Гемодинамические характеристика моделях грызунов легочная артериальная гипертензия
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
Легочной артериальной гипертензии (ЛАГ) является заболеванием легочной сосудистой связанной с инфильтрация воспалительных клеток, пролиферации гладкомышечных клеток и апоптоза эндотелиальных клеток. Эти изменения приводят к облитерации легочных артериол, впоследствии приводит к правого желудочка (ПЖ) дисфункции и сердечной недостаточности. Для того , чтобы понять патофизиологии , лежащей в основе ПАУ и недостаточность ПЖ при ЛАГ, целый ряд различных моделей, в том числе генетических и фармакологических моделей, для изучения этого заболевания были разработаны (рассмотрены в другом месте 1,2).
Из этих моделей, наиболее популярными являются гипоксия-индуцированный (Гк) ФАГ у мышей и monocrotaline (MCT) и SU5416-гипоксия (SuHx) модели у крыс. У мышей Hx модели, мышей подвергаются 4-х недель гипоксии (либо нормобарических или гипобарических, что соответствует высоте 18000 футов с FiO2 0,10), с результирующее развитие медиальной пролиферации, увеличение RV систОлич давления и развитие RV гипертрофии 3. МСТ в разовой дозе 60 мг / кг приводит к травмированию легочных эндотелиальных клетках через неясным механизмом , который затем приводит к развитию PAH 4. SU5416 является ингибитором сосудистых эндотелиальных рецепторов фактора роста (VEGFR) 1 и 2 блокаторами, и лечение с помощью однократной подкожной инъекции 60 мг / кг с последующим воздействием хронической гипоксии в течение 3-х недель приводит к постоянной легочной гипертензии с патологическими изменениями, аналогичными , наблюдаемым в болезни человека, с образованием облитерирующими сосудистых поражений 5. В последние годы, несколько трансгенные мышиные модели для легочной гипертензии были разработаны. К ним относятся Выбивное и мутации костного морфогенетического белка рецептора 2 (BMPR2), а мутации гена BMPR2 встречаются в обеих семейных и идиопатических формах ЛАГ, гемоксигеназы-1 нокаут и IL-6 суперэкспрессия (обзор других 1,2).
Эти различные модели на грызунах ЛГ имеют различные уровни легочной гипертензии, гипертрофии ПЖ и недостаточности ПЖ. В то время как гипоксия и различные трансгенные модели мыши приводит к гораздо более умеренный , чем PAH либо крысиной модели 1, она позволяет тестирование различных генетических мутаций и связанных с ними путей молекулярной сигнализации. Модель МСТ действительно приводит к серьезным PAH, хотя МСТ по- видимому, токсична для эндотелиальных клеток во многих тканях 4. Модель SuHx характеризуется сосудистыми изменениями больше похожа на что наблюдается при идиопатической ЛАГ у людей, хотя и требует как фармакологического манипуляции и гипоксия экспозиции. Кроме того, во всех этих моделях, может быть разъединение между гистологических изменений, легочного давления и функции ПЖ, связанные с развитием PAH. Это в отличие от болезни человека, где, как правило, пропорциональное соотношение между гистологических изменений, тяжесть pulmonичных гипертензия и степень недостаточности ПЖ. Таким образом, комплексная характеристика этих моделей на грызунах ЛГ требуется, и включает в себя оценку функции ПЖ (как правило, с помощью эхокардиографии), гемодинамику (катетеризацией сердца) и гистопатологии сердца и легких (от сбора ткани).
В этом протоколе мы опишем основные приемы, используемые для гемодинамических характеристик моделей PAH у крыс и мышей. Эти общие методы могут быть применены к любому исследованию правого желудочка и легочной сосудистой сети и не ограничивается моделями PAH. Визуализируя RV с помощью эхокардиографии относительно проста в крысах, но является более сложным, у мышей из-за их размеров и сложной геометрией RV. Кроме того, некоторые суррогаты, используемые для количественной оценки функции ПЖ, такие как TAPSE, легочной артерии (ПА) время ускорения и PA доплеровский сигнал насечка, не очень хорошо проверены в организме человека и коррелируют слабо с оценкой о.е.lmonary гипертензия и функция RV инвазивными гемодинамику. Определение RV гемодинамику лучше всего делать с закрытой грудью, чтобы сохранить влияние отрицательного внутригрудного давления с вдохновением, хотя открытая грудь катетеризацию с катетером импеданса позволяет определить давление-объем (PV) петли и более детальное гемодинамические характеристики , Как и с любой процедурой, опыт разработки с процедурами, имеет решающее значение для экспериментального успеха.
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…
Disclosures
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 |
References
- 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).
