Hemodynamische karakterisatie van diermodellen van pulmonale arteriële hypertensie
Summary
Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a disease of pulmonary arterioles that leads to their obliteration and the development of right ventricular failure. Rodent models of PAH are critical in understanding the pathophysiology of PAH. Here we demonstrate hemodynamic characterization, with right heart catheterization and echocardiography, in the mouse and rat.
Abstract
Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disease of the pulmonary vasculature characterized by endothelial cell apoptosis, smooth muscle proliferation and obliteration of pulmonary arterioles. This in turn results in right ventricular (RV) failure, with significant morbidity and mortality. Rodent models of PAH, in the mouse and the rat, are important for understanding the pathophysiology underlying this rare disease. Notably, different models of PAH may be associated with different degrees of pulmonary hypertension, RV hypertrophy and RV failure. Therefore, a complete hemodynamic characterization of mice and rats with PAH is critical in determining the effects of drugs or genetic modifications on the disease.
Here we demonstrate standard procedures for assessment of right ventricular function and hemodynamics in both rat and mouse PAH models. Echocardiography is useful in determining RV function in rats, although obtaining standard views of the right ventricle is challenging in the awake mouse. Access for right heart catheterization is obtained by the internal jugular vein in closed-chest mice and rats. Pressures can be measured using polyethylene tubing with a fluid pressure transducer or a miniature micromanometer pressure catheter. Pressure-volume loop analysis can be performed in the open chest. After obtaining hemodynamics, the rodent is euthanized. The heart can be dissected to separate the RV free wall from the left ventricle (LV) and septum, allowing an assessment of RV hypertrophy using the Fulton index (RV/(LV+S)). Then samples can be harvested from the heart, lungs and other tissues as needed.
Introduction
Pulmonale arteriële hypertensie (PAH) is een aandoening van de pulmonaire vasculatuur geassocieerd met inflammatoire infiltratie, proliferatie van gladde spiercellen en endotheelcellen apoptose. Deze veranderingen leiden tot vernietiging van pulmonaire arteriolen vervolgens leidt tot rechterventrikel (RV) dysfunctie en hartfalen. Om de pathofysiologie van PAH en RV falen in PAH begrijpen, hebben een aantal verschillende modellen, waaronder genetische en farmacologische modellen voor het bestuderen van deze ziekte ontwikkeld (elders beoordeeld 1,2).
Deze modellen, de meest populaire worden met hypoxie geïnduceerde (Hx) PAK's in de muis en de monocrotaline (MCT) en SU5416-hypoxie (SuHx) modellen bij de rat. In de muis Hx model worden muizen blootgesteld aan 4 weken hypoxia (hetzij normobare of hypobaric, overeenkomend met een hoogte van 18.000 voet met een FiO2 van 0,10), met de daaruit voortvloeiende ontwikkeling van mediale proliferatie, verhoogde RV systOlic druk en de ontwikkeling van RV hypertrofie 3. MCT in een eenmalige dosis van 60 mg / kg resulteert in schade pulmonaire endotheliale cellen door een onduidelijke mechanisme dat vervolgens leidt tot de ontwikkeling van PAH 4. SU5416 is een remmer van de vasculaire endotheliale groeifactor receptoren (VEGFR) 1 en 2 blocker, en behandeling met een enkele subcutane injectie van 60 mg / kg, gevolgd door blootstelling aan chronische hypoxia gedurende 3 weken tot blijvende pulmonale hypertensie met pathologische veranderingen vergelijkbaar met dat van de menselijke ziekte, de vorming van vasculaire laesies obliterans 5. In de afgelopen jaren hebben verschillende transgene muismodellen voor pulmonale hypertensie ontwikkeld. Deze omvatten knockout en mutaties van het bot morfogenetische eiwit receptor 2 (bmpr2), zoals bmpr2 genmutaties worden gevonden in zowel familiale en idiopathische vormen van PAH, heem oxygenase-1 knockout en IL-6 overexpressie (1,2 elders beoordeeld).
