Een model van omgekeerde vasculaire remodellering bij pulmonale hypertensie als gevolg van linkerhartziekte door aorta-debanding bij ratten
Summary
Het huidige protocol beschrijft een chirurgische procedure om oplopende aortabanding te verwijderen in een rattenmodel van pulmonale hypertensie als gevolg van linkerhartaandoeningen. Deze techniek bestudeert endogene mechanismen van omgekeerde remodellering in de pulmonale circulatie en het rechterhart, waardoor strategieën worden geïnformeerd om pulmonale hypertensie en / of rechterventrikeldisfunctie om te keren.
Abstract
Pulmonale hypertensie als gevolg van linker hart-en vaatziekten (PH-LHD) is de meest voorkomende vorm van PH, maar de pathofysiologie is slecht gekarakteriseerd dan pulmonale arteriële hypertensie (PAH). Als gevolg hiervan ontbreken goedgekeurde therapeutische interventies voor de behandeling of preventie van PH-LHD. Medicijnen die worden gebruikt voor de behandeling van PH bij PAH-patiënten worden niet aanbevolen voor de behandeling van PH-LHD, omdat verminderde pulmonale vasculaire weerstand (PVR) en verhoogde pulmonale bloedstroom in aanwezigheid van verhoogde linkszijdige vuldrukken decompensatie van het linkerhart en longoedeem kunnen veroorzaken. Er moeten nieuwe strategieën worden ontwikkeld om PH bij LHD-patiënten om te keren. In tegenstelling tot PAH ontwikkelt PH-LHD zich als gevolg van verhoogde mechanische belasting veroorzaakt door congestie van bloed in de longcirculatie tijdens links hartfalen. Klinisch normaliseert mechanische ontlading van de linker ventrikel (LV) door aortaklepvervanging bij aortastenosepatiënten of door implantatie van LV-hulpmiddelen bij patiënten met eindstadium hartfalen niet alleen pulmonale arteriële en rechterventrikel (RV) drukken, maar ook PVR, waardoor indirect bewijs wordt geleverd voor omgekeerde remodellering in de pulmonale vasculatuur. Met behulp van een gevestigd rattenmodel van PH-LHD als gevolg van linkerhartfalen veroorzaakt door drukoverbelasting met daaropvolgende ontwikkeling van PH, wordt een model ontwikkeld om de moleculaire en cellulaire mechanismen van dit fysiologische omgekeerde remodelleringsproces te bestuderen. In het bijzonder werd een aorta-ontbandingsoperatie uitgevoerd, wat resulteerde in omgekeerde remodellering van het LV-myocardium en het lossen ervan. Tegelijkertijd was volledige normalisatie van RV-systolische druk en significante maar onvolledige omkering van RV-hypertrofie detecteerbaar. Dit model kan een waardevol hulpmiddel zijn om de mechanismen van fysiologische omgekeerde remodellering in de longcirculatie en de RV te bestuderen, met als doel therapeutische strategieën te ontwikkelen voor de behandeling van PH-LHD en andere vormen van PH.
Introduction
Hartfalen is de belangrijkste doodsoorzaak in ontwikkelde landen en zal naar verwachting de komende tien jaar met 25% toenemen. Pulmonale hypertensie (PH) – een pathologische verhoging van de bloeddruk in de pulmonale circulatie – treft ongeveer 70% van de patiënten met hartfalen in het eindstadium; de Wereldgezondheidsorganisatie classificeert PH als pulmonale hypertensie als gevolg van linker hart-en vaatziekten (PH-LHD)1. PH-LHD wordt geïnitieerd door een verminderde systolische en/of diastolische linkerventrikel (LV) functie die resulteert in verhoogde vuldruk en passieve congestie van bloed in de pulmonale circulatie2. Hoewel aanvankelijk omkeerbaar, wordt PH-LHD geleidelijk gefixeerd als gevolg van actieve pulmonale vasculaire remodellering in alle compartimenten van de pulmonale circulatie, d.w.z. slagaders, haarvaten en aderen 3,4. Zowel omkeerbare als vaste PH verhogen de RV-nabelasting, waardoor aanvankelijk adaptieve myocardiale hypertrofie wordt veroorzaakt, maar uiteindelijk RV-dilatatie, hypokinese, fibrose en decompensatie wordt veroorzaakt die geleidelijk leiden tot RV-falen 1,2,5,6. Als zodanig versnelt PH de progressie van de ziekte bij patiënten met hartfalen en verhoogt het de mortaliteit, met name bij patiënten die een chirurgische behandeling ondergaan door implantatie van linkerventrikelhulpapparaten (LVAD) en / of harttransplantatie 7,8,9. Momenteel bestaan er geen curatieve therapieën die het proces van pulmonale vasculaire remodellering kunnen omkeren, dus fundamenteel mechanistisch onderzoek in geschikte modelsystemen is nodig.
Belangrijk is dat klinische studies aantonen dat PH-LHD als een frequente complicatie bij patiënten met aortastenose snel kan verbeteren in de vroege postoperatieve periode na aortaklepvervanging10. Analoog werd hoge (>3 Wood Units) preoperatieve pulmonale vasculaire weerstand (PVR) die echter omkeerbaar was op nitroprusside duurzaam genormaliseerd na harttransplantatie in een 5-jarige follow-up studie11. Evenzo kon een adequate vermindering van zowel reversibele als vaste PVR en verbetering van de RV-functie bij LHD-patiënten binnen enkele maanden worden gerealiseerd door de linker ventrikel te lossen met behulp van implanteerbare pulsatiele en niet-pulsatiele ventriculaire hulpmiddelen 12,13,14. Momenteel zijn de cellulaire en moleculaire mechanismen die omgekeerde remodellering in de longcirculatie en RV-myocard veroorzaken onduidelijk. Toch kan hun begrip belangrijk inzicht geven in fysiologische routes die therapeutisch kunnen worden benut om long vasculaire en RV-remodellering in PH-LHD en andere vormen van PH om te keren.
