En model af omvendt vaskulær ombygning i pulmonal hypertension på grund af venstre hjertesygdom ved aorta debanding hos rotter
Summary
Den nuværende protokol beskriver en kirurgisk procedure for at fjerne stigende aortabånd i en rottemodel af pulmonal hypertension på grund af venstre hjertesygdom. Denne teknik studerer endogene mekanismer for omvendt ombygning i lungecirkulationen og det højre hjerte og informerer således strategier til at vende pulmonal hypertension og / eller højre ventrikulær dysfunktion.
Abstract
Pulmonal hypertension på grund af venstre hjertesygdom (PH-LHD) er den mest almindelige form for PH, men dens patofysiologi er dårligt karakteriseret end pulmonal arteriel hypertension (PAH). Som følge heraf mangler godkendte terapeutiske interventioner til behandling eller forebyggelse af PH-LHD. Medicin, der anvendes til behandling af PH hos PAH-patienter, anbefales ikke til behandling af PH-LHD, da nedsat pulmonal vaskulær resistens (PVR) og øget lungeblodstrøm i nærvær af øget venstresidig påfyldningstryk kan forårsage venstre hjertedekompensation og lungeødem. Der skal udvikles nye strategier for at vende PH hos LHD-patienter. I modsætning til PAH udvikler PH-LHD sig på grund af øget mekanisk belastning forårsaget af overbelastning af blod i lungecirkulationen under venstre hjertesvigt. Klinisk normaliserer mekanisk losning af venstre ventrikel (LV) ved udskiftning af aortaklappen hos patienter med aortastenose eller ved implantation af LV-hjælpemidler hos patienter med hjertesvigt i slutstadiet ikke kun pulmonal arteriel og højre ventrikulær (RV) tryk, men også PVR, hvilket giver indirekte bevis for omvendt ombygning i lungevaskulaturen. Ved hjælp af en etableret rottemodel af PH-LHD på grund af venstre hjertesvigt udløst af trykoverbelastning med efterfølgende udvikling af PH udvikles en model til at studere de molekylære og cellulære mekanismer i denne fysiologiske omvendte ombygningsproces. Specifikt blev der udført en aortanedbrydende operation, hvilket resulterede i omvendt ombygning af LV-myokardiet og dets losning. Parallelt hermed kunne fuldstændig normalisering af RV systolisk tryk og signifikant, men ufuldstændig reversering af RV-hypertrofi påvises. Denne model kan udgøre et værdifuldt værktøj til at studere mekanismerne for fysiologisk omvendt ombygning i lungecirkulationen og RV med det formål at udvikle terapeutiske strategier til behandling af PH-LHD og andre former for PH.
Introduction
Hjertesvigt er den hyppigste dødsårsag i de udviklede lande og forventes at stige med 25 % i løbet af det næste årti. Pulmonal hypertension (PH) – en patologisk stigning i blodtrykket i lungecirkulationen – påvirker ca. 70% af patienterne med hjertesvigt i slutstadiet; Verdenssundhedsorganisationen klassificerer PH som pulmonal hypertension på grund af venstre hjertesygdom (PH-LHD)1. PH-LHD initieres af nedsat systolisk og / eller diastolisk venstre ventrikulær (LV) funktion, der resulterer i forhøjet påfyldningstryk og passiv overbelastning af blod i lungecirkulationen2. Selvom ph-LHD oprindeligt er reversibel, bliver den gradvist fikseret på grund af aktiv pulmonal vaskulær ombygning i alle rum i lungecirkulationen, dvs. arterier, kapillærer og vener 3,4. Både reversibel og fast PH øger RV-efterbelastning, hvilket oprindeligt driver adaptiv myokardiehypertrofi, men i sidste ende forårsager RV-dilatation, hypokinesis, fibrose og dekompensation, der gradvist fører til RV-svigt 1,2,5,6. Som sådan fremskynder PH sygdomsprogression hos hjertesvigtpatienter og øger dødeligheden, især hos patienter, der gennemgår kirurgisk behandling ved implantation af venstre ventrikulære hjælpemidler (LVAD) og / eller hjertetransplantation 7,8,9. I øjeblikket findes der ingen helbredende terapier, der kan vende processen med pulmonal vaskulær ombygning, så grundlæggende mekanistisk forskning i passende modelsystemer er nødvendig.
