Implantación de una minibomba de isoproterenol para inducir insuficiencia cardíaca en ratones
Summary
La administración crónica de isoproterenol a través de una bomba osmótica implantada se ha utilizado ampliamente para imitar la insuficiencia cardíaca avanzada en ratones. Aquí, describimos métodos detallados en la implantación quirúrgica de minibombas para la administración continua de isoproterenol durante 3 semanas, así como, evaluación ecocardiográfica para la creación exitosa del modelo.
Abstract
El isoproterenol (ISO), es un agonista beta-adrenérgico no selectivo, que se utiliza ampliamente para inducir lesiones cardíacas en ratones. Mientras que el modelo agudo imita la cardiomiopatía inducida por el estrés, el modelo crónico, administrado a través de una bomba osmótica, imita la insuficiencia cardíaca avanzada en los seres humanos. El propósito del protocolo descrito es crear el modelo de insuficiencia cardíaca crónica inducida por ISO en ratones utilizando una minibomba implantada. Este protocolo se ha utilizado para inducir insuficiencia cardíaca en más de 100 cepas de ratones endogámicos. Las técnicas sobre la implantación de bombas quirúrgicas se describen en detalle y pueden ser relevantes para cualquier persona interesada en crear un modelo de insuficiencia cardíaca en ratones. Además, se presentan los cambios semanales de remodelación cardíaca basados en parámetros ecocardiográficos para cada cepa y el tiempo esperado para el desarrollo del modelo. En resumen, el método es simple y reproducible. La ISO continua administrada a través de la minibomba implantada durante 3 a 4 semanas es suficiente para inducir la remodelación cardíaca. Por último, el éxito para la creación del modelo ISO puede evaluarse in vivo mediante ecocardiografía en serie que demuestra hipertrofia, dilatación ventricular y disfunción.
Introduction
La insuficiencia cardíaca con fracción de eyección reducida (HFrEF) va acompañada de una respuesta compensatoria bien reconocida del sistema nervioso simpático para mantener la homeostasis cardiovascular1. Estrés hemodinámico y efectos nocivos en el corazón y la circulación se observaron con activación crónica. Estos se han convertido en la piedra angular de la farmacoterapia contemporánea para la insuficiencia cardíaca y son mecanismos importantes en la progresión de la insuficiencia cardíaca y el antagonismo terapéutico de los sistemas neurohormonales1.
Hay varios modelos de ratón disponibles para investigaciones básicas de insuficiencia cardíaca. Los modelos genéticos son atractivos para explorar terapias moleculares e investigar las vías de señalización. Sin embargo, estos modelos pueden no ser relevantes para las formas comunes de insuficiencia cardíaca. Otros modelos comunes incluyen ligadura de la arteria descendente anterior izquierda (LAD), constricción transaortica (TAC) e isoproterenol (ISO), cada uno apuntando a una etiología patológica diferente2,3,4,5 ,6. La ligadura de la arteria LAD induce un infarto de miocardio de pared anterior creando así un modelo específico para la cardiomiopatía isquémica. TAC induce sobrecarga de presión aguda para crear un modelo hipertensivo de insuficiencia cardíaca. Aunque se puede medir el gradiente de presión, lo que permite la estratificación de la hipertrofia, la aparición aguda de la hipertensión carece de relevancia clínica directa4. Los modelos LAD y TAC requieren un alto nivel de experiencia quirúrgica para ejecutarse. El modelo ISO agudo de insuficiencia cardíaca imita la cardiomiopatía inducida por el estrés, también conocida como enfermedad de Takotsubo, que se caracteriza por un marcado aumento de las catecolaminas y la actividad en el ventrículo izquierdo que imita el infarto agudo de miocardio7, 8. Por el contrario, los modelos ISO crónicos de insuficiencia cardíaca presentan síntomas características de insuficiencia cardíaca avanzada, con niveles crónicamente elevados de catecolaminas1. Las ventajas del modelo ISO crónico son que proporciona estimulación adrenérgica crónica que imita la insuficiencia cardíaca avanzada y que es relativamente fácil de crear. El investigador debe elegir un modelo que recapitule mejor su patología de interés.
El objetivo general de este método es inducir la insuficiencia cardíaca en ratones utilizando una mini bomba implantada que libera ISO continuamente para imitar la activación simpática crónica que se encuentra en pacientes con insuficiencia cardíaca1. El método es simple y reproducible. Aunque hay una clara variación entre las cepas de ratón, ISO administrado durante 3 a 4 semanas a 30 mg/kg/día es suficiente para inducir la remodelación cardíaca en la mayoría de los ratones. Específicamente, ISO conduce a una fase compensatoria pro-hipertrófica durante la semana 1 seguida de adelgazamiento de la pared, dilatación ventricular y disminución de la función sistólica para la semana 2 y 32. El éxito para la creación del modelo ISO puede evaluarse in vivo mediante ecocardiografía en serie que demuestra hipertrofia, dilatación y disfunción ventricular, así como ex vivo a través de la evaluación histológica y molecular del tejido cardíaco cosechado para intramiocardio acumulación de lípidos, fibrosis, estrés urgencial, apoptosis y expresión génica9,10,11,12.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemos aplicado este método a más de 100 cepas de ratones endogámicos para evaluar los resultados cardíacos debido a la estimulación beta-adrenérica crónica2,13. Se sabe que existen diferencias significativas en la susceptibilidad al isoproterenol entre las cepas de ratón y pueden personalizarse para la cepa de interés según sea necesario16. Esto puede deberse a la variación en la función del receptor beta-adrenérgico entre las…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen a NIH K08 HL133491 por su apoyo a la financiación.
