen.
Abstract
Om de linker ventriculaire (LV) reverse remodeling (RR) beter te begrijpen, beschrijven we een knaagdiermodel waarbij muizen na aortabanding-geïnduceerde LV-remodellering RR ondergaan bij verwijdering van de aortavernauwing. In dit artikel beschrijven we een stapsgewijze procedure om een minimaal invasieve chirurgische aorta-debanding bij muizen uit te voeren. Echocardiografie werd vervolgens gebruikt om de mate van cardiale hypertrofie en disfunctie tijdens LV-remodellering en RR te beoordelen en om de beste timing voor aortadebanding te bepalen. Aan het einde van het protocol werd terminale hemodynamische evaluatie van de hartfunctie uitgevoerd en werden monsters genomen voor histologische studies. We toonden aan dat debanding geassocieerd is met chirurgische overlevingspercentages van 70-80%. Bovendien veroorzaakt de significante vermindering van ventriculaire nabelasting twee weken na de de banding de regressie van ventriculaire hypertrofie (~20%) en fibrose (~26%), herstel van diastolische disfunctie zoals beoordeeld door de normalisatie van linkerventrikelvulling en einddiastolische druk (E/e’ en LVEDP). Aorta-debanding is een nuttig experimenteel model om LV RR bij knaagdieren te bestuderen. De mate van myocardherstel is variabel tussen proefpersonen, waardoor de diversiteit van RR die optreedt in de klinische context, zoals aortaklepvervanging, wordt nagebootst. We concluderen dat het aortabanding/debanding model een waardevol hulpmiddel is om nieuwe inzichten in de mechanismen van RR te ontrafelen, namelijk de regressie van cardiale hypertrofie en het herstel van diastolische disfunctie.
Introduction
De vernauwing van de transversale of oplopende aorta in de muis is een veel gebruikt experimenteel model voor drukoverbelasting-geïnduceerde cardiale hypertrofie, diastolische en systolische disfunctie en hartfalen1,2,3,4. Aorta-vernauwing leidt in eerste instantie tot gecompenseerde linkerventrikel (LV) concentrische hypertrofie om wandspanning te normaliseren1. Onder bepaalde omstandigheden, zoals langdurige hartstapeling, is deze hypertrofie echter onvoldoende om de wandspanning te verminderen, waardoor diastolische en systolische disfunctie (pathologische hypertrofie) wordt veroorzaakt5. Tegelijkertijd leiden veranderingen in extracellulaire matrix (ECM) tot de collageenafzetting en crosslinking in een proces dat bekend staat als fibrose, dat kan worden onderverdeeld in vervangende fibrose en reactieve fibrose. Fibrose is in de meeste gevallen onomkeerbaar en brengt het myocardherstel in gevaar na overbelastingsontlasting6,7. Niettemin, recente cardiale magnetische resonantie beeldvorming studies bleek dat reactieve fibrose in staat is om terug te gaan op de lange termijn8. Al met al maken fibrose, hypertrofie en hartdisfunctie deel uit van een proces dat bekend staat als myocardremodellering dat snel evolueert naar hartfalen (HF).
Het begrijpen van de kenmerken van myocardremodellering is een belangrijk doel geworden voor het beperken of omkeren van de progressie ervan, de laatste bekend als reverse remodeling (RR). De term RR omvat elke myocardverandering die chronisch wordt omgekeerd door een bepaalde interventie, zoals farmacologische therapie (bijv. antihypertensieve medicatie), klepchirurgie (bijv. aortastenose) of ventriculaire hulpmiddelen (bijv. chronische HF). RR is echter vaak onvolledig als gevolg van de heersende hypertrofie of systolische / diastolische disfunctie. Zo ontbreekt de verduidelijking van de onderliggende mechanismen van RR en nieuwe therapeutische strategieën nog steeds, wat meestal te wijten is aan de onmogelijkheid om bij de meeste van deze patiënten toegang te krijgen tot menselijk myocardweefsel tijdens RR en deze te bestuderen.