Det er vigtigt, at kliniske undersøgelser viser, at PH-LHD som en hyppig komplikation hos patienter med aortastenose kan forbedres hurtigt i den tidlige postoperative periode efter udskiftning af aortaklappen10. Tilsvarende blev høj (>3 Træenheder) præoperativ lunge vaskulær resistens (PVR), der imidlertid var reversibel på nitroprussid, bæredygtigt normaliseret efter hjertetransplantation i en 5-årig opfølgningsundersøgelse11. Tilsvarende kunne en passende reduktion af både reversibel og fast PVR og forbedring af RV-funktionen hos LHD-patienter realiseres inden for flere måneder ved at aflæse venstre ventrikel ved hjælp af implanterbare pulsatile og ikke-pulsatile ventrikulære hjælpemidler 12,13,14. I øjeblikket er de cellulære og molekylære mekanismer, der driver omvendt ombygning i lungecirkulationen og RV-myokardiet, uklare. Alligevel kan deres forståelse give vigtig indsigt i fysiologiske veje, der kan udnyttes terapeutisk til at vende lungevask og RV-ombygning i PH-LHD og andre former for PH.
En egnet præklinisk model, der i tilstrækkelig grad replikerer de patofysiologiske og molekylære egenskaber ved PH-LHD, kan anvendes til translationelle undersøgelser i trykoverbelastningsinduceret kongestiv hjertesvigt på grund af kirurgisk aortabånd (AoB) hos rotter 4,15,16. I sammenligning med lignende hjertesvigt på grund af trykoverbelastning i murinmodellen af tværgående aortaforsnævring (TAC)17 producerer banding af den stigende aorta over aortaroden hos AoB-rotter ikke hypertension i venstre halspulsåre, da bandingsstedet er proximalt for udstrømningen af venstre halspulsåre fra aorta. Som følge heraf forårsager AoB ikke venstresidig neuronal skade i cortex, som det er karakteristisk for TAC18, og som kan påvirke undersøgelsesresultatet. Sammenlignet med andre gnavermodeller af kirurgisk induceret PH-LHD viser rottemodeller generelt og AoB i særdeleshed sig at være mere robuste, reproducerbare og replikere ombygningen af lungecirkulationskarakteristikken for PH-LHD-patienter. Samtidig er perioperativ dødelighed lav19. Øget LV-tryk og LV-dysfunktion hos AoB-rotter inducerer PH-LHD-udvikling, hvilket resulterer i forhøjet RV-tryk og RV-ombygning. Som sådan har AoB-rottemodellen vist sig yderst nyttig i en række tidligere undersøgelser af uafhængige grupper, herunder os selv, til at identificere patomekanismer af lunge vaskulær ombygning og teste potentielle behandlingsstrategier for PH-LHD 4,15,20,21,22,23,24,25.
I denne undersøgelse blev AoB-rottemodellen brugt til at etablere en kirurgisk procedure for aortadebanding for at studere mekanismer til omvendt ombygning i lungevaskulaturen og RV. Tidligere er myokardie-omvendt remodelingsmodeller såsom aortabanding hos mus26 og rotter27 blevet udviklet til at undersøge de cellulære og molekylære mekanismer, der regulerer regressionen af venstre ventrikulær hypertrofi og teste potentielle terapeutiske muligheder for at fremme myokardie Opsving. Desuden har et begrænset antal tidligere undersøgelser undersøgt virkningerne af aortadebanding på PH-LHD hos rotter og vist, at aortadebanding kan vende medial hypertrofi i lungearterioler, normalisere ekspressionen af pre-pro-endothelin 1 og forbedre lungehæmodynamik27,28, hvilket giver bevis for reversibiliteten af PH hos rotter med hjertesvigt. Her optimeres og standardiseres de tekniske procedurer for debanding kirurgi, f.eks. ved at anvende en trakeotomi i stedet for endotracheal intubation eller ved at anvende titaniumclips med en defineret indre diameter til aortabånd i stedet for polypropylensuturer med en stump nål26,27, hvilket giver bedre kontrol med de kirurgiske procedurer, øget reproducerbarhed af modellen og en forbedret overlevelsesrate.