Materials
| Micro-Osmotic Pump System with Flow Moderator in Place | Alzet | Model 1004 | Includes filling tube, flow moderator and pump body |
| (-)-Isoproterenol hydrochloride | Sigma-Aldrich | 16504-1G | (-)-Isoproterenol hydrochloride is a powder that needs to be stored at -20°C. |
| 1 ml sterile syringe | VWR | BD309602 | |
| 30 W LED Fiber optic O-ring light microscope illuminator | AmScope | SKU: LED-30WR | |
| 5-0 COATED VICRYL (polyglactin 910) Suture | Ethicon | J303H | 5-0, absorbable |
| Fine Scissors – Sharp | FST | 14060-09 | |
| Glass beads | FST | 18000-46 | |
| Hot bead sterilizers | FST | 18000-50 | |
| Iris forceps | WPI | 15915 | |
| Look Sharpoint 6-0, 18" Black Nylon Monofilament Suture | LOOK | AA-2176 | 6-0, non-absorbable |
| Needle holder | WPI | 15926 | |
| Normal Saline, 0.9% NaCl | Fisher | 89167-772 |
Riferimenti
- Hartupee, J., Mann, D. L. Neurohormonal activation in heart failure with reduced ejection fraction. Nature Review Cardiology. 14 (1), 30-38 (2017).
- Wang, J. J., et al. Genetic Dissection of Cardiac Remodeling in an Isoproterenol-Induced Heart Failure Mouse Model. PLoS Genetics. 12 (7), 1006038 (2016).
- Balakumar, P., Singh, A. P., Singh, M. Rodent models of heart failure. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 56 (1), 1-10 (2007).
- Patten, R. D., Hall-Porter, M. R. Small animal models of heart failure: development of novel therapies, past and present. Circulation: Heart Failure. 2 (2), 138-144 (2009).
- Huang, W. Y., Aramburu, J., Douglas, P. S., Izumo, S. Transgenic expression of green fluorescence protein can cause dilated cardiomyopathy. Nature Medicine. 6 (5), 482-483 (2000).
- Breckenridge, R. Heart failure and mouse models. Disease Model and Mechanism. 3 (3-4), 138-143 (2010).
- Wittstein, I. S., et al. Neurohumoral features of myocardial stunning due to sudden emotional stress. New England Journal of Medicine. 352 (6), 539-548 (2005).
- Templin, C., et al. Clinical Features and Outcomes of Takotsubo (Stress) Cardiomyopathy. New England Journal of Medicine. 373 (10), 929-938 (2015).
- Shao, Y., et al. A mouse model reveals an important role for catecholamine-induced lipotoxicity in the pathogenesis of stress-induced cardiomyopathy. European Journal of Heart Failure. 15 (1), 9-22 (2013).
- Kudej, R. K., et al. Effects of chronic beta-adrenergic receptor stimulation in mice. Journal of Molecular Cell Cardiology. 29 (10), 2735-2746 (1997).
- Zhuo, X. Z., et al. Isoproterenol instigates cardiomyocyte apoptosis and heart failure via AMPK inactivation-mediated endoplasmic reticulum stress. Apoptosis. 18 (7), 800-810 (2013).
- El-Demerdash, E., Awad, A. S., Taha, R. M., El-Hady, A. M., Sayed-Ahmed, M. M. Probucol attenuates oxidative stress and energy decline in isoproterenol-induced heart failure in rat. Pharmacology Research. 51 (4), 311-318 (2005).
- Rau, C. D., et al. Mapping genetic contributions to cardiac pathology induced by Beta-adrenergic stimulation in mice. Circulation Cardiovascular Genetics. 8 (1), 40-49 (2015).
- Berthonneche, C., et al. Cardiovascular response to beta-adrenergic blockade or activation in 23 inbred mouse strains. PLoS One. 4 (8), 6610 (2009).
- Chang, S. C., Ren, S., Rau, C. D., Wang, J. J. Isoproterenol-Induced Heart Failure Mouse Model Using Osmotic Pump Implantation. Methods Molecular Biology. 1816, 207-220 (2018).
- Shusterman, V., et al. Strain-specific patterns of autonomic nervous system activity and heart failure susceptibility in mice. American Journal of Physiology-Heart Circulation Physiology. 282 (6), 2076-2083 (2002).
- Faulx, M. D., et al. Strain-dependent beta-adrenergic receptor function influences myocardial responses to isoproterenol stimulation in mice. American Journal of Physiology-Heart Circulation Physiology. 289 (1), 30-36 (2005).
- Zhang, G. X., et al. Cardiac oxidative stress in acute and chronic isoproterenol-infused rats. Cardiovascular Research. 65 (1), 230-238 (2005).
- Boluyt, M. O., et al. Isoproterenol infusion induces alterations in expression of hypertrophy-associated genes in rat heart. American Journal of Physiology. 269 (2), 638-647 (1995).
- Hohimer, A. R., Davis, L. E., Hatton, D. C. Repeated daily injections and osmotic pump infusion of isoproterenol cause similar increases in cardiac mass but have different effects on blood pressure. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 83 (2), 191-197 (2005).
- Cross, H. R., Murphy, E., Koch, W. J., Steenbergen, C. Male and female mice overexpressing the beta(2)-adrenergic receptor exhibit differences in ischemia/reperfusion injury: role of nitric oxide. Cardiovascular Research. 53 (2), 662-671 (2002).
- Klingman, G. I., McKay, G., Ward, A., Morse, L. Chronic isoproterenol treatment of mice: effects on catecholamines and rectal temperature. Journal of Pharmaceutical Sciences. 62 (5), 798-801 (1973).
