Изучение обратного ремоделирования левого желудочка путем дебандинга аорты у грызунов
Summary
Здесь мы описываем пошаговый протокол хирургического деформирования аорты в хорошо зарекомендовавшей себя мышиной модели сужения аорты. Эта процедура не только позволяет изучить механизмы, лежащие в основе обратного ремоделирования и регрессии гипертрофии левого желудочка, но и протестировать новые терапевтические варианты, которые могут ускорить восстановление миокарда.
Abstract
Чтобы лучше понять обратное ремоделирование левого желудочка (LV), мы описываем модель грызунов, в которой после ремоделирования ЛЖ, вызванного полосаткой аорты, мыши подвергаются ОР при удалении сужения аорты. В этой статье мы описываем пошаговую процедуру для выполнения минимально инвазивной хирургической деформирования аорты у мышей. Эхокардиография впоследствии использовалась для оценки степени гипертрофии и дисфункции сердца при ремоделировании ЛЖ и ОР и для определения наилучших сроков деформирования аорты. В конце протокола была проведена терминальная гемодинамическая оценка сердечной функции, а также собраны образцы для гистологических исследований. Мы показали, что дебандинг связан с хирургической выживаемостью 70-80%. Более того, через две недели после дебандирования значительное снижение желудочковой после нагрузки запускает регрессию желудочковой гипертрофии (~20%) и фиброз (~26%), восстановление диастолической дисфункции, оцениваемой нормализацией наполнения левого желудочка и концевого диастолического давления (E/e’ и LVEDP). Деформирование аорты является полезной экспериментальной моделью для изучения РН ЛЖ у грызунов. Степень восстановления миокарда варьируется между субъектами, поэтому имитирует разнообразие ОР, которое происходит в клиническом контексте, например, замена аортального клапана. Мы пришли к выводу, что модель полосирования/де-де-полосатки аорты представляет собой ценный инструмент для разгадывания новых идей о механизмах ОР, а именно регрессии сердечной гипертрофии и восстановлении диастолической дисфункции.
Introduction
Сужение поперечной или восходящей аорты у мыши является широко используемой экспериментальной моделью для гипертрофии сердца, вызванной перегрузкой давления, диастолической и систолической дисфункции и сердечной недостаточности1,2,3,4. Сужение аорты первоначально приводит к компенсированной концентрической гипертрофии левого желудочка (LV) для нормализации напряжениястенки 1. Однако при определенных обстоятельствах, таких как длительная сердечная перегрузка, эта гипертрофия недостаточна для уменьшения напряжения стенки, вызывая диастолическую и систолическую дисфункцию (патологическую гипертрофию)5. Параллельно изменения во внеклеточном матриксе (ECM) приводят к отложению коллагена и сшиванию в процессе, известном как фиброз, который можно подразделить на замещающий фиброз и реактивный фиброз. Фиброз в большинстве случаев необратим и ставит под угрозу восстановление миокарда после перегрузки6,7. Тем не менее, недавние исследования магнитно-резонансной томографии сердца показали, что реактивный фиброз способен регрессировать в долгосрочной перспективе8. В целом, фиброз, гипертрофия и сердечная дисфункция являются частью процесса, известного как ремоделирование миокарда, который быстро прогрессирует в сторону сердечной недостаточности (HF).
Понимание особенностей ремоделирования миокарда стало основной целью для ограничения или обращения вспять его прогрессирования, последнее известно как обратное ремоделирование (RR). Термин RR включает любое изменение миокарда, хронически обращенное вспять данным вмешательством, такую фармакологическую терапию (например, антигипертензивные препараты), хирургию клапанов (например, стеноз аорты) или желудочковые вспомогательные устройства (например, хронический HF). Тем не менее, ОР часто является неполным из-за преобладающей гипертрофии или систолической / диастолической дисфункции. Таким образом, уточнение механизмов, лежащих в основе ОР, и новых терапевтических стратегий по-прежнему отсутствует, что в основном связано с невозможностью доступа и изучения ткани миокарда человека во время ОР у большинства из этих пациентов.