Deze verschillende knaagdiermodellen van PH hebben verschillende niveaus van pulmonale hypertensie, RV hypertrofie en RV falen. Terwijl de hypoxie en verschillende transgene muismodellen resulteren in veel mildere PAH dan ofwel rat model 1, het doet laat het testen van verschillende genetische mutaties en de bijbehorende moleculaire signaalwegen. De MCT model biedt tot ernstige PAH, hoewel MCT lijkt toxisch aan endotheelcellen in meerdere weefsels 4 zijn. De SuHx model wordt gekenmerkt door vasculaire veranderingen meer vergelijkbaar met die waargenomen bij idiopathische PAH bij mensen, maar vereist zowel farmacologische manipulatie en hypoxie blootstelling. Bovendien is in al deze modellen, kan er een scheiding tussen de histopathologische veranderingen, pulmonaire druk en RV functie geassocieerd met de ontwikkeling van PAK zijn. Dit in tegenstelling tot de menselijke ziekte, waar meestal een evenredige verhouding tussen de histopathologische veranderingen die ernstiger pulmónary hypertensie en de mate van RV falen. Aldus wordt een uitgebreide karakterisatie van deze diermodellen voor PH vereist en afweging van RV functie (kenmerkend door echocardiografie), hemodynamica (door hartkatheterisatie) en histopathologie van het hart en de longen (uit weefsel oogsten).
In dit protocol beschrijven we de basistechnieken voor hemodynamische karakterisering van PAK modellen bij de rat en de muis. Deze algemene technieken kunnen worden toegepast op een studie van de rechter ventrikel en pulmonaire vasculatuur en is niet beperkt tot modellen van PAH. Visualiseren van de RV door echocardiografie is relatief eenvoudig bij ratten, maar is een grotere uitdaging bij muizen die door hun omvang en de complexe geometrie van de RV. Bovendien zijn sommige surrogaten gebruikt voor het kwantificeren van RV functie, zoals TAPSE, longslagader (PA) acceleratietijd en PA Doppler golfvorm kerven, zijn niet goed gevalideerd in mensen en correleren slechts zwak met de beoordeling van de pulmonary hypertensie en RV functie door invasieve hemodynamica. Bepaling van de RV hemodynamica wordt het beste met een gesloten borstkas, de gevolgen van een negatieve druk in de borst inspiratie handhaven, hoewel openborst catheterization met een impedantie katheter maakt bepaling van de druk-volume (PV) lussen en een meer gedetailleerde hemodynamische karakterisering . Zoals bij elke procedure ontwikkelen ervaring met de procedures is essentieel voor experimenteel succes.
Protocol
Representative Results
Discussion
The protocols outlined here describe a comprehensive characterization of hemodynamics and right ventricular function in rodent models of pulmonary hypertension. While right heart catheterization as described here is a terminal procedure, the mortality associated with echocardiography is minimal, which allows for screening and follow-up of disease progression. However, similar to patients with PH having markedly increased mortality with anesthesia17, in our experience, rats with severe PH do not tolerate anesth…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SR is supported by NIH K08HL114643, Gilead Research Scholars in Pulmonary Arterial Hypertension and a Burroughs Wellcome Fund Career Award for Medical Scientists.
Materials
| Vevo 2100 Imaging System (120V) | VisualSonics, inc. | VS-11945 | |
| Vevo 2100 Imaging Station | VisualSonics, inc. | ||
| High-frequency Mechanical Transducers | VisualSonics, inc. | MS250, MS550D, MS400 | |
| Ultrasound Gel Parker | Laboratories Inc. | 01-08 | |
| PowerLab 4/35 | ADInstruments | ML765 | |
| Labchart 8 | ADInstruments | ||
| BP transducer with stopcock and cable | ADInstruments | MLT1199 | |
| BP transducer calibration kit | ADInstruments | MLA1052 | |
| Mikro-Tip Pressure Catheter for mouse | Millar | SPR-1000 | Alternative catheter available from Scisense FT111B (mouse) and FT211B (rat) |
| Mikro-Tip Pressure Catheter for rat | Millar | SPR-513 | Alternative catheter available from Scisense FT111B (mouse) and FT211B (rat) |
| Millar Mikro-Tip ultra-miniature PV loop catheter for mice | Millar | PVR-1035 | Alternative catheter available from Scisense FT112 (mouse) |
| Millar Mikro-Tip ultra miniature PV loop catheter for rats | Millar | SPR-869 | Alternative catheter available from Scisense FT112 (mouse) |
| Millar PV system MPVS-300 | Millar | MPVS-300 | |
| 4-0 Silk Black Braid 100 Yard Spool | Roboz Surgical | SUT-15-2 | |
| 6-0 Silk Black Braid 100 Yard Spool | Roboz Surgical | SUT-14-1 | |
| Iris Scissors, Delicate, Integra Miltex | VWR | 21909-248 | |
| VWR Dissecting Scissors, Sharp/Blunt Tip | VWR | 82027-588 | |
| VWR Delicate Scissors, 4 1/2" | VWR | 82027-582 | |
| Two star Hemostats, Excelta | VWR | 63042-090 | |
| Neutral-buffered formalin | VWR | 89370-094 | |
| Crotaline | Sigma | C2401 | |
| SU5416 | Tocris Biosciences | 3037 | |
| 3.5X-45X Boom Stand Trinocular Zoom Stereo Microscope | AmScope | SM-3BX | |
| PE (Polyethylene Tubing)-10 | Braintree Scientific Inc | PE10 36 FT | |
| PE (Polyethylene Tubing)-50 | Braintree Scientific Inc | PE50 36 FT | |
| PE (Polyethylene Tubing)-60 | Braintree Scientific Inc | PE60 36 FT | |
| Tabletop Isoflurane Anesthesia Unit | Kent Scientific | ACV-1205S | |
| Surgisuite multi-functional surgical platform | Kent Scientific | Surgisuite | |
| Retractor set | Kent Scientific | SURGI-5002 | |
| Anesthesia induction chamber | VetEquip | 941443 | |
| Anesthesia Gas filter canister | Kent Scientific | ACV-2001 | |
| Rodent nose cone | VetEquip | 921431 |
Riferimenti
- Gomez-Arroyo, J., et al. A brief overview of mouse models of pulmonary arterial hypertension: problems and prospects. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 302, 977-991 (2012).
