En modell for omvendt vaskulær ombygging i lungehypertensjon på grunn av venstre hjertesykdom ved aortisk debanding hos rotter
Summary
Den nåværende protokollen beskriver en kirurgisk prosedyre for å fjerne stigende aortabånd i en rottemodell av lungehypertensjon på grunn av venstre hjertesykdom. Denne teknikken studerer endogene mekanismer for omvendt ombygging i lungesirkulasjonen og høyre hjerte, og informerer dermed strategier for å reversere lungehypertensjon og/eller høyre ventrikulær dysfunksjon.
Abstract
Pulmonal hypertensjon på grunn av venstre hjertesykdom (PH-LHD) er den vanligste formen for PH, men dens patofysiologi er dårlig preget enn pulmonal arteriell hypertensjon (PAH). Som et resultat mangler godkjente terapeutiske inngrep for behandling eller forebygging av PH-LHD. Legemidler som brukes til å behandle PH hos PAH-pasienter anbefales ikke til behandling av PH-LHD, da redusert lungevaskulær resistens (PVR) og økt lungeblodstrøm i nærvær av økt venstresidet fyllingstrykk kan forårsake venstre hjertedekompensasjon og lungeødem. Nye strategier må utvikles for å reversere PH hos LHD-pasienter. I motsetning til PAH utvikler PH-LHD seg på grunn av økt mekanisk belastning forårsaket av overbelastning av blod i lungesirkulasjonen under venstre hjertesvikt. Klinisk, mekanisk lossing av venstre ventrikel (LV) ved aortaventil erstatning i aorta stenose pasienter eller ved implantasjon av LV assist enheter i sluttfasen hjertesvikt pasienter normaliserer ikke bare lungearterielle og høyre ventrikulære (RV) trykk, men også PVR, og dermed gir indirekte bevis for omvendt ombygging i lungevaskulaturen. Ved hjelp av en etablert rottemodell av PH-LHD på grunn av venstre hjertesvikt utløst av trykkoverbelastning med etterfølgende utvikling av PH, utvikles en modell for å studere de molekylære og cellulære mekanismene i denne fysiologiske omvendte ombyggingsprosessen. Spesielt ble det utført en aortadebandingsoperasjon, noe som resulterte i omvendt ombygging av LV-myokardiet og lossing. Parallelt var fullstendig normalisering av RV systolisk trykk og betydelig, men ufullstendig reversering av RV hypertrofi påviselig. Denne modellen kan presentere et verdifullt verktøy for å studere mekanismene for fysiologisk omvendt ombygging i lungesirkulasjonen og bobilen, med sikte på å utvikle terapeutiske strategier for behandling av PH-LHD og andre former for PH.
Introduction
Hjertesvikt er den ledende dødsårsaken i utviklede land og forventes å øke med 25% i løpet av det neste tiåret. Pulmonal hypertensjon (PH) – en patologisk økning av blodtrykket i lungesirkulasjonen – påvirker ca. 70% av pasientene med hjertesvikt i sluttfasen; Verdens helseorganisasjon klassifiserer PH som pulmonal hypertensjon på grunn av venstre hjertesykdom (PH-LHD)1. PH-LHD initieres av nedsatt systolisk og/eller diastolisk venstre ventrikkelfunksjon (LV) som resulterer i forhøyet fyllingstrykk og passiv overbelastning av blod inn i lungesirkulasjonen2. Selv om ph-LHD i utgangspunktet er reversibel, blir den gradvis fast på grunn av aktiv lungevaskulær ombygging i alle rom i lungesirkulasjonen, det vil si arterier, kapillærer og årer 3,4. Både reversibel og fast PH øke RV etterbelastning, i utgangspunktet kjøre adaptativ myokard hypertrofi, men til slutt forårsaker RV dilatasjon, hypokinese, fibrose, og dekompensasjon som gradvis fører til RV-feil 1,2,5,6. Som sådan akselererer PH sykdomsprogresjon hos hjertesviktpasienter og øker dødeligheten, spesielt hos pasienter som gjennomgår kirurgisk behandling ved implantasjon av venstre ventrikulære hjelpeenheter (LVAD) og / eller hjertetransplantasjon 7,8,9. For tiden finnes det ingen kurative terapier som kan reversere prosessen med lungevaskulær ombygging, så grunnleggende mekanistisk forskning i passende modellsystemer er nødvendig.
