Een chirurgisch model van hartfalen met behouden ejectiefractie bij Tibetaanse minivarkens
Summary
Het huidige protocol beschrijft een stapsgewijze procedure om een minivarkensmodel van hartfalen op te stellen met behoud van de ejectiefractie met behulp van dalende aortavernauwing. De methoden voor het evalueren van cardiale morfologie, histologie en functie van dit ziektemodel worden ook gepresenteerd.
Abstract
Meer dan de helft van de gevallen van hartfalen (HF) wordt wereldwijd geclassificeerd als hartfalen met behouden ejectiefractie (HFpEF). Grote diermodellen zijn beperkt in het onderzoeken van de fundamentele mechanismen van HFpEF en het identificeren van potentiële therapeutische doelen. Dit werk geeft een gedetailleerde beschrijving van de chirurgische ingreep van dalende aortavernauwing (DAC) bij Tibetaanse minivarkens om een groot diermodel van HFpEF op te stellen. Dit model maakte gebruik van een nauwkeurig gecontroleerde vernauwing van de dalende aorta om chronische drukoverbelasting in de linker hartkamer te induceren. Echocardiografie werd gebruikt om de morfologische en functionele veranderingen in het hart te evalueren. Na 12 weken DAC-stress was het ventriculaire septum hypertrofisch, maar de dikte van de achterwand was aanzienlijk verminderd, vergezeld van verwijding van de linker ventrikel. De LV-ejectiefractie van de modelharten werd echter gedurende de periode van 12 weken op >50% gehouden. Bovendien vertoonde het DAC-model hartschade, waaronder fibrose, ontsteking en hypertrofie van cardiomyocyten. De markerniveaus voor hartfalen waren significant verhoogd in de DAC-groep. Deze DAC-geïnduceerde HFpEF bij minivarkens is een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van moleculaire mechanismen van deze ziekte en voor preklinische tests.
Introduction
Hartfalen met behouden ejectiefractie (HFpEF) is verantwoordelijk voor meer dan de helft van de gevallen van hartfalen en is een wereldwijd probleem voor de volksgezondheidgeworden1. Klinische observaties hebben verschillende kritieke kenmerken van HFpEF aangetoond: (1) ventriculaire diastolische disfunctie, vergezeld van verhoogde systolische stijfheid, (2) normale ejectiefractie in rust met verminderde inspanningsprestaties, en (3) cardiale remodellering2. De voorgestelde mechanismen omvatten hormonale ontregeling, systemische microvasculaire ontsteking, stofwisselingsstoornissen en afwijkingen in sarcomere en extracellulairematrixeiwitten3. Experimentele studies hebben echter aangetoond dat hartfalen met verminderde ejectiefractie (HFrEF) deze veranderingen veroorzaakt. Klinische studies hebben de therapeutische effecten onderzocht van angiotensinereceptorremmers en geneesmiddelen voor de behandeling van HFrEF in HFpEF 4,5. Er zijn echter unieke therapeutische benaderingen voor HFpEF nodig. Vergeleken met het begrijpen van de klinische symptomen, blijven de veranderingen in pathologie, biochemie en moleculaire biologie van HFpEF slecht gedefinieerd.
Diermodellen van HFpEF zijn ontwikkeld om de mechanismen, diagnostische markers en therapeutische benaderingen te onderzoeken. Proefdieren, waaronder varkens, honden, ratten en muizen, kunnen HFpEF ontwikkelen en diverse risicofactoren, waaronder hypertensie, diabetes mellitus en veroudering, werden geselecteerd als inductiefactoren 6,7. Deoxycorticosteronacetaat alleen of in combinatie met een vetrijk/suikerrijk dieet induceert bijvoorbeeld HFpEF bij varkens 8,9. Ventriculaire drukoverbelasting is een andere techniek die wordt gebruikt om HFpEF te ontwikkelen in grote en kleine diermodellen10. Bovendien zijn er de afgelopen jaren op alle continenten specifieke EF-grenswaarden aangenomen om HFpEF te definiëren, zoals te zien is in de richtlijnen van de European Society of Cardiology, de American College of Cardiology Foundation/American Heart Association11, de Japanese Circulation Society/de Japanese Heart Failure Society12. Veel eerder vastgestelde modellen kunnen dus geschikt worden voor HFpEF-studies als de klinische criteria worden aangenomen. Youselfi et al. beweerden bijvoorbeeld dat een genetisch gemodificeerde muizenstam, Col4a3-/-, een effectief HFpEF-model was. Deze stam ontwikkelde typische HFpEF-cardiale symptomen, zoals diastolische disfunctie, mitochondriale disfunctie en cardiale remodellering13. Een eerdere studie gebruikte een energierijk dieet om cardiale remodellering te induceren met een middenbereik van EF bij apen van14 jaar, gekenmerkt door een stofwisselingsstoornis, fibrose en verminderde actomyosine MgATPase in het myocardium. Transversale aortavernauwing (TAC) bij muizen is een van de meest gebruikte modellen om door hypertensie geïnduceerde ventriculaire cardiomyopathie na te bootsen. De linker hartkamer evolueert van concentrische hypertrofie met verhoogde EF naar gedilateerde remodellering met verlaagde EF15,16. De overgangsfenotypes tussen deze twee typische stadia suggereren dat de aortavernauwingstechniek kan worden gebruikt om HFpEF te bestuderen.
De pathologische kenmerken, cellulaire signalering en mRNA-profielen van een HFpEF-model bij varkens werden eerder gepubliceerd17. Hier wordt een stapsgewijs protocol gepresenteerd om dit model vast te stellen en de benaderingen om de fenotypes van dit model te evalueren. De procedure wordt geïllustreerd in figuur 1. In het kort werd het operatieplan gezamenlijk gemaakt door de hoofdonderzoeker, chirurgen, laboranten en dierenverzorgers. De minivarkens ondergingen gezondheidsonderzoeken, waaronder biochemische tests en echocardiografie. Na de operatie werden ontstekingsremmende en pijnstillende ingrepen uitgevoerd. Echocardiografie, histologisch onderzoek en biomarkers werden gebruikt om de fenotypes te evalueren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie gebruikte DAC-technieken om een HFpEF-model voor Tibetaanse minivarkens te ontwikkelen. Hier wordt een stapsgewijs protocol voor de voorbereiding van dieren en instrumenten gepresenteerd, inclusief sedatie, tracheale intubatie, adercanulatie, chirurgische ingreep en postoperatieve zorg. De opnametechnieken voor echocardiografische B-modus en M-modus hartbeelden worden ook gepresenteerd. Na DAC onderging het hart linkerventrikelhypertrofie in week 4 en 6 en dilatatie na week 8. LVEF werd gedurende de periode v…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Guangdong Science and Technology Program (2008A08003, 2016A020216019, 2019A030317014), het Guangzhou Science and Technology Program (201804010206), de National Natural Science Foundation of China (31672376, 81941002) en het 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).
