מודל כירורגי של אי ספיקת לב עם מקטע פליטה שמור במיני-חזירים טיבטיים
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר הליך שלב אחר שלב לביסוס מודל מיני-חזיר של אי ספיקת לב עם מקטע פליטה שמור באמצעות התכווצות אבי העורקים היורדת. כמו כן מוצגות השיטות להערכת מורפולוגיה לבבית, היסטולוגיה ותפקוד של מודל מחלה זה.
Abstract
יותר ממחצית ממקרי אי ספיקת לב (HF) מסווגים כאי ספיקת לב עם מקטע פליטה שמור (HFpEF) ברחבי העולם. מודלים גדולים של בעלי חיים מוגבלים לחקר המנגנונים הבסיסיים של HFpEF ולזיהוי מטרות טיפוליות פוטנציאליות. עבודה זו מספקת תיאור מפורט של ההליך הכירורגי של התכווצות אבי העורקים היורד (DAC) במיני-חזירים טיבטיים כדי לבסס מודל של בעלי חיים גדולים של HFpEF. מודל זה השתמש בהתכווצות מבוקרת מדויקת של אבי העורקים היורד כדי לגרום לעומס לחץ כרוני בחדר השמאלי. אקוקרדיוגרפיה שימשה להערכת השינויים המורפולוגיים והתפקודיים בלב. לאחר 12 שבועות של לחץ DAC, מחיצת החדר הייתה היפרטרופית, אך עובי הדופן האחורית הופחת משמעותית, מלווה בהתרחבות החדר השמאלי. עם זאת, מקטע פליטת LV של לבבות הדגם נשמר על >50% במהלך תקופה של 12 שבועות. יתר על כן, מודל DAC הראה נזק לבבי, כולל פיברוזיס, דלקת והיפרטרופיה קרדיומיוציטים. רמות סמן אי ספיקת לב היו גבוהות באופן משמעותי בקבוצת DAC. HFpEF זה המושרה על ידי DAC במיניחזירים הוא כלי רב עוצמה לחקר מנגנונים מולקולריים של מחלה זו ולבדיקות פרה-קליניות.
Introduction
אי ספיקת לב עם מקטע פליטה משומר (HFpEF) מהווה יותר ממחצית ממקרי אי ספיקת הלב והפכה לבעיה עולמית בבריאות הציבור1. תצפיות קליניות הצביעו על מספר מאפיינים קריטיים של HFpEF: (1) תפקוד דיאסטולי חדרי, מלווה בנוקשות סיסטולית מוגברת, (2) מקטע פליטה רגיל במנוחה עם ביצועי פעילות גופנית לקויים, ו (3) שיפוץ לב2. המנגנונים המוצעים כוללים חוסר ויסות הורמונלי, דלקת כלי דם מערכתית, הפרעות מטבוליות והפרעות בחלבוני מטריצה סרקומרית וחוץ-תאית3. עם זאת, מחקרים ניסיוניים הראו כי אי ספיקת לב עם מקטע פליטה מופחת (HFrEF) גורמת לשינויים אלה. מחקרים קליניים בחנו את ההשפעות הטיפוליות של מעכבי קולטן אנגיוטנסין ותרופות לטיפול ב- HFrEF ב- HFpEF 4,5. עם זאת, יש צורך בגישות טיפוליות ייחודיות עבור HFpEF. בהשוואה להבנת הסימפטומים הקליניים, השינויים בפתולוגיה, ביוכימיה וביולוגיה מולקולרית של HFpEF נותרו מוגדרים בצורה גרועה.