- Ryan, J. J., Marsboom, G., Archer, S. L. Rodent models of group 1 pulmonary hypertension. Handbook of experimental pharmacology. 218, 105-149 (2013).
- Voelkel, N. F., Tuder, R. M. Hypoxia-induced pulmonary vascular remodeling: a model for what human disease. J Clin Invest. 106, 733-738 (2000).
- Gomez-Arroyo, J. G., et al. The monocrotaline model of pulmonary hypertension in perspective. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 302, 363-369 (2012).
- Abe, K., et al. Formation of plexiform lesions in experimental severe pulmonary arterial hypertension. Circulation. 121, 2747-2754 (2010).
- Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Batkai, S., Kass, D. A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and rats. Nat Protoc. 3, 1422-1434 (2008).
- Brittain, E., Penner, N. L., West, J., Hemnes, A. Echocardiographic Assessment of the Right Heart in Mice. J. Vis. Exp. (81), e50912 (2013).
- Abraham, D. M., Mao, L. Cardiac Pressure-Volume Loop Analyses Using Conductance Catheters in Mice. J Vis Exp. , (2015).
- Vergadi, E., et al. Early macrophage recruitment and alternative activation are critical for the later development of hypoxia-induced pulmonary hypertension. Circulation. 123, 1986-1995 (2011).
- Mam, V., et al. Impaired vasoconstriction and nitric oxide-mediated relaxation in pulmonary arteries of hypoxia- and monocrotaline-induced pulmonary hypertensive rats. J Pharmacol Exp Ther. 332, 455-462 (2010).
- Wang, Z., Schreier, D. A., Hacker, T. A., Chesler, N. C. Progressive right ventricular functional and structural changes in a mouse model of pulmonary arterial hypertension. Physiol Rep. 1, 00184 (2013).
- Thibault, H. B., et al. Noninvasive assessment of murine pulmonary arterial pressure: validation and application to models of pulmonary hypertension. Circ Cardiovasc Imaging. 3, 157-163 (2010).
- Abe, K., et al. Long-term treatment with a Rho-kinase inhibitor improves monocrotaline-induced fatal pulmonary hypertension in rats. Circ Res. 94, 385-393 (2004).
- Ma, W., et al. hypoxia chamer info–Calpain mediates pulmonary vascular remodeling in rodent models of pulmonary hypertension, and its inhibition attenuates pathologic features of disease. J Clin Invest. 121, 4548-4566 (2011).
- de Man, F. S., et al. Bisoprolol delays progression towards right heart failure in experimental pulmonary hypertension. Circ Heart Fail. 5, 97-105 (2012).
- de Man, F. S., et al. Dysregulated renin-angiotensin-aldosterone system contributes to pulmonary arterial hypertension. Am J Respir Crit Care Med. 186, 780-789 (2012).
- Pritts, C. D., Pearl, R. G. Anesthesia for patients with pulmonary hypertension. Curr Opin Anaesthesiol. 23, 411-416 (2010).
- Paulin, R., et al. A miR-208-Mef2 Axis Drives the Decompensation of Right Ventricular Function in Pulmonary Hypertension. Circ Res. 116, 56-69 (2015).
- Brittain, E., Penner, N. L., West, J., Hemnes, A. Echocardiographic assessment of the right heart in mice. J Vis Exp. , (2013).
- Cheng, H. W., et al. Assessment of right ventricular structure and function in mouse model of pulmonary artery constriction by transthoracic echocardiography. J Vis Exp. , e51041 (2014).