Fra et videnskabeligt perspektiv ligger betydningen af PH-LHD-debanding-modellen ikke kun i at demonstrere reversibiliteten af den kardiovaskulære og lungefænotype ved hjertesvigt, men endnu vigtigere i identifikationen af molekylære drivere, der udløser og / eller opretholder omvendt ombygning i lungearterier som lovende kandidater til fremtidig terapeutisk målretning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her rapporteres en detaljeret kirurgisk teknik til aortadebanding i en rotte AoB-model, der kan bruges til at undersøge reversibiliteten af PH-LHD og de cellulære og molekylære mekanismer, der driver omvendt ombygning i lungevaskulaturen og RV. Tre ugers aortaforsnævring hos unge rotter resulterer i PH-LHD tydeligt som øget LV-tryk, LV-hypertrofi og samtidig øget RV-tryk og RV-hypertrofi. Aorta debanding i uge 3 efter AoB var i stand til at aflæse LV og helt vende LV hypertrofi inden for to uger efter Deb. Paralle…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af bevillinger fra DZHK (tysk center for kardiovaskulær forskning) til CK og WMK, BMBF (det tyske ministerium for uddannelse og forskning) til CK inden for rammerne af VasBio og til WMK inden for rammerne af VasBio, SYMPATH og PROVID og den tyske forskningsfond (DFG) til WMK (SFB-TR84 A2, SFB-TR84 C9, SFB 1449 B1, SFB 1470 A4, KU1218/9-1 og KU1218/11-1).
Materials
| Amoxicillin | Ratiopharm | PC: 04150075615985 | Antibiotic |
| Anti-BNP antibody | Abcam | ab239510 | Western Blotting |
| Aquasonic 100 Ultrasound gel | Parker Laboratories | BT-025-0037L | Echocardiography consumables |
| Bepanthen | Bayer | 6029009.00.00 | Eye ointment eye ointment |
| Carprosol (Carprofen) | CP-Pharma | 401808.00.00 | Analgesic |
| Clip holder | Weck stainless USA | 523140S | Surgical instruments |
| Fine scissors Tungsten carbide | Fine Science Tools | 14568-12 | Surgical scissors |
| Fine scissors Tungsten carbide | Fine Science Tools | 14568-09 | Surgical scissors |
| High-resolution imaging system | FUJIFILM VisualSonics, Amsterdam, Netherlands | VeVo 3100 | Echocardiography machine. Images were acquired with pulse-wave Doppler mode, M-mode and B-mode |
| Isoflurane | CP-Pharma | 400806.00.00 | Anesthetic |
| Ketamine | CP-Pharma | 401650.00.00 | Anesthetic |
| Mathieu needle holder | Fine Science Tools | 12010-14 | Surgical instruments |
| Mechanical ventilator (Rodent ventilator) | UGO Basile S.R.L. | 7025 | Volume controlled respirator |
| Metal clip | Hemoclip | 523735 | Surgical consumables |
| Microscope | Leica | M651 | Manual surgical microscope for microsurgical procedures |
| Millar Mikro-Tip pressure catheters | ADInstruments | SPR-671 | Hemodynamics assessment |
| Moria Iris forceps | Fine Science Tools | 11373-12 | Surgical forceps |
| Noyes spring scissors | Fine Science Tools | 15013-12 | Surgical scissors |
| Povidone iodine/iodophor solution | B/Braun | 16332M01 | Disinfection |
| PowerLab | ADInstruments | 4_35 | Hemodynamics assessment |
| Prolene Suture, 4-0 | Ethicon | EH7830 | Surgical consumables |
| Rib spreader (Alm selfretaining retractor blunt, 70 mm, 2 3/4″) | Austos | AE-BV010R | Surgical instruments |
| Serrated Graefe forceps | Fine Science Tools | 11052-10 | Surgical forceps |
| Silk Suture, 4-0 | Ethicon | K871 | Surgical consumables |
| Skin disinfiction solution (colored) | B/Braun | 19412M07 | Disinfection |
| Spectra 360 Elektrode gel | Parker Laboratories | TB-250-0241H | Echocardiography consumables |
| Sponge points tissue | Sugi | REF 30601 | Surgical consumables |
| Sprague-Dawley rat | Janvier Labs, Le Genest-Saint-Isle, France | Study animals | |
| Tracheal cannula | Outer diameter 2 mm | ||
| Xylazin | CP-Pharma | 401510.00.00 | Anesthetic |
References
- Rosenkranz, S., et al. Pulmonary hypertension due to left heart disease: Updated recommendations of the cologne consensus conference 2011. International Journal of Cardiology. 154, 34-44 (2011).