מודלים של בעלי חיים של HFpEF פותחו כדי לחקור את המנגנונים, סמני האבחון והגישות הטיפוליות. חיות מעבדה, כולל חזירים, כלבים, חולדות ועכברים, יכולות לפתח HFpEF, וגורמי סיכון מגוונים, כולל יתר לחץ דם, סוכרת והזדקנות, נבחרו כגורמי אינדוקציה 6,7. לדוגמה, deoxycorticosterone אצטט לבד או בשילוב עם דיאטה עתירת שומן/סוכר משרה HFpEF בחזירים 8,9. עומס יתר של לחץ חדרי הוא טכניקה נוספת המשמשת לפיתוח HFpEF במודלים של בעלי חיים גדולים וקטנים10. בנוסף, ערכי חיתוך EF ספציפיים להגדרת HFpEF אומצו על פני יבשות בשנים האחרונות, כפי שניתן לראות בהנחיות האגודה האירופית לקרדיולוגיה, הקולג ‘האמריקאי לקרדיולוגיה הקרן / איגוד הלב האמריקאי11, החברה היפנית למחזור הדם / החברה היפנית לאי ספיקת לב12. לפיכך, מודלים רבים שהוקמו בעבר עשויים להתאים למחקרי HFpEF אם יאומצו הקריטריונים הקליניים. לדוגמה, Youselfi et al. טענו כי זן עכבר מהונדס גנטית, Col4a3-/-, הוא מודל HFpEF יעיל. זן זה פיתח תסמינים לבביים אופייניים של HFpEF, כגון תפקוד לקוי של דיאסטול, תפקוד לקוי של המיטוכונדריה ועיצוב מחדש של הלב13. מחקר קודם השתמש בתזונה עתירת אנרגיה כדי לגרום לעיצוב מחדש של הלב עם טווח ביניים של EF בקופים בגיל14, המאופיינים בהפרעה מטבולית, פיברוזיס וירידה באקטומיוזין MgATPase בשריר הלב. התכווצות אבי העורקים הרוחבית של העכבר (TAC) היא אחד המודלים הנפוצים ביותר לחיקוי קרדיומיופתיה חדרית הנגרמת על ידי יתר לחץ דם. החדר השמאלי מתקדם מהיפרטרופיה קונצנטרית עם EF מוגבר לשיפוץ מורחב עם EFמופחת 15,16. פנוטיפים המעבר בין שני שלבים טיפוסיים אלה מציעים כי טכניקת התכווצות אבי העורקים יכולה לשמש לחקר HFpEF.
התכונות הפתולוגיות, איתות סלולרי ופרופילי mRNA של מודל HFpEF חזירי פורסמו בעבר17. כאן, פרוטוקול שלב אחר שלב מוצג כדי לבסס את המודל הזה ואת הגישות להעריך את הפנוטיפים של מודל זה. התהליך מומחש באיור 1. בקצרה, התוכנית הכירורגית הוכנה במשותף על ידי החוקר הראשי, מנתחים, טכנאי מעבדה וצוות טיפול בבעלי חיים. המיני-חזירים עברו בדיקות בריאות, כולל בדיקות ביוכימיות ואקו קרדיוגרפיה. לאחר הניתוח בוצעו הליכים אנטי דלקתיים ומשככי כאבים. אקוקרדיוגרפיה, בדיקה היסטולוגית וסמנים ביולוגיים שימשו להערכת הפנוטיפים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה השתמש בטכניקות DAC כדי לפתח מודל HFpEF עבור מיני-חזירים טיבטיים. פרוטוקול הכנה שלב אחר שלב של בעלי חיים ומכשירים מוצג כאן, כולל טשטוש, אינטובציה בקנה הנשימה, קנולציה של ורידים, הליך כירורגי וטיפול לאחר ניתוח. טכניקות ההקלטה עבור אקוקרדיוגרפיה B מצב ו M מצב לב מוצגים גם. לאחר DAC, הלב עבר היפ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית המדע והטכנולוגיה של גואנגדונג (2008A08003, 2016A020216019, 2019A030317014), תוכנית המדע והטכנולוגיה של גואנגז’ו (201804010206), הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (31672376, 81941002), ומעבדת המפתח המחוזית של גואנגדונג לחיות מעבדה (2017B030314171).
