אפיון המודינמי של מודלים מכרסמים של יתר לחץ דם ריאתי עורקי
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
יתר לחץ דם עורקי ריאתי (PAH) הוא מחלה של כלי הדם הריאתי הקשורים חדיר לתא דלקתי, התפשטות שרירי חלקי אפופטוזיס תא האנדותל. שינויים אלה לגרום להכחדה של arterioles ריאתי, ובהמשך המוביל החדר הימני (RV) תפקוד לקוי ואי ספיקת לב. על מנת להבין את פתופיזיולוגיה שבבסיס PAH וכישלון קרוואנים PAH, מספר דגמים שונים, כולל מודלים גנטיים תרופתי, ללימוד מחלה זו פותחו (הנסקרת במקום אחר 1,2).
מודלים אלה, הפופולריים ביותר הם הנגרמת היפוקסיה (Hx) PAH בתוך העכבר ואת monocrotaline (MCT) ו SU5416-היפוקסיה (SuHx) מודלים בחולדה. במודל Hx עכבר, עכברים נחשפים 4 שבועות של היפוקסיה (או normobaric או hypobaric, המתאים לגובה של 18,000 רגל עם FiO2 של 0.10), עם התפתחות כתוצאה מהפצה המדיאלי, גדל syst RVלחצי olic והתפתחות RV היפרטרופיה 3. MCT במינון יחיד של 60 מ"ג / ק"ג תוצאות בפציעתם של תאי האנדותל ריאתי באמצעות מנגנון ברור כי התוצאות אז בפיתוח 4 PAH. SU5416 הוא מעכב של קולטנים גורמים (vascular endothelial growth VEGFR) 1 ו -2 חוסם, וטיפול עם זריקה תת עורית אחת של 60 מ"ג / ק"ג ואחריו חשיפה היפוקסיה כרונית 3 תוצאות שבועות יתר לחץ דם ריאתי קבוע עם שינויים פתולוגיים דומים לזה לראות המחלה האנושית, עם הקמתה של נגעים וסקולריים סוֹתֵם 5. בשנים האחרונות, מספר דגמי עכבר מהונדסים עבור יתר לחץ דם ריאתי פותחו. אלה כוללים בנוקאאוט ומוטציות של הקולטן חלבון העצם המוךפו"גנטי שהולך 2 (BMPR2), כמו מוטציות גנטיות BMPR2 נמצאות בשני צורות משפחתיות אידיופטית של PAH, בנוקאאוט heme oxygenase-1 ו- IL-6 ביטוי יתר (נסקר במקום אחר 1,2).
במודלים של מכרסמים שונים אלה של PH יש רמות שונות של יתר לחץ דם ריאתי, היפרטרופיה RV וכישלון RV. בעוד היפוקסיה ומודלים עכבר מהונדס שונים לגרום PAH קלה יותר מאשר חולדה או מודל 1, היא תאפשר בדיקה של מוטציות גנטיות שונות מסלולי איתות מולקולריים הקשורים בהם. המודל MCT אין לגרום PAH חמור, אם כי MCT שנראה רעילים לתאי אנדותל ב מרובות רקמות 4. מודל SuHx מאופיין וסקולרית משתנה מהר יותר דומה לזה לראות PAH אידיופטית בבני אדם, למרות דורש הוא חשיפת מניפולצית היפוקסיה תרופתית. יתר על כן, בכל אחד מן המודלים האלה, ייתכן שיש ניתוק בין השינויים histopathologic, לחצים ריאתי ותפקוד RV קשור להתפתחות של PAH. זאת בניגוד למחלה האנושית, שבו בדרך כלל יש יחס מידתי בין השינויים histopathologic, חומרת pulmonיתר לחץ דם האר"י ומידת כישלון RV. לפיכך, אפיון מקיף של במודלים של מכרסמים אלה של PH נדרש, כרוכה בהערכות של תפקוד RV (בדרך כלל על ידי אקו), ופרמטרים המודינמיים (על ידי צנתור) ו histopathology של הלב והריאות (למסוק רקמות).
בפרוטוקול זה, אנו מתארים את הטכניקות הבסיסיות המשמשות לאפיון המודינמי של מודלי PAH בחולדה והעכבר. טכניקות כלליות אלו יכולות להיות מיושמות על כל מחקר של החדר ממני ואת כלי הדם הריאתי אינו מוגבלת מודלים של PAH. לדמיין את RV על ידי אקו הוא פשוט יחסית בחולדות, אבל היא אתגר גדול יותר בעכברים בשל גודלן ואת הגיאומטריה המורכבת של RV. יתר על כן, חלק ממלאי מקום המשמש פונקצית RV לכימות, כגון TAPSE, עורק ריאה (PA) זמן אץ חרוק waveform רשות דופלר, אינם תקפים גם בבני אדם ובבעלי לתאם רק חלש עם הערכה של פויתר לחץ דם ו RV lmonary פונקציה ידי ופרמטרים המודינמיים פולשנית. קביעת והפרמטרים המודינמיים RV נעשית בצורה טובה ביותר עם חזה סגור, כדי לשמור על ההשפעות של לחץ intrathoracic שלילי עם השראה, אם כי צנתור חזה פתוח עם קטטר עכבה מאפשר קביעה של לחץ-נפח (PV) לולאות אפיון המודינמי מפורט יותר . כמו בכל הליך, פיתוח ניסיון לנהלים הוא קריטי להצלחה ניסיונית.
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).