- Rosenkranz, S., et al. Left ventricular heart failure and pulmonary hypertension. European Heart Journal. 37 (12), 942-954 (2016).
- Fayyaz, A. U., et al. Global Pulmonary vascular remodeling in pulmonary hypertension associated with heart failure and preserved or reduced ejection fraction. Circulation. 137 (17), 1796-1810 (2018).
- Hunt, J. M., et al. Pulmonary veins in the normal lung and pulmonary hypertension due to left heart disease. The American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology. 305 (10), 725-736 (2013).
- Bursi, F., et al. Pulmonary pressures and death in heart failure: A community study. Journal of the American College of Cardiology. 59 (3), 222-231 (2012).
- Ryan, J. J., et al. Right ventricular adaptation and failure in pulmonary arterial hypertension. Canadian Journal of Cardiology. 31 (4), 391-406 (2015).
- Miller, W. L., Mahoney, D. W., Enriquez-Sarano, M. Quantitative Doppler-echocardiographic imaging and clinical outcomes with left ventricular systolic dysfunction: Independent effect of pulmonary hypertension. Circulation: Cardiovascular Imaging. 7 (2), 330-336 (2014).
- Kjaergaard, J., et al. Prognostic importance of pulmonary hypertension in patients with heart failure. The American Journal of Cardiology. 99 (8), 1146-1150 (2007).
- Shah, R., et al. Pulmonary hypertension after heart transplantation in patients bridged with the total artificial heart. ASAIO Journal. 62 (1), 69-73 (2016).
- Tracy, G. P., Proctor, M. S., Hizny, C. S. Reversibility of pulmonary artery hypertension in aortic stenosis after aortic valve replacement. The Annals of Thoracic Surgery. 50 (1), 89-93 (1990).
- Lindelow, B., Andersson, B., Waagstein, F., Bergh, C. H. High and low pulmonary vascular resistance in heart transplant candidates. A 5-year follow-up after heart transplantation shows continuous reduction in resistance and no difference in complication rate. European Heart Journal. 20 (2), 148-156 (1999).
- Martin, J., et al. Implantable left ventricular assist device for treatment of pulmonary hypertension in candidates for orthotopic heart transplantation-a preliminary study. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 25 (6), 971-977 (2004).
- Gallagher, R. C., et al. Univentricular support results in reduction of pulmonary resistance and improved right ventricular function. ASAIO Transactions. 37 (3), 287-288 (1991).
- Beyersdorf, F., Schlensak, C., Berchtold-Herz, M., Trummer, G. Regression of "fixed" pulmonary vascular resistance in heart transplant candidates after unloading with ventricular assist devices. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 140 (4), 747-749 (2010).
- Hoffmann, J., et al. Mast cells promote lung vascular remodelling in pulmonary hypertension. European Respiratory Journal. 37 (6), 1400-1410 (2011).
- Litwin, S. E., et al. Serial echocardiographic-Doppler assessment of left ventricular geometry and function in rats with pressure-overload hypertrophy. Chronic angiotensin-converting enzyme inhibition attenuates the transition to heart failure. Circulation. 91 (10), 2642-2654 (1995).
- 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 Sciences of the United States of America. 88 (18), 8277-8281 (1991).