Materials
| Absorbable surgical suture | Putong Jinhua Medical Co. Ltd, China | 4-0 | |
| Aesthesia ventilator station | Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Co., Ltd, China | WATO EX-35vet | |
| Aspirator | Shanghai Baojia Medical Apparatus Co., Ltd, China | YX930D | |
| Benzylpenicillin | Sichuan Pharmaceutical. INC, China | H5021738 | |
| Disposal endotracheal tube with cuff | Shenzhen Verybio Co., Ltd, China | 20 cm, ID 0.9 | |
| Disposal transducer | Guangdong Baihe Medical Technology Co., Ltd, China | ||
| Dissection blade | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd, China | ||
| Electrocautery | Shanghai Hutong Medical Instruments (Group) Co., Ltd, China | GD350-B | |
| Enzyme-linked immunosorbent assay ELISA kit | Cusabio Biotech Co., Ltd, China | CSB-E08594r | |
| Eosin | Sigma-Aldrich Corp. | E4009 | |
| Flunixin meglumine | Shanghai Tongren Pharmaceutical Co., Ltd., China | Shouyaozi(2012)-090242103 | |
| Forceps | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Hematoxylin | Sigma-Aldrich Corp. | H3136 | |
| Isoflurane | RWD Life Science Co., Ltd, China | Veteasy for animals | |
| Laryngoscope | Taixing Simeite Medical Apparatus and Instruments Limited Co., Ltd, China | For adults | |
| LED surgical lights | Mingtai Medical Group, China | ZF700 | |
| Microplate reader | Thermo Fisher Scientific, USA | Multiskan FC | |
| Microscope | Leica, Germany | DM2500 | |
| Mobile restraint unit | Customized | N/A | A mobile restraint unit, made by metal frame and wheels, with a canvas cover |
| Oxygen | Local suppliers, Guangzhou, China | ||
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich Corp. | V900894 | |
| Patient monitor | Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Company, China | Beneview T5 | |
| Peripheral Intravenous (IV) Catheter | Shenzhen Yima Pet Industry Development Co., Ltd., China | 26G X 16 mm | |
| Propofol | Guangdong Jiabo Phamaceutical Co., Ltd. | H20051842 | |
| Rib retractor | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Ruler | Deli Manufacturing Company, China | ||
| Scalpel handles | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Scissors (g) | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Suture | Medtronic-Coviden Corp. | 3-0, 4-0 | |
| Ultrasonic gel | Tianjin Xiyuansi Production Institute, China | TM-100 | |
| Veterinary monitor | Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Company, China | ePM12M Vet | |
| Veterinary ultrasound system | Esatoe, Italy | MyLab30 | Equiped with phased array transducer (3-8 Hz) |
| Xylazine hydrochloride injection | Shenda Animal Phamarceutical Co., Ltd., China | Shouyaozi(2016)-07003 | |
| Zoletil injection | Virbac, France | Zoletil 50 | Tiletamine and zolazepam for injection |
References
- Dunlay, S. M., Roger, V. L., Redfield, M. M. Epidemiology of heart failure with preserved ejection fraction. Nature Reviews Cardiology. 14 (10), 591-602 (2017).
- Redfield, M. M. Heart failure with preserved ejection fraction. New England Journal of Medicine. 375 (19), 1868-1877 (2016).
- Lam, C. S. P., Voors, A. A., de Boer, R. A., Solomon, S. D., van Veldhuisen, D. J. Heart failure with preserved ejection fraction: From mechanisms to therapies. European Heart Journal. 39 (30), 2780-2792 (2018).
- Solomon, S. D., et al. Angiotensin receptor neprilysin inhibition in heart failure with preserved ejection fraction: Rationale and design of the PARAGON-HF trial. JACC-Heart Failure. 5 (7), 471-482 (2017).