Det er viktig at kliniske studier viser at PH-LHD som hyppig komplikasjon hos pasienter med aortastenose kan forbedre seg raskt i den tidlige postoperative perioden etter aortaventilerstatning10. Analogt ble høy (>3 treenheter) preoperativ lungevaskulær resistens (PVR) som imidlertid var reversibel på nitroprusside bærekraftig normalisert etter hjertetransplantasjon i en 5-års oppfølgingsstudie11. På samme måte kan en tilstrekkelig reduksjon av både reversibel og fast PVR og forbedring av RV-funksjonen hos LHD-pasienter realiseres innen flere måneder ved å losse venstre ventrikel ved hjelp av implanterbar pulsatile og ikke-pulsatile ventrikulære hjelpeenheter 12,13,14. For tiden er de cellulære og molekylære mekanismene som driver omvendt ombygging i lungesirkulasjonen og RV-myokardiet uklart. Likevel kan deres forståelse gi viktig innsikt i fysiologiske veier som kan utnyttes terapeutisk for å reversere lungevaskulær og rv-ombygging i PH-LHD og andre former for PH.
En egnet preklinisk modell som tilstrekkelig replikerer de patofysiologiske og molekylære egenskapene til PH-LHD, kan brukes til translasjonelle studier i trykkoverbelastningsindusert kongestiv hjertesvikt på grunn av kirurgisk aortabånd (AoB) hos rotter 4,15,16. Sammenlignet med lignende hjertesvikt på grunn av trykkoverbelastning i murinmodellen av tverrgående aorta innsnevring (TAC)17, gir banding av stigende aorta over aortaroten i AoB-rotter ikke hypertensjon i venstre karotisarterie da båndstedet er proksimalt for utstrømningen av venstre karotisarterie fra aorta. Som et resultat forårsaker AoB ikke venstresidige nevronskader i cortex som er karakteristisk for TAC18, og som kan påvirke studieresultatet. Sammenlignet med andre gnagermodeller av kirurgisk indusert PH-LHD, viser rottemodeller generelt, og AoB spesielt, seg å være mer robuste, reproduserbare og gjenskape ombyggingen av lungesirkulasjonskarakteristikken for PH-LHD-pasienter. Samtidig er perioperativ dødelighet lav19. Økt LV-trykk og LV-dysfunksjon hos AoB-rotter induserer PH-LHD-utvikling, noe som resulterer i forhøyede RV-trykk og ombygging av bobiler. Som sådan har AoB-rottemodellen vist seg ekstremt nyttig i en rekke tidligere studier av uavhengige grupper, inkludert oss selv, for å identifisere patomekanismer av lungevaskulær ombygging og teste potensielle behandlingsstrategier for PH-LHD 4,15,20,21,22,23,24,25.
I den nåværende studien ble AoB-rottemodellen brukt til å etablere en kirurgisk prosedyre for aortadebanding for å studere mekanismer for omvendt ombygging i lungevaskulaturen og bobilen. Tidligere har myokard-omvendt ombyggingsmodeller som aortadebanding hos mus26 og rotter27 blitt utviklet for å undersøke de cellulære og molekylære mekanismene som regulerer regresjonen av venstre ventrikulær hypertrofi og teste potensielle terapeutiske alternativer for å fremme myokardiale bedring. Videre har et begrenset antall tidligere studier undersøkt effekten av aortadebanding på PH-LHD hos rotter og vist at aortadebanding kan reversere medial hypertrofi i lungearterioler, normalisere uttrykket for pre-pro-endothelin 1 og forbedre lunge hemodynamikk27,28, noe som gir bevis for reversibility av PH hos rotter med hjertesvikt. Her er de tekniske prosedyrene for debanding kirurgi optimalisert og standardisert, for eksempel ved å bruke en trakeotomi i stedet for endotrakeal intubasjon eller ved å bruke titan klips av en definert indre diameter for aorta banding i stedet for polypropylen suturer med en stump nål26,27, og dermed gi bedre kontroll over kirurgiske prosedyrer, økt reproduserbarhet av modellen og en forbedret overlevelsesgrad.
Fra et vitenskapelig perspektiv ligger betydningen av PH-LHD-debanding-modellen ikke bare i å demonstrere reversibiliteten til kardiovaskulær og lungefenotype i hjertesvikt, men enda viktigere, i identifisering av molekylære drivere som utløser og / eller opprettholder omvendt ombygging i lungearterier som lovende kandidater for fremtidig terapeutisk målretting.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her rapporteres en detaljert kirurgisk teknikk for aortadebanding i en rotte AoB-modell som kan brukes til å undersøke reversibiliteten til PH-LHD og de cellulære og molekylære mekanismene som driver omvendt ombygging i lungevaskulaturen og bobilen. Tre uker med aorta innsnevring hos juvenile rotter resulterer i PH-LHD tydelig som økt LV-trykk, LV hypertrofi, og samtidig økt RV-trykk og RV hypertrofi. Aorta debanding i uke 3 post-AoB var i stand til å losse LV og fullstendig reversere LV hypertrofi innen to uker e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av tilskudd fra DZHK (German Centre for Cardiovascular Research) til CK og WMK, BMBF (German Ministry of Education and Research) til CK innenfor rammen av VasBio, og til WMK innenfor rammen av VasBio, SYMPATH og PROVID, og German Research Foundation (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).