Чтобы преодолеть это ограничение, модели грызунов сыграли значительную роль в продвижении нашего понимания сигнальных путей, участвующих в прогрессировании ВЧ. В частности, де-полосирование аорты мышей с сужением аорты представляет собой полезную модель для изучения молекулярных механизмов, лежащих в основе неблагоприятного ремоделирования ЛЖ 9 иRR 10,11, поскольку оно позволяет сбор образцов миокарда в разные моментывремени в этих двух фазах. Кроме того, он обеспечивает отличную экспериментальную установку для тестирования потенциальных новых целей, которые могут способствовать / ускорять RR. Например, в контексте аортального стеноза эта модель может предоставить информацию о молекулярных механизмах, участвующих в огромном разнообразии реакции миокарда, лежащей в основе (не)полноты RR6,12,а также об оптимальных таймингах для замены клапана, что представляет собой серьезный недостаток современных знаний. Действительно, оптимальное время для этого вмешательства является предметом споров, главным образом потому, что оно определяется на основе величины градиентов аорты. Несколько исследований говорят о том, что этот момент времени может быть слишком поздним для восстановления миокарда, поскольку фиброз и диастолическая дисфункция часто уже присутствуют12.
Насколько нам известно, это единственная животная модель, которая резюмирует процесс как ремоделирования миокарда, так и ОР, происходящий в таких состояниях, как стеноз аорты или гипертония до и после замены клапана или начала антигипертензивных препаратов, соответственно.
Стремясь решить проблемы, кратко изложенные выше, мы описываем хирургическую модель животных, которая может быть реализована как на мышах, так и на крысах, обращаясь к различиям между этими двумя видами. Мы описываем основные шаги и детали, связанные с проведением этих операций. Наконец, мы сообщаем о наиболее значительных изменениях, происходящих в РН непосредственно перед и на протяжении всего РР.
Protocol
Representative Results
Discussion
Предложенная здесь модель имитирует процесс ремоделирования РН и РР после полосирования и дебандирования аорты соответственно. Таким образом, он представляет собой отличную экспериментальную модель для продвижения наших знаний о молекулярных механизмах, участвующих в неблагоприят?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Португальский фонд науки и техники (FCT), Европейский союз, Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN), Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) и Programa Operacional Factores de Competitividade (COMPETE) за финансирование исследовательского подразделения UNIC (UID/IC/00051/2013). Этот проект поддерживается FEDER через COMPETE 2020 – Programa Operacional Competitividade E Internacionalização (POCI), проект DOCNET (NORTE-01-0145-FEDER-000003), поддерживаемый региональной операционной программой Norte Portugal (NORTE 2020), в рамках соглашения о партнерстве с Португалией 2020 года, через Европейский фонд регионального развития (ERDF), проект NETDIAMOND (POCI-01-0145-FEDER-016385), поддерживаемый Европейскими структурными и инвестиционными фондами, региональная операционная программа Лиссабона 2020 года. Даниэла Миранда-Сильва и Патрисия Родригес финансируются Фондом по области общения и технологий (FCT) за счет стипендий (SFRH/BD/87556/2012 и SFRH/BD/96026/2013 соответственно).
