티베트 Minipigs에서 박출률이 보존된 심부전의 수술 모델
Summary
본 프로토콜은 하행 대동맥 수축을 사용하여 박출률이 보존된 심부전의 minipig 모델을 확립하기 위한 단계별 절차를 설명합니다. 이 질병 모델의 심장 형태, 조직학 및 기능을 평가하는 방법도 제시됩니다.
Abstract
전 세계적으로 심부전(HF) 사례의 절반 이상이 박출률이 보존된 심부전(HFpEF)으로 분류됩니다. 대형 동물 모델은 HFpEF의 기본 메커니즘을 조사하고 잠재적인 치료 표적을 식별하는 데 한계가 있습니다. 이 연구는 HFpEF의 대형 동물 모델을 확립하기 위해 티베트 미니피그에서 하행 대동맥 수축(DAC)의 수술 절차에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 이 모델은 좌심실의 만성 압력 과부하를 유도하기 위해 하행 대동맥의 정밀하게 제어된 수축을 사용했습니다. 심장초음파는 심장의 형태학적, 기능적 변화를 평가하기 위해 사용되었다. 12주간의 DAC 스트레스 후, 심실 중격은 비대되었지만, 좌심실의 확장과 함께 후벽의 두께가 현저히 감소했습니다. 그러나 모델 하트의 LV 박출률은 12주 동안 >50%로 유지되었습니다. 또한 DAC 모델은 섬유증, 염증 및 심근 세포 비대를 포함한 심장 손상을 나타냈습니다. 심부전 표지자 수치는 DAC 그룹에서 유의하게 상승했습니다. 미니피그에서 이 DAC 유도 HFpEF는 이 질병의 분자 메커니즘을 조사하고 전임상 테스트를 위한 강력한 도구입니다.
Introduction
박출률이 보존된 심부전(HFpEF)은 심부전 사례의 절반 이상을 차지하며 전 세계 공중 보건 문제가 되었습니다1. 임상 관찰에 따르면 HFpEF의 몇 가지 중요한 특징은 (1) 수축기 경직 증가를 동반하는 심실 이완기 기능 장애, (2) 운동 수행 능력 저하와 함께 안정 시 정상 박출률, (3) 심장 리모델링2. 제안된 기전으로는 호르몬 조절 장애, 전신 미세혈관 염증, 대사 장애, 육종 및 세포외 기질 단백질의 이상이 있다3. 그러나 실험 연구에 따르면 박출률이 감소한 심부전(HFrEF)이 이러한 변화를 유발하는 것으로 나타났습니다. 임상 연구는 HFpEF 4,5에서 HFrEF를 치료하기 위한 안지오텐신 수용체 억제제 및 약물의 치료 효과를 탐구했습니다. 그러나 HFpEF에 대한 독특한 치료법이 필요합니다. 임상 증상을 이해하는 것과 비교할 때 HFpEF의 병리학, 생화학 및 분자 생물학의 변화는 여전히 제대로 정의되지 않았습니다.
HFpEF의 동물 모델은 메커니즘, 진단 마커 및 치료 접근법을 탐구하기 위해 개발되었습니다. 돼지, 개, 쥐, 생쥐 등 실험동물에서 HFpEF가 발생할 수 있으며, 고혈압, 당뇨병, 노화 등 다양한 위험인자를 유도인자로 선정하였다 6,7. 예를 들어, 디옥시코르티코스테론 아세테이트를 단독으로 또는 고지방/설탕 식단과 병행하면 돼지 8,9에서 HFpEF를 유도할 수 있습니다. 심실 압력 과부하는 크고 작은 동물 모델에서 HFpEF를 개발하는 데 사용되는 또 다른 기술이다10. 또한, 유럽 심장학회 가이드라인, 미국 심장학회/미국 심장 협회(American College of Cardiology Foundation)/미국 심장 협회(American Heart Association)11, 일본 순환 학회(Japanese Circulation Society)/일본 심부전 학회(Japanese Heart Failure Society) 12에서 볼 수 있듯이 HFpEF를 정의하기 위한 특정 EF 컷오프 값이 최근 몇 년 동안 대륙 전반에 걸쳐 채택되었습니다. 따라서 임상 기준이 채택되면 이전에 확립된 많은 모델이 HFpEF 연구에 적합해질 수 있습니다. 예를 들어, Youselfi et al.은 유전자 변형 마우스 균주인 Col4a3-/-가 효과적인 HFpEF 모델이라고 주장했습니다. 이 균주는 이완기 기능 장애, 미토콘드리아 기능 장애 및 심장 리모델링과 같은 전형적인 HFpEF 심장 증상을 일으켰다13. 이전 연구에서는 대사 장애, 섬유증 및 심근 내 액토미오신 MgATPase 감소를 특징으로 하는14세 원숭이에서 중간 범위의 EF로 심장 리모델링을 유도하기 위해 고에너지 식단을 사용했습니다. 마우스 횡방향 대동맥 수축(TAC)은 고혈압 유발 심실 심근병증을 모방하기 위해 가장 널리 사용되는 모델 중 하나입니다. 좌심실은 EF가 증가한 동심원 비대에서 EF15,16이 감소한 확장 리모델링으로 진행됩니다. 이 두 가지 전형적인 단계 사이의 전이 표현형은 대동맥 수축 기법을 사용하여 HFpEF를 연구할 수 있음을 시사합니다.
돼지 HFpEF 모델의 병리학적 특징, 세포 신호 전달 및 mRNA 프로파일은 이전에 발표된 바있습니다 17. 여기에서는 이 모델과 이 모델의 표현형을 평가하기 위한 접근 방식을 설정하기 위한 단계별 프로토콜을 제시합니다. 이 절차는 그림 1에 나와 있습니다. 간단히 말해서, 수술 계획은 수석 연구자, 외과의, 실험실 기술자 및 동물 관리 직원이 공동으로 만들었습니다. 미니피그는 생화학 검사와 심장 초음파 검사를 포함한 건강 검진을 받았다. 수술 후에는 항염증 및 진통 시술을 실시하였다. 심장 초음파, 조직학적 검사 및 바이오마커를 사용하여 표현형을 평가했습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구는 DAC 기술을 사용하여 티베트 미니피그를 위한 HFpEF 모델을 개발했습니다. 진정, 기관 삽관, 정맥 캐뉼레이션, 수술 절차 및 수술 후 관리를 포함한 단계별 동물 및 기구 준비 프로토콜이 여기에 제시되어 있습니다. 심장 초음파 B-모드 및 M-모드 심장 영상에 대한 기록 기술도 제시됩니다. DAC 후 심장은 4주차와 6주차에 좌심실 비대를 겪었고 8주차 후에는 확장을 겪었습니다. LVEF는 12주 동안…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 광둥성 과학기술프로그램(2008A08003, 2016A020216019, 2019A030317014), 광저우과학기술프로그램(201804010206), 중국국가자연과학재단(31672376, 81941002), 광둥성 실험동물중점연구소(2017B030314171)의 지원을 받았다.
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).
