En kirurgisk modell for hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon hos tibetanske minigriser
Summary
Denne protokollen beskriver en trinnvis prosedyre for å etablere en minigrismodell for hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon ved bruk av synkende aortakonstriksjon. Metoder for evaluering av hjertemorfologi, histologi og funksjon av denne sykdomsmodellen presenteres også.
Abstract
Mer enn halvparten av hjertesvikt (HF) tilfeller er klassifisert som hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon (HFpEF) over hele verden. Store dyremodeller er begrenset for å undersøke de grunnleggende mekanismene for hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon og identifisere potensielle terapeutiske mål. Dette arbeidet gir en detaljert beskrivelse av den kirurgiske prosedyren for synkende aortakonstriksjon (DAC) hos tibetanske minigriser for å etablere en stor dyremodell av HFpEF. Denne modellen brukte en nøyaktig kontrollert innsnevring av den synkende aorta for å indusere kronisk trykkoverbelastning i venstre ventrikkel. Ekkokardiografi ble brukt for å evaluere de morfologiske og funksjonelle forandringene i hjertet. Etter 12 uker med DAC-stress var ventrikkelseptum hypertrofisk, men tykkelsen på bakveggen ble signifikant redusert, ledsaget av utvidelse av venstre ventrikkel. Imidlertid ble LV-ejeksjonsfraksjonen av modellhjertene opprettholdt på >50 % i løpet av 12-ukersperioden. Videre viste DAC-modellen hjerteskade, inkludert fibrose, inflammasjon og kardiomyocytthypertrofi. Markørnivåene for hjertesvikt var signifikant forhøyet i DAC-gruppen. Denne DAC-induserte HFpEF i minigriser er et kraftig verktøy for å undersøke molekylære mekanismer for denne sykdommen og for preklinisk testing.
Introduction
Hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon (HFpEF) står for mer enn halvparten av hjertesvikttilfellene og har blitt et verdensomspennende folkehelseproblem1. Kliniske observasjoner har indikert flere kritiske trekk ved hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon: (1) diastolisk dysfunksjon i ventrikkel, ledsaget av økt systolisk stivhet, (2) normal ejeksjonsfraksjon i hvile med nedsatt treningsevne og (3) hjerteremodellering2. De foreslåtte mekanismene inkluderer hormonell dysregulering, systemisk mikrovaskulær betennelse, metabolske forstyrrelser og abnormiteter i sarkomeriske og ekstracellulære matriksproteiner3. Eksperimentelle studier har imidlertid vist at hjertesvikt med redusert ejeksjonsfraksjon (HFrEF) forårsaker disse endringene. Kliniske studier har undersøkt de terapeutiske effektene av angiotensinreseptorhemmere og legemidler for behandling av HFrEF ved hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon 4,5. Imidlertid er det behov for unike terapeutiske tilnærminger for hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon. Sammenlignet med å forstå de kliniske symptomene, forblir endringene i patologi, biokjemi og molekylærbiologi av HFpEF dårlig definert.
Dyremodeller av hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon er utviklet for å utforske mekanismer, diagnostiske markører og terapeutiske tilnærminger. Laboratoriedyr, inkludert griser, hunder, rotter og mus, kan utvikle HFpEF, og ulike risikofaktorer, inkludert hypertensjon, diabetes mellitus og aldring, ble valgt som induksjonsfaktorer 6,7. For eksempel induserer deoksykortikosteronacetat alene eller kombinert med en diett med høyt fettinnhold / sukker HFpEF hos griser 8,9. Ventrikulær trykkoverbelastning er en annen teknikk som brukes til å utvikle HFpEF i store og små dyremodeller10. I tillegg har spesifikke EF-grenseverdier for å definere hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon blitt tatt i bruk på tvers av kontinenter de siste årene, som vist i European Society of Cardiology guidelines, American College of Cardiology Foundation/American Heart Association11, Japanese Circulation Society/Japanese Heart Failure Society12. Mange tidligere etablerte modeller kan derfor bli aktuelle for hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon dersom de kliniske kriteriene tas i bruk. For eksempel hevdet Youselfi et al. at en genetisk modifisert musestamme, Col4a3-/-, var en effektiv HFpEF-modell. Denne stammen utviklet typiske hjertesymptomer med bevart ejeksjonsfraksjon, som diastolisk dysfunksjon, mitokondriell dysfunksjon og hjerteremodellering13. En tidligere studie brukte en høy-energi diett for å indusere hjerte remodeling med en mid-range av EF i alderen aper14, preget av en metabolsk lidelse, fibrose, og redusert actomyosin MgATPase i myokardiet. Mus tverrgående aortakonstriksjon (TAC) er en av de mest brukte modellene for å etterligne hypertensjon-indusert ventrikulær kardiomyopati. Venstre ventrikkel progredierer fra konsentrisk hypertrofi med økt EF til utvidet remodellering med redusert EF15,16. Overgangsfenotypene mellom disse to typiske stadiene antyder at aortakonstriksjonsteknikken kan brukes til å studere hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon.
De patologiske egenskapene, cellulær signalering og mRNA-profiler av en svine-HFpEF-modell ble tidligere publisert17. Her presenteres en trinnvis protokoll for å etablere denne modellen og tilnærmingene for å evaluere fenotypene til denne modellen. Fremgangsmåten er illustrert i figur 1. Kort fortalt ble den kirurgiske planen laget i fellesskap av hovedforsker, kirurger, laboratorieteknikere og dyrepleiepersonell. Minigrisene gjennomgikk helseundersøkelser, inkludert biokjemiske tester og ekkokardiografi. Etter operasjonen ble det utført betennelsesdempende og smertestillende inngrep. Ekkokardiografi, histologisk undersøkelse og biomarkører ble brukt for å evaluere fenotypene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne studien brukte DAC-teknikker for å utvikle en HFpEF-modell for tibetanske minigriser. En trinnvis protokoll for forberedelse av dyr og instrumenter presenteres her, inkludert sedasjon, trakeal intubasjon, venekanylering, kirurgisk prosedyre og pleie etter operasjonen. Opptaksteknikkene for ekkokardiografiske B-modus og M-modus hjertebilder blir også presentert. Etter DAC gjennomgikk hjertet venstre ventrikkelhypertrofi i uke 4 og 6 og dilatasjon etter uke 8. LVEF ble bevart i løpet av 12-ukersperioden. Fibrose o…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av 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 |
Riferimenti
- 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).