Materials
| Absorption Spears | F.S.T | 18105-03 | To absorb fluids during the surgery |
| Blades | F.S.T | 10011-00 | To perform the skin incision |
| Buprenorphine | Buprelieve | Analgesia drug | |
| Catutery | F.S.T | 18010-00 | To prevent exsanguination |
| Catutery tips | F.S.T | 18010-01 | To prevent exsanguination |
| cotton swab | Johnson's | To absorb fluids during the surgery | |
| Depilatory cream | Veet | To delipate the animal | |
| Disposable operating room table cover | MEDKINE | DYND4030SB | To cover the surgical area |
| Echo probe | Siemens | Sequoia 15L8W | Ultrasound signal aquisition |
| Echocardiograph | Siemens | Acuson Sequoia C512 | Ultrasound signal aquisition |
| End-tidal CO2 monitor | Kent Scientific | CapnoStat | To control expiration gas saturation |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11255-20 | To dissect the tissues and aorta |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11272-30 | To dissect the tissues and aorta |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11151-10 | To dissect the tissues and aorta |
| Forcep/Tweezers | F.S.T | 11152-10 | To dissect the tissues and aorta |
| Gas system | Penlon Sigma Delta | To anesthesia and mechanical ventilation | |
| Hemostats | F.S.T | 13010-12 | To hold the suture before tight the aorta |
| Hemostats | F.S.T | 13011-12 | To hold the suture before tight the aorta |
| Ligation aids | F.S.T | 18062-12 | To place a suture around the aorta |
| Magnetic retractor | F.S.T | 18200-20 | To help keep the animal in a proper position |
| Needle holder | F.S.T | 12503-15 | To suture the animal |
| Needle 26G | B-BRAUN | 4665457 | To serve as a molde of aortic constriction diameter |
| Oxygen | Air Liquide | To anesthesia and mechanical ventilation | |
| Polipropilene suture | Vycril | W8304/W8597 | To suture the animal and to do the constriction |
| Povidone-iodine solution | Betadine® | Skin antiseptic | |
| PowerLab | Millar instruments | ML880 PowerLab 16/30 | PV loop Signal Aquisition |
| Pulse oximeter | Kent Scientific | MouseStat | To control heart rate and blood saturation |
| PVAN software | Millar Instruments | To analyse the haemodynamic data | |
| PV loop cathether | Millar instruments | SPR-1035. 1.4 F | PV loop Signal Aquisition |
| Retractor | F.S.T | 17000-01 | To provide a better overview of the aorta |
| Scalpet handle | F.S.T | 10003-12 | To perform the skin incision |
| Scissors | F.S.T | 15070-08 | To cut the suture in debanding surgery |
| Scissors | F.S.T | 14084-09 | To cut other material during the surgery e.g. suture, papper |
| Sevoflurane | Baxter | 533-CA2L9117 | |
| Temperature control module | Kent Scientific | RightTemp | To control animal corporal temperature |
| Ventilator | Kent Scientific | PhysioSuite | To ventilate the animal |
| Water-bath | Thermo Scientific™ | TSGP02 | To maintain water temperature adequate to heat the P-V loop catethers |
References
- Arany, Z., et al. Transverse aortic constriction leads to accelerated heart failure in mice lacking PPAR-gamma coactivator 1alpha. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 103 (26), 10086-10091 (2006).
- Tavakoli, R., Nemska, S., Jamshidi, P., Gassmann, M., Frossard, N. Technique of Minimally Invasive Transverse Aortic Constriction in Mice for Induction of Left Ventricular Hypertrophy. Journal of Visualized Experiment. (127), e56231 (2017).
- Zaw, A. M., Williams, C. M., Law, H. K., Chow, B. K. Minimally Invasive Transverse Aortic Constriction in Mice. Journal of Visualized Experiment. (121), e55293 (2017).
- Rockman, H. A., et al. Segregation of atrial-specific and inducible expression of an atrial natriuretic factor transgene in an in vivo murine model of cardiac hypertrophy. Proceedings of the National Academy of Science. 88 (18), 8277-8281 (1991).
- Koide, M., et al. Premorbid determinants of left ventricular dysfunction in a novel model of gradually induced pressure overload in the adult canine. Circulation. 95 (6), 1601-1610 (1997).
- Rodrigues, P. G., Leite-Moreira, A. F., Falcao-Pires, I. Myocardial reverse remodeling: how far can we rewind. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 310 (11), 1402-1422 (2016).
- Weidemann, F., et al. Impact of myocardial fibrosis in patients with symptomatic severe aortic stenosis. Circulation. 120 (7), 577-584 (2009).