Om deze beperking te overwinnen, hebben knaagdiermodellen een belangrijke rol gespeeld bij het bevorderen van ons begrip van de signaleringsroutes die betrokken zijn bij HF-progressie. In het bijzonder is aortadebanding van muizen met een aortavernauwing een nuttig model om de moleculaire mechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan ongunstige LV-remodellering9 en RR10,11, omdat het het mogelijk maakt myocardmonsters op verschillende tijdstippen in deze twee fasen te verzamelen. Bovendien biedt het een uitstekende experimentele setting om potentiële nieuwe doelen te testen die RR kunnen bevorderen / versnellen. In aortastenosecontext kan dit model bijvoorbeeld informatie verschaffen over de moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij de enorme diversiteit van myocardrespons die ten grondslag ligt aan de (on)volledigheid van de RR6,12, evenals de optimale timing voor klepvervanging, wat een grote tekortkoming van de huidige kennis vertegenwoordigt. De optimale timing voor deze interventie is inderdaad een onderwerp van discussie, vooral omdat het wordt gedefinieerd op basis van de omvang van aortagradiënten. Verschillende studies pleiten ervoor dat dit tijdspunt misschien te laat is voor het myocardherstel, omdat fibrose en diastolische disfunctie vaak al aanwezig zijn12.
Voor zover wij weten, is dit het enige diermodel dat het proces van zowel myocardremodellering als RR samenvatten dat plaatsvindt in omstandigheden zoals aortastenose of hypertensie voor en na klepvervanging of het begin van antihypertensiva.
Om de hierboven samengevatte uitdagingen aan te pakken, beschrijven we een chirurgisch diermodel dat zowel bij muizen als ratten kan worden geïmplementeerd en de verschillen tussen deze twee soorten aanpakt. We beschrijven de belangrijkste stappen en details die betrokken zijn bij het uitvoeren van deze operaties. Tot slot rapporteren we de belangrijkste veranderingen die plaatsvinden in de LV vlak voor en tijdens RR.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het hierin voorgestelde model bootst het proces van LV-remodellering en RR na respectievelijk aortabanding en debanding na. Daarom vertegenwoordigt het een uitstekend experimenteel model om onze kennis over de moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij de ongunstige LV-remodellering te bevorderen en om nieuwe therapeutische strategieën te testen die myocardherstel van deze patiënten kunnen induceren. Dit protocol beschrijft stappen voor het maken van een knaagdierdiermodel van aortabanding en debanding met een mini…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken de Portugese Stichting voor Wetenschap en Technologie (FCT), de Europese Unie, Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN), Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) en Programa Operacional Factores de Competitividade (COMPETE) voor de financiering van unic (UID/IC/00051/2013) onderzoekseenheid. Dit project wordt ondersteund door FEDER via COMPETE 2020 – Programa Operacional Competitividade E Internacionalização (POCI), het project DOCNET (NORTE-01-0145-FEDER-000003), ondersteund door het regionale operationele programma van Norte Portugal (NORTE 2020), in het kader van de partnerschapsovereenkomst voor Portugal 2020, via het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling (EFRO), het project NETDIAMOND (POCI-01-0145-FEDER-016385), ondersteund door de Europese structuur- en investeringsfondsen, het regionale operationele programma van Lissabon 2020. Daniela Miranda-Silva en Patrícia Rodrigues worden gefinancierd door Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) door fellowship grants (respectievelijk SFRH/BD/87556/2012 en SFRH/BD/96026/2013).