Een geschikt preklinisch model dat de pathofysiologische en moleculaire kenmerken van PH-LHD adequaat repliceert, kan worden gebruikt voor translationele studies bij drukoverbelasting-geïnduceerd congestief hartfalen als gevolg van chirurgische aortabanding (AoB) bij ratten 4,15,16. In vergelijking met vergelijkbaar hartfalen als gevolg van drukoverbelasting in het muizenmodel van transversale aortavernauwing (TAC)17, veroorzaakt bandering van de opgaande aorta boven de aortawortel bij AoB-ratten geen hypertensie in de linker halsslagader, omdat de bandeologieplaats proximaal is van de uitstroom van de linker halsslagader uit de aorta. Als gevolg hiervan veroorzaakt AoB geen linkszijdig neuronaal letsel in de cortex, zoals kenmerkend is voor TAC18, en dat de onderzoeksresultaten kan beïnvloeden. In vergelijking met andere knaagdiermodellen van chirurgisch geïnduceerde PH-LHD, blijken rattenmodellen in het algemeen, en AoB in het bijzonder, robuuster en reproduceerbaarder te zijn en repliceren ze de remodellering van de pulmonale circulatie die kenmerkend is voor PH-LHD-patiënten. Tegelijkertijd is de perioperatieve letaliteit laag19. Verhoogde LV-drukken en LV-disfunctie bij AoB-ratten induceren PH-LHD-ontwikkeling, wat resulteert in verhoogde RV-drukken en RV-remodellering. Als zodanig is het AoB-rattenmodel uiterst nuttig gebleken in een reeks eerdere studies door onafhankelijke groepen, waaronder wijzelf, om pathhomemechanismen van pulmonale vasculaire remodellering te identificeren en potentiële behandelingsstrategieën voor PH-LHD 4,15,20,21,22,23,24,25 te testen.
In de huidige studie werd het AoB-rattenmodel gebruikt om een chirurgische procedure van aorta-debanding vast te stellen om mechanismen van omgekeerde remodellering in de pulmonale vasculatuur en de RV te bestuderen. Eerder zijn myocardiale omgekeerde remodelleringsmodellen zoals aorta-debanding bij muizen26 en ratten27 ontwikkeld om de cellulaire en moleculaire mechanismen te onderzoeken die de regressie van linkerventrikelhypertrofie reguleren en potentiële therapeutische opties te testen om myocardiale terugwinning. Bovendien heeft een beperkt aantal eerdere studies de effecten van aorta-debanding op PH-LHD bij ratten onderzocht en aangetoond dat aorta-debanding mediale hypertrofie bij pulmonale arteriolen kan omkeren, de expressie van pre-pro-endotheline 1 kan normaliseren en de pulmonale hemodynamiek kan verbeteren27,28, wat bewijs levert voor de reversibiliteit van PH bij ratten met hartfalen. Hier worden de technische procedures van de ontbandingsoperatie geoptimaliseerd en gestandaardiseerd, bijvoorbeeld door een tracheotomie toe te passen in plaats van endotracheale intubatie of door titanium clips met een gedefinieerde binnendiameter te gebruiken voor aortabanding in plaats van polypropyleen hechtingen met een stompe naald26,27, waardoor een betere controle van de chirurgische procedures, verhoogde reproduceerbaarheid van het model en een verbeterde overlevingskans mogelijk is.
Vanuit een wetenschappelijk perspectief ligt de betekenis van het PH-LHD-debandingmodel niet alleen in het aantonen van de reversibiliteit van het cardiovasculaire en pulmonale fenotype bij hartfalen, maar nog belangrijker, in de identificatie van moleculaire drivers die omgekeerde remodellering in longslagaders activeren en / of ondersteunen als veelbelovende kandidaten voor toekomstige therapeutische targeting.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier wordt een gedetailleerde chirurgische techniek voor aorta-debanding in een rat AoB-model gerapporteerd die kan worden gebruikt om de omkeerbaarheid van PH-LHD en de cellulaire en moleculaire mechanismen die omgekeerde remodellering in de pulmonale vasculatuur en de RV stimuleren, te onderzoeken. Drie weken aortavernauwing bij juveniele ratten resulteert in PH-LHD die duidelijk zichtbaar is als verhoogde LV-druk, LV-hypertrofie en gelijktijdig verhoogde RV-druk en RV-hypertrofie. Aorta-debanding in week 3 na AoB was …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door subsidies van het DZHK (Duits Centrum voor Cardiovasculair Onderzoek) aan CK en WMK, het BMBF (Duits Ministerie van Onderwijs en Onderzoek) aan CK in het kader van VasBio, en aan WMK in het kader van VasBio, SYMPATH en PROVID, en de Duitse Stichting voor Onderzoek (DFG) aan WMK (SFB-TR84 A2, SFB-TR84 C9, SFB 1449 B1, SFB 1470 A4, KU1218/9-1 en 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).