- Bing, R., et al. Imaging and Impact of Myocardial Fibrosis in Aortic Stenosis. JACC Cardiovascular Imaging. 12 (2), 283-296 (2019).
- Conceicao, G., Heinonen, I., Lourenco, A. P., Duncker, D. J., Falcao-Pires, I. Animal models of heart failure with preserved ejection fraction. Netherlands Heart Journal. 24 (4), 275-286 (2016).
- Weinheimer, C. J., et al. Load-Dependent Changes in Left Ventricular Structure and Function in a Pathophysiologically Relevant Murine Model of Reversible Heart Failure. Circulation Heart Failure. 11 (5), 004351 (2018).
- Bjornstad, J. L., et al. A mouse model of reverse cardiac remodelling following banding-debanding of the ascending aorta. Acta Physiologica (Oxford). 205 (1), 92-102 (2012).
- Yarbrough, W. M., Mukherjee, R., Ikonomidis, J. S., Zile, M. R., Spinale, F. G. Myocardial remodeling with aortic stenosis and after aortic valve replacement: mechanisms and future prognostic implications. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 143 (3), 656-664 (2012).
- deAlmeida, A. C., van Oort, R. J., Wehrens, X. H. Transverse aortic constriction in mice. Journal of Visualized Experiment. (38), 1729 (2010).
- Hamdani, N., et al. Myocardial titin hypophosphorylation importantly contributes to heart failure with preserved ejection fraction in a rat metabolic risk model. Circulation: Heart Failure. 6 (6), 1239-1249 (2013).
- Li, L., et al. Assessment of Cardiac Morphological and Functional Changes in Mouse Model of Transverse Aortic Constriction by Echocardiographic Imaging. Journal of Visualized Experiment. (112), e54101 (2016).
- Lygate, C. A., et al. Serial high resolution 3D-MRI after aortic banding in mice: band internalization is a source of variability in the hypertrophic response. Basic Research in Cardiology. 101 (1), 8-16 (2006).
- Platt, M. J., Huber, J. S., Romanova, N., Brunt, K. R., Simpson, J. A. Pathophysiological Mapping of Experimental Heart Failure: Left and Right Ventricular Remodeling in Transverse Aortic Constriction Is Temporally, Kinetically and Structurally Distinct. Frontiers in Physiology. 9, 472 (2018).
- Garcia-Menendez, L., Karamanlidis, G., Kolwicz, S., Tian, R. Substrain specific response to cardiac pressure overload in C57BL/6 mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulation Physiology. 305 (3), 397-402 (2013).
- 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).
- Li, Y. H., et al. Effect of age on peripheral vascular response to transverse aortic banding in mice. The Journal of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 58 (10), 895-899 (2003).
- Ruppert, M., et al. Myocardial reverse remodeling after pressure unloading is associated with maintained cardiac mechanoenergetics in a rat model of left ventricular hypertrophy. American Journal of Physiology-Heart and Circulation Physiology. 311 (3), 592-603 (2016).
- Treibel, T. A., et al. Reverse Myocardial Remodeling Following Valve Replacement in Patients With Aortic Stenosis. Journal of the American College of Cardiology. 71 (8), 860-871 (2018).
- Dadson, K., et al. Cellular, structural and functional cardiac remodelling following pressure overload and unloading. International Journal of Cardiology. 216, 32-42 (2016).
- Krayenbuehl, H. P., et al. Left ventricular myocardial structure in aortic valve disease before, intermediate, and late after aortic valve replacement. Circulation. 79 (4), 744-755 (1989).
- McCann, G. P., Singh, A. Revisiting Reverse Remodeling After Aortic Valve Replacement for Aortic Stenosis. Journal of the American College of Cardiology. 71 (8), 872-874 (2018).
- Miranda-Silva, D., et al. Characterization of biventricular alterations in myocardial (reverse) remodelling in aortic banding-induced chronic pressure overload. Science Reports. 9 (1), 2956 (2019).
