En kirurgisk model af hjertesvigt med bevaret udstødningsfraktion hos tibetanske minigrise
Summary
Denne protokol beskriver en trinvis procedure for at etablere en minipig-model for hjertesvigt med bevaret uddrivningsfraktion ved hjælp af faldende aortaindsnævring. Metoderne til evaluering af hjertemorfologi, histologi og funktion af denne sygdomsmodel præsenteres også.
Abstract
Mere end halvdelen af tilfælde af hjertesvigt (HF) klassificeres som hjertesvigt med bevaret udstødningsfraktion (HFpEF) over hele verden. Store dyremodeller er begrænsede til at undersøge HFpEF’s grundlæggende mekanismer og identificere potentielle terapeutiske mål. Dette arbejde giver en detaljeret beskrivelse af den kirurgiske procedure for faldende aortaindsnævring (DAC) hos tibetanske minigrise for at etablere en stor dyremodel af HFpEF. Denne model anvendte en præcist kontrolleret indsnævring af den nedadgående aorta for at fremkalde kronisk trykoverbelastning i venstre ventrikel. Ekkokardiografi blev brugt til at evaluere de morfologiske og funktionelle ændringer i hjertet. Efter 12 ugers DAC-stress var ventrikulær septum hypertrofisk, men tykkelsen af den bageste væg blev signifikant reduceret ledsaget af udvidelse af venstre ventrikel. Imidlertid blev LV-uddrivningsfraktionen af modelhjerterne opretholdt på >50% i løbet af 12-ugers perioden. Desuden viste DAC-modellen hjerteskader, herunder fibrose, betændelse og kardiomyocythypertrofi. Niveauerne for markører for hjertesvigt var signifikant forhøjede i DAC-gruppen. Denne DAC-inducerede HFpEF i minigrise er et kraftfuldt værktøj til undersøgelse af molekylære mekanismer af denne sygdom og til præklinisk testning.
Introduction
Hjertesvigt med bevaret udstødningsfraktion (HFpEF) tegner sig for mere end halvdelen af hjertesvigtstilfælde og er blevet et verdensomspændende folkesundhedsproblem1. Kliniske observationer har indikeret flere kritiske træk ved HFpEF: (1) ventrikulær diastolisk dysfunktion ledsaget af øget systolisk stivhed, (2) normal uddrivningsfraktion i hvile med nedsat træningspræstation og (3) hjertemodellering2. De foreslåede mekanismer omfatter hormonel dysregulering, systemisk mikrovaskulær inflammation, metaboliske lidelser og abnormiteter i sarkomeriske og ekstracellulære matrixproteiner3. Eksperimentelle undersøgelser har imidlertid vist, at hjertesvigt med reduceret udstødningsfraktion (HFrEF) forårsager disse ændringer. Kliniske undersøgelser har undersøgt de terapeutiske virkninger af angiotensinreceptorhæmmere og lægemidler til behandling af HFrEF i HFpEF 4,5. Der er imidlertid behov for unikke terapeutiske tilgange til HFpEF. Sammenlignet med forståelsen af de kliniske symptomer forbliver ændringerne i patologi, biokemi og molekylærbiologi af HFpEF dårligt defineret.
Dyremodeller af HFpEF er blevet udviklet for at udforske mekanismer, diagnostiske markører og terapeutiske tilgange. Forsøgsdyr, herunder svin, hunde, rotter og mus, kan udvikle HFpEF, og forskellige risikofaktorer, herunder hypertension, diabetes mellitus og aldring, blev valgt som induktionsfaktorer 6,7. For eksempel inducerer deoxycorticosteronacetat alene eller kombineret med en kost med højt fedt-/sukkerindhold HFpEF hos svin 8,9. Overbelastning af ventrikeltryk er en anden teknik, der anvendes til at udvikle HFpEF i store og små dyremodeller10. Derudover er specifikke EF-afskæringsværdier til definition af HFpEF blevet vedtaget på tværs af kontinenter i de senere år, som det ses i retningslinjerne fra European Society of Cardiology, American College of Cardiology Foundation/American Heart Association11, Japanese Circulation Society/Japanese Heart Failure Society12. Mange tidligere etablerede modeller kan således blive velegnede til HFpEF-undersøgelser, hvis de kliniske kriterier vedtages. For eksempel hævdede Youselfi et al., at en genetisk modificeret musestamme, Col4a3-/-, var en effektiv HFpEF-model. Denne stamme udviklede typiske HFpEF-hjertesymptomer, såsom diastolisk dysfunktion, mitokondriel dysfunktion og hjertemodellering13. En tidligere undersøgelse brugte en højenergidiæt til at fremkalde hjertemodellering med et mellemområde af EF hos ældre aber14, karakteriseret ved en metabolisk lidelse, fibrose og reduceret actomyosin MgATPase i myokardiet. Musens tværgående aortaindsnævring (TAC) er en af de mest anvendte modeller til at efterligne hypertension-induceret ventrikulær kardiomyopati. Den venstre ventrikel udvikler sig fra koncentrisk hypertrofi med øget EF til dilateret remodellering med reduceret EF15,16. Overgangsfænotyperne mellem disse to typiske stadier tyder på, at aortakonstriktionsteknikken kan bruges til at studere HFpEF.
De patologiske træk, cellulær signalering og mRNA-profiler af en svin HFpEF-model blev tidligere offentliggjort17. Her præsenteres en trinvis protokol for at etablere denne model og tilgangene til evaluering af fænotyperne af denne model. Proceduren er illustreret i figur 1. Kort fortalt blev operationsplanen lavet i fællesskab af hovedforskeren, kirurger, laboranter og dyreplejepersonale. Minigrisene gennemgik sundhedsundersøgelser, herunder biokemiske tests og ekkokardiografi. Efter operationen blev antiinflammatoriske og smertestillende procedurer udført. Ekkokardiografi, histologisk undersøgelse og biomarkører blev brugt til at evaluere fænotyperne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne undersøgelse brugte DAC-teknikker til at udvikle en HFpEF-model til tibetanske minigrise. En trin-for-trin dyre- og instrumentforberedelsesprotokol præsenteres her, herunder sedation, trakeal intubation, venekanylering, kirurgisk procedure og postoperativ pleje. Optagelsesteknikkerne til ekkokardiografiske B-mode og M-mode hjertebilleder præsenteres også. Efter DAC gennemgik hjertet venstre ventrikulær hypertrofi i uge 4 og 6 og dilatation efter uge 8. LVEF blev bevaret i løbet af 12-ugers perioden. Fibrose o…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Guangdong Science and Technology Program (2008A08003, 2016A020216019, 2019A030317014), Guangzhou Science and Technology Program (201804010206), National Natural Science Foundation of China (31672376, 81941002) og Guangdong Provincial Key Laboratory of Laboratory Animals (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).