- Cunningham, J. W., et al. Effect of sacubitril/valsartan on biomarkers of extracellular matrix regulation in patients with HFpEF. Journal of the American College of Cardiology. 76 (5), 503-514 (2020).
- Conceição, G., Heinonen, I., Lourenço, A. P., Duncker, D. J., Falcão-Pires, I. Animal models of heart failure with preserved ejection fraction. Netherlands Heart Journal. 24 (4), 275-286 (2016).
- Noll, N. A., Lal, H., Merryman, W. D. Mouse models of heart failure with preserved or reduced ejection fraction. American Journal of Pathology. 190 (8), 1596-1608 (2020).
- Schwarzl, M., et al. A porcine model of hypertensive cardiomyopathy: Implications for heart failure with preserved ejection fraction. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 309 (9), 1407-1418 (2015).
- Reiter, U., et al. Early-stage heart failure with preserved ejection fraction in the pig: A cardiovascular magnetic resonance study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18 (1), 63 (2016).
- Silva, K. A. S., et al. Tissue-specific small heat shock protein 20 activation is not associated with traditional autophagy markers in Ossabaw swine with cardiometabolic heart failure. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 319 (5), 1036-1043 (2020).
- Ponikowski, P., et al. 2016 ESC Guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure: The Task Force for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure of the European Society of Cardiology (ESC)Developed with the special contribution of the Heart Failure Association (HFA) of the ESC. European Heart Journal. 37 (27), 2129-2200 (2016).
- Tsutsui, H., et al. JCS 2017/JHFS 2017 guideline on diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure – Digest version. Circulation Journal. 83 (10), 2084-2184 (2019).
- Yousefi, K., Dunkley, J. C., Shehadeh, L. A. A preclinical model for phenogroup 3 HFpEF. Aging (Albany NY). 11 (13), 4305-4307 (2019).
- Zheng, S., et al. Aged monkeys fed a high-fat/high-sugar diet recapitulate metabolic disorders and cardiac contractile dysfunction. Journal of Cardiovascular Translational Research. 14 (5), 799-815 (2021).
- Shirakabe, A., et al. Drp1-dependent mitochondrial autophagy plays a protective role against pressure overload-induced mitochondrial dysfunction and heart failure. Circulation. 133 (13), 1249-1263 (2016).
- Zhabyeyev, P., et al. Pressure-overload-induced heart failure induces a selective reduction in glucose oxidation at physiological afterload. Cardiovascular Research. 97 (4), 676-685 (2013).
- Tan, W., et al. A porcine model of heart failure with preserved ejection fraction induced by chronic pressure overload characterized by cardiac fibrosis and remodeling. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 677727 (2021).
- Beznak, M. Changes in heart weight and blood pressure following aortic constriction in rats. Canadian Journal of Biochemistry and Physiology. 33 (6), 995-1002 (1955).
- Bikou, O., Miyashita, S., Ishikawa, K. Pig model of increased cardiac afterload induced by ascending aortic banding. Methods in Molecular Biology. 1816, 337-342 (2018).
- Hiemstra, J. A., et al. Chronic low-intensity exercise attenuates cardiomyocyte contractile dysfunction and impaired adrenergic responsiveness in aortic-banded mini-swine. Journal of Applied Physiology. 124 (4), 1034-1044 (2018).
- Massie, B. M., et al. Myocardial high-energy phosphate and substrate metabolism in swine with moderate left ventricular hypertrophy. Circulation. 91 (6), 1814-1823 (1995).
- 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).
- Charles, C. J., et al. A porcine model of heart failure with preserved ejection fraction: magnetic resonance imaging and metabolic energetics. ESC Heart Failure. 7 (1), 92-102 (2020).
- Olver, T. D., et al. Western, diet-fed, aortic-banded ossabaw swine: A Preclinical model of cardio-metabolic heart failure. JACC Basic to Translational Science. 4 (3), 404-421 (2019).