Materials
| Absorption Spears | F.S.T | 18105-03 | To absorb fluids during the surgery |
| Blades | F.S.T | 10011-00 | To perform the skin incision |
| Buprenorphine | Buprelieve | Analgesia drug | |
| Catutery | F.S.T | 18010-00 | To prevent exsanguination |
| Catutery tips | F.S.T | 18010-01 | To prevent exsanguination |
| cotton swab | Johnson's | To absorb fluids during the surgery | |
| Depilatory cream | Veet | To delipate the animal | |
| Disposable operating room table cover | MEDKINE | DYND4030SB | To cover the surgical area |
| Echo probe | Siemens | Sequoia 15L8W | Ultrasound signal aquisition |
| Echocardiograph | Siemens | Acuson Sequoia C512 | Ultrasound signal aquisition |
| End-tidal CO2 monitor | Kent Scientific | CapnoStat | To control expiration gas saturation |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11255-20 | To dissect the tissues and aorta |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11272-30 | To dissect the tissues and aorta |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11151-10 | To dissect the tissues and aorta |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11152-10 | To dissect the tissues and aorta |
| Gas system | Penlon Sigma Delta | To anesthesia and mechanical ventilation | |
| Hemostats | F.S.T | 13010-12 | To hold the suture before tight the aorta |
| Hemostats | F.S.T | 13011-12 | To hold the suture before tight the aorta |
| Ligation aids | F.S.T | 18062-12 | To place a suture around the aorta |
| Magnetic retractor | F.S.T | 18200-20 | To help keep the animal in a proper position |
| Needle holder | F.S.T | 12503-15 | To suture the animal |
| Needle 26G | B-BRAUN | 4665457 | To serve as a molde of aortic constriction diameter |
| Oxygen | Air Liquide | To anesthesia and mechanical ventilation | |
| Polipropilene suture | Vycril | W8304/W8597 | To suture the animal and to do the constriction |
| Povidone-iodine solution | Betadine® | Skin antiseptic | |
| PowerLab | Millar instruments | ML880 PowerLab 16/30 | PV loop Signal Aquisition |
| Pulse oximeter | Kent Scientific | MouseStat | To control heart rate and blood saturation |
| PVAN software | Millar Instruments | To analyse the haemodynamic data | |
| PV loop cathether | Millar instruments | SPR-1035. 1.4 F | PV loop Signal Aquisition |
| Retractor | F.S.T | 17000-01 | To provide a better overview of the aorta |
| Scalpet handle | F.S.T | 10003-12 | To perform the skin incision |
| Scissors | F.S.T | 15070-08 | To cut the suture in debanding surgery |
| Scissors | F.S.T | 14084-09 | To cut other material during the surgery e.g. suture, papper |
| Sevoflurane | Baxter | 533-CA2L9117 | |
| Temperature control module | Kent Scientific | RightTemp | To control animal corporal temperature |
| Ventilator | Kent Scientific | PhysioSuite | To ventilate the animal |
| Water-bath | Thermo Scientific™ | TSGP02 | To maintain water temperature adequate to heat the P-V loop catethers |
References
- Arany, Z., et al. Transverse aortic constriction leads to accelerated heart failure in mice lacking PPAR-gamma coactivator 1alpha. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 103 (26), 10086-10091 (2006).
- Tavakoli, R., Nemska, S., Jamshidi, P., Gassmann, M., Frossard, N. Technique of Minimally Invasive Transverse Aortic Constriction in Mice for Induction of Left Ventricular Hypertrophy. Journal of Visualized Experiment. (127), e56231 (2017).
- Zaw, A. M., Williams, C. M., Law, H. K., Chow, B. K. Minimally Invasive Transverse Aortic Constriction in Mice. Journal of Visualized Experiment. (121), e55293 (2017).
- Rockman, H. A., et al. Segregation of atrial-specific and inducible expression of an atrial natriuretic factor transgene in an in vivo murine model of cardiac hypertrophy. Proceedings of the National Academy of Science. 88 (18), 8277-8281 (1991).
- Koide, M., et al. Premorbid determinants of left ventricular dysfunction in a novel model of gradually induced pressure overload in the adult canine. Circulation. 95 (6), 1601-1610 (1997).
- Rodrigues, P. G., Leite-Moreira, A. F., Falcao-Pires, I. Myocardial reverse remodeling: how far can we rewind. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 310 (11), 1402-1422 (2016).
- Weidemann, F., et al. Impact of myocardial fibrosis in patients with symptomatic severe aortic stenosis. Circulation. 120 (7), 577-584 (2009).
