Hämodynamische Charakterisierung von Nagetiermodellen von pulmonaler arterieller Hypertonie
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
Pulmonaler arterieller Hypertonie (PAH) ist eine Erkrankung des Lungengefäßsystems assoziiert mit entzündlichen Zellinfiltration, Proliferation der glatten Muskulatur und endotheliale Zellapoptose. Diese Änderungen führen zu Verödung der pulmonalen Arteriolen, anschließend rechten Ventrikels führt (RV) Dysfunktion und Herzinsuffizienz. Um die Pathophysiologie zugrunde liegenden PAH und RV Versagen bei PAH, eine Reihe von verschiedenen Modellen, einschließlich genetischer und pharmakologischer Modelle, für das Studium dieser Krankheit zu verstehen , entwickelt worden ( zusammengefasst anderswo 1,2).
Von diesen Modellen sind die beliebtesten Hypoxie-induzierte (Hx) PAH in der Maus und der Monocrotalin (MCT) und SU5416-Hypoxie (SuHx) Modelle in der Ratte. In der Maus Hx Modell Mäuse 4 Wochen Hypoxie ausgesetzt sind (entweder normobare oder hypobarischen, entsprechend einer Höhe von 18.000 Fuß mit einem FiO2 von 0,10), wobei die resultierende Entwicklung der medialen Proliferation, erhöhte RV systolic Druck und die Entwicklung der RV Hypertrophie 3. MCT bei einer Einzeldosis von 60 mg / kg führt zu Schäden an Lungen Endothelzellen durch einen unklaren Mechanismus, der dann bei der Entwicklung von PAH Ergebnisse 4. SU5416 ist ein Inhibitor des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor-Rezeptoren (VEGFR) 1 und 2 blocker, und die Behandlung mit einer einzelnen subkutanen Injektion von 60 mg / kg durch Bestrahlung mit chronischer Hypoxie für 3 Wochen führt zu einer dauerhaften pulmonale Hypertonie mit pathologischen Veränderungen gefolgt ähnlich an , dass 5 in der menschlichen Krankheit, mit der Bildung von obliterative vaskuläre Läsionen gesehen. In den letzten Jahren wurden mehrere transgene Mausmodelle für die pulmonale Hypertonie entwickelt. Dazu gehören Knockout und Mutationen des Knochen – morphogenetischen Protein – Rezeptor 2 (BMPR2), als BMPR2 Gen – Mutationen gefunden werden in beiden familiären und idiopathische Formen von PAH, Hämoxygenase-1 – Knockout und IL-6 – Überexpression (Bewertung anderer Stelle 1,2).
Diese verschiedenen Nagetiermodellen von PH haben verschiedene Ebenen der pulmonalen Hypertonie, RV Hypertrophie und RV Versagen. Während die Hypoxie und verschiedene transgene Mausmodelle führen zu viel milder PAH als die beiden Rattenmodell 1, tut es Tests von verschiedenen genetischen Mutationen und den damit verbundenen molekularen Signalwegen zu ermöglichen. Das MCT – Modell führt zu schweren PAH, obwohl MCT als toxisch erscheint 4 – Zellen in vielen Geweben an Endothelzellen. Die SuHx Modell durch vaskuläre gekennzeichnet ändert mehr ähnlich der in idiopathic PAH bei Menschen gesehen, allerdings erfordert sowohl pharmakologische Manipulation und Hypoxie-Exposition. Darüber hinaus wird in allen diesen Modellen kann es zu einer Trennung zwischen den histopathologischen Veränderungen, Lungendrücke und RV-Funktion mit der Entwicklung von PAH verbunden. Dies steht im Gegensatz zu der menschlichen Krankheit, wo es in der Regel ein proportionaler Zusammenhang zwischen histopathologischen Veränderungen, die Schwere der Pulmonary Hypertonie und der Grad der RV Versagen. Somit ist eine umfassende Charakterisierung dieser Nagetiermodellen von PH erforderlich und beinhaltet Beurteilungen der RV-Funktion (typischerweise durch Echokardiographie), Hämodynamik (durch Herzkatheterisierung) und Histopathologie des Herzens und der Lunge (aus Gewebeernte).
In diesem Protokoll beschreiben wir die grundlegenden Techniken zur hämodynamischen Charakterisierung von PAH-Modelle in der Ratte und der Maus. Diese allgemeinen Techniken kann zu jeder Studie des rechten Ventrikels und Lungengefäßen angewendet werden und ist nicht auf Modelle von PAH beschränkt. die RV durch Echokardiographie Visualisierung ist relativ einfach in Ratten, aber anspruchsvoller in Mäusen aufgrund ihrer Größe und der komplexen Geometrie des RV ist. Darüber hinaus haben einige Surrogate für die Quantifizierung von RV-Funktion verwendet werden, wie TAPSE, Lungenarterie (PA) Beschleunigungszeit und PA-Doppler-Wellenform Ausklinken, sind nicht gut in Menschen validiert und nur schwach mit der Bewertung von pu korrelierenlmonary Hypertonie und RV-Funktion durch invasive Hämodynamik. Die Bestimmung der RV Hämodynamik wird am besten mit einem geschlossenen Brust getan, um die Auswirkungen eines negativen intrathorakalen Druck mit Inspiration zu halten, obwohl offen Brust Katheterisierung mit einer Impedanz Katheter Bestimmung der Druck-Volumen (PV) ermöglicht Schleifen und eine detailliertere hämodynamischen Charakterisierung . Wie bei jedem Verfahren, ist die Erfahrung mit den Verfahren der Entwicklung entscheidend für experimentelle Erfolg.
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
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