Hemodynamiska karakterisering av gnagarmodeller av pulmonell arteriell hypertension
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
Pulmonell arteriell hypertension (PAH) är en sjukdom i lungkärlen i samband med inflammatorisk cellinfiltration, glatt muskulatur spridning och endotelceller apoptos. Dessa förändringar resulterar i utplånandet av pulmonella arterioler, därefter leder till höger kammare (RV) dysfunktion och hjärtsvikt. För att förstå patofysiologin bakom PAH och RV fel i PAH har ett antal olika modeller, inklusive genetiska och farmakologiska modeller, för att studera sjukdomen utvecklats (ses över någon annanstans 1,2).
Av dessa modeller, den mest populära är hypoxi-inducerad (Hx) PAH i musen och monocrotaline (MCT) och SU5416-hypoxi (SuHx) modeller på råtta. I mus Hx-modellen, är möss som exponerats för 4 veckors hypoxi (antingen normobaric eller hypobaric, vilket motsvarar en höjd av 18.000 fot och med FiO2 av 0,10), med resulterande utveckling av medial proliferation, ökad RV systOlic tryck och utveckling av RV hypertrofi 3. MCT med en enda dos av 60 mg / kg resulterar i skador på lung endotelceller genom en oklar mekanism som sedan resulterar i utvecklingen av PAH 4. SU5416 är en hämmare av vascular endothelial tillväxtfaktorreceptorer (VEGFR) 1 och 2-blockerare, och behandling med en enda subkutan injektion av 60 mg / kg följt av exponering för kronisk hypoxi för 3 veckor resulterar i permanent pulmonell hypertension med patologiska förändringar liknande som ses i den humana sjukdomen, med bildandet av obliterativ kärlskador 5. Under de senaste åren har flera transgena musmodeller för pulmonell hypertension utvecklats. Dessa inkluderar knockout och mutationer av benmorfogenetiskt protein receptor 2 (BMPR2), som BMPR2 genmutationer finns i både familjära och idiopatisk former av PAH, heme oxygenas-1 knockout och IL-6 uttryck (ses över någon annanstans 1,2).
Dessa olika gnagarmodeller av PH har olika nivåer av pulmonell hypertension, RV hypertrofi och RV misslyckande. Medan hypoxi och olika transgena musmodeller resulterar i mycket mildare PAH än antingen råttmodellen en, det gör det möjligt att testa olika genetiska mutationer och tillhörande molekylära signalvägar. MCT modellen leder till svår PAH, även om MCT verkar vara giftiga för endotelceller i flera vävnader 4. Den SuHx modellen kännetecknas av kärlförändringar mer liknar den som ses hos idiopatisk PAH hos människor, även om kräver både farmakologisk manipulation och hypoxi exponering. Dessutom i alla dessa modeller, kan det finnas en frånkoppling mellan de histopatologiska förändringar, lung tryck och RV funktion i samband med utvecklingen av PAH. Detta är i motsats till den humana sjukdomen, där det finns vanligtvis en proportionell relation mellan histopatologiska förändringar, svårighetsgraden av pulmonary hypertoni och graden av RV misslyckande. Således är en omfattande karakterisering av dessa gnagarmodeller av PH krävs, och innebär bedömningar av RV funktion (vanligen genom ekokardiografi), hemodynamik (av hjärtkateterisering) och histopatologi av hjärtat och lungorna (från vävnads skörd).
I detta protokoll, beskriver vi de grundläggande teknikerna som används för hemodynamiska karakterisering av PAH modeller på råtta och mus. Dessa allmänna tekniker kan tillämpas på någon studie av den högra ventrikeln och lungkärlsystemet och är inte begränsat till modeller av PAH. Visualisera RV genom ekokardiografi är relativt enkelt i råttor, men är mer utmanande i möss på grund av sin storlek och komplex geometri av RV. Dessutom har vissa surrogat som används för att kvantifiera RV funktion, såsom TAPSE, lungartären (PA) accelerationstid och PA Doppler vågform stansning, är inte väl validerade i människor och korrelerar endast svagt med bedömning av pulmonary hypertoni och RV funktion genom invasiva hemodynamiken. Fastställande av RV hemodynamik görs bäst med en sluten bröst, för att bibehålla effekten av ett negativt inre brösttryck med inspiration, även om öppen kista kateterisering med en impedans kateter tillåter bestämning av tryck volym (PV) loopar och en mer detaljerad hemodynamisk karakterisering . Som med varje förfarande, utveckla erfarenhet med de förfaranden som är avgörande för experimentell framgång.
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).