- de Montgolfier, O., et al. High Systolic blood pressure induces cerebral microvascular endothelial dysfunction, neurovascular unit damage, and cognitive decline in mice. Hypertension. 73 (1), 217-228 (2019).
- Breitling, S., Ravindran, K., Goldenberg, N. M., Kuebler, W. M. The pathophysiology of pulmonary hypertension in left heart disease. American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology. 309 (9), 924-941 (2015).
- Ranchoux, B., et al. Metabolic syndrome exacerbates pulmonary hypertension due to left heart disease. Circulation Research. 125 (4), 449-466 (2019).
- Zhang, H., Huang, W., Liu, H., Zheng, Y., Liao, L. Mechanical stretching of pulmonary vein stimulates matrix metalloproteinase-9 and transforming growth factor-beta1 through stretch-activated channel/MAPK pathways in pulmonary hypertension due to left heart disease model rats. PLoS One. 15, 0235824 (2020).
- Yin, J., et al. Sildenafil preserves lung endothelial function and prevents pulmonary vascular remodeling in a rat model of diastolic heart failure. Circulation: Heart Failure. 4 (2), 198-206 (2011).
- Yin, N., et al. Inhaled nitric oxide versus aerosolized iloprost for the treatment of pulmonary hypertension with left heart disease. Critical Care Medicine. 37 (3), 980-986 (2009).
- Breitling, S., et al. The mast cell-B cell axis in lung vascular remodeling and pulmonary hypertension. American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology. 312 (5), 710-721 (2017).
- Kerem, A., et al. Lung endothelial dysfunction in congestive heart failure: Role of impaired Ca2+ signaling and cytoskeletal reorganization. Circulation Research. 106 (6), 1103-1116 (2010).
- Goncalves-Rodrigues, P., Miranda-Silva, D., Leite-Moreira, A. F., Falcao-Pires, I. Studying left ventricular reverse remodeling by aortic debanding in rodents. Journal of Visualized Experiments. (173), e60036 (2021).
- Miranda-Silva, D., et al. Characterization of biventricular alterations in myocardial (reverse) remodelling in aortic banding-induced chronic pressure overload. Scientific Reports. 9, 2956 (2019).
- Chou, S. H., et al. The effects of debanding on the lung expression of ET-1, eNOS, and cGMP in rats with left ventricular pressure overload. Experimental Biology and Medicine. 231 (6), 954-959 (2006).
- Hentschel, T., et al. Inhalation of the phosphodiesterase-3 inhibitor milrinone attenuates pulmonary hypertension in a rat model of congestive heart failure. Anesthesiology. 106 (1), 124-131 (2007).
- Gs, A. K., Raj, B., Santhosh, K. S., Sanjay, G., Kartha, C. C. Ascending aortic constriction in rats for creation of pressure overload cardiac hypertrophy model. Journal of Visualized Experiments. (88), e50983 (2014).
- Angermann, C. E., Ertl, G. Natriuretic peptides–new diagnostic markers in heart disease. Herz. 29 (6), 609-617 (2004).
- Ordodi, V. L., Paunescu, V., Mic, F. A. Optimal access to the rat heart by transverse bilateral thoracotomy with double ligature of the internal thoracic arteries. American Association for Laboratory Animal Science. 47 (5), 44-46 (2008).
- Fay, D. S., Gerow, K. A biologist’s guide to statistical thinking and analysis. WormBook. , 1-54 (2013).
- Etz, C. D., et al. Medically refractory pulmonary hypertension: treatment with nonpulsatile left ventricular assist devices. The Annals of Thoracic Surgery. 83 (5), 1697-1705 (2007).
- Mikus, E., et al. Reversibility of fixed pulmonary hypertension in left ventricular assist device support recipients. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 40 (4), 971-977 (2011).
- Zelt, J. G. E., Chaudhary, K. R., Cadete, V. J., Mielniczuk, L. M., Stewart, D. J. Medical therapy for heart failure associated with pulmonary hypertension. Circulation Research. 124 (11), 1551-1567 (2019).