- Bing, R., et al. Imaging and Impact of Myocardial Fibrosis in Aortic Stenosis. JACC Cardiovascular Imaging. 12 (2), 283-296 (2019).
- Conceicao, G., Heinonen, I., Lourenco, A. P., Duncker, D. J., Falcao-Pires, I. Animal models of heart failure with preserved ejection fraction. Netherlands Heart Journal. 24 (4), 275-286 (2016).
- Weinheimer, C. J., et al. Load-Dependent Changes in Left Ventricular Structure and Function in a Pathophysiologically Relevant Murine Model of Reversible Heart Failure. Circulation Heart Failure. 11 (5), 004351 (2018).
- Bjornstad, J. L., et al. A mouse model of reverse cardiac remodelling following banding-debanding of the ascending aorta. Acta Physiologica (Oxford). 205 (1), 92-102 (2012).
- Yarbrough, W. M., Mukherjee, R., Ikonomidis, J. S., Zile, M. R., Spinale, F. G. Myocardial remodeling with aortic stenosis and after aortic valve replacement: mechanisms and future prognostic implications. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 143 (3), 656-664 (2012).
- deAlmeida, A. C., van Oort, R. J., Wehrens, X. H. Transverse aortic constriction in mice. Journal of Visualized Experiment. (38), 1729 (2010).
- Hamdani, N., et al. Myocardial titin hypophosphorylation importantly contributes to heart failure with preserved ejection fraction in a rat metabolic risk model. Circulation: Heart Failure. 6 (6), 1239-1249 (2013).
- Li, L., et al. Assessment of Cardiac Morphological and Functional Changes in Mouse Model of Transverse Aortic Constriction by Echocardiographic Imaging. Journal of Visualized Experiment. (112), e54101 (2016).
- Lygate, C. A., et al. Serial high resolution 3D-MRI after aortic banding in mice: band internalization is a source of variability in the hypertrophic response. Basic Research in Cardiology. 101 (1), 8-16 (2006).
- Platt, M. J., Huber, J. S., Romanova, N., Brunt, K. R., Simpson, J. A. Pathophysiological Mapping of Experimental Heart Failure: Left and Right Ventricular Remodeling in Transverse Aortic Constriction Is Temporally, Kinetically and Structurally Distinct. Frontiers in Physiology. 9, 472 (2018).
- Garcia-Menendez, L., Karamanlidis, G., Kolwicz, S., Tian, R. Substrain specific response to cardiac pressure overload in C57BL/6 mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulation Physiology. 305 (3), 397-402 (2013).
- Melleby, A. O., et al. A novel method for high precision aortic constriction that allows for generation of specific cardiac phenotypes in mice. Cardiovascular Research. 114 (12), 1680-1690 (2018).
- Li, Y. H., et al. Effect of age on peripheral vascular response to transverse aortic banding in mice. The Journal of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 58 (10), 895-899 (2003).
- Ruppert, M., et al. Myocardial reverse remodeling after pressure unloading is associated with maintained cardiac mechanoenergetics in a rat model of left ventricular hypertrophy. American Journal of Physiology-Heart and Circulation Physiology. 311 (3), 592-603 (2016).
- Treibel, T. A., et al. Reverse Myocardial Remodeling Following Valve Replacement in Patients With Aortic Stenosis. Journal of the American College of Cardiology. 71 (8), 860-871 (2018).
- Dadson, K., et al. Cellular, structural and functional cardiac remodelling following pressure overload and unloading. International Journal of Cardiology. 216, 32-42 (2016).
- Krayenbuehl, H. P., et al. Left ventricular myocardial structure in aortic valve disease before, intermediate, and late after aortic valve replacement. Circulation. 79 (4), 744-755 (1989).
- McCann, G. P., Singh, A. Revisiting Reverse Remodeling After Aortic Valve Replacement for Aortic Stenosis. Journal of the American College of Cardiology. 71 (8), 872-874 (2018).
- Miranda-Silva, D., et al. Characterization of biventricular alterations in myocardial (reverse) remodelling in aortic banding-induced chronic pressure overload. Science Reports. 9 (1), 2956 (2019).
