Tibet Minipiglerinde Korunmuş Ejeksiyon Fraksiyonlu Kalp Yetmezliğinin Cerrahi Modeli
Summary
Mevcut protokol, inen aort daralması kullanılarak korunmuş ejeksiyon fraksiyonu ile kalp yetmezliğinin minipig modelini oluşturmak için adım adım bir prosedürü açıklamaktadır. Bu hastalık modelinin kardiyak morfolojisini, histolojisini ve fonksiyonunu değerlendirme yöntemleri de sunulmaktadır.
Abstract
Dünya çapında kalp yetmezliği (KY) vakalarının yarısından fazlası korunmuş ejeksiyon fraksiyonu (HFpEF) olan kalp yetmezliği olarak sınıflandırılmaktadır. HFpEF’in temel mekanizmalarını araştırmak ve potansiyel terapötik hedefleri belirlemek için büyük hayvan modelleri sınırlıdır. Bu çalışma, HFpEF’in büyük bir hayvan modelini oluşturmak için Tibet minipiglerinde inen aort daralmasının (DAC) cerrahi prosedürünün ayrıntılı bir tanımını sağlar. Bu model, sol ventrikülde kronik basınç yüklenmesini indüklemek için inen aortun hassas bir şekilde kontrollü bir daralmasını kullandı. Kalpteki morfolojik ve fonksiyonel değişiklikleri değerlendirmek için ekokardiyografi kullanıldı. 12 haftalık DAC stresinden sonra, ventriküler septum hipertrofikti, ancak sol ventrikülün genişlemesi ile birlikte arka duvarın kalınlığı önemli ölçüde azaldı. Bununla birlikte, model kalplerinin LV ejeksiyon fraksiyonu, 12 haftalık süre boyunca %>50’de tutuldu. Ayrıca, DAC modeli fibroz, inflamasyon ve kardiyomiyosit hipertrofisi dahil olmak üzere kardiyak hasar gösterdi. Kalp yetersizliği belirteç düzeyleri DAC grubunda anlamlı olarak yüksekti. Minipiglerde DAC’nin neden olduğu bu HFpEF, bu hastalığın moleküler mekanizmalarını araştırmak ve klinik öncesi testler için güçlü bir araçtır.
Introduction
Korunmuş ejeksiyon fraksiyonlu kalp yetmezliği (HFpEF), kalp yetmezliği vakalarının yarısından fazlasını oluşturur ve dünya çapında bir halk sağlığı sorunu haline gelmiştir1. Klinik gözlemler, HFpEF’in birkaç kritik özelliğini göstermiştir: (1) artmış sistolik sertliğin eşlik ettiği ventriküler diyastolik disfonksiyon, (2) bozulmuş egzersiz performansı ile istirahatte normal ejeksiyon fraksiyonu ve (3) kardiyak yeniden şekillenme2. Önerilen mekanizmalar arasında hormonal düzensizlik, sistemik mikrovasküler inflamasyon, metabolik bozukluklar ve sarkomerik ve hücre dışı matriks proteinlerindeki anormallikleryer almaktadır 3. Bununla birlikte, deneysel çalışmalar, azaltılmış ejeksiyon fraksiyonu (HFrEF) ile kalp yetmezliğinin bu değişikliklere neden olduğunu göstermiştir. Klinik çalışmalar, HFpEF 4,5’te HFrEF tedavisi için anjiyotensin reseptör inhibitörlerinin ve ilaçlarının terapötik etkilerini araştırmıştır. Bununla birlikte, HFpEF için benzersiz terapötik yaklaşımlara ihtiyaç vardır. Klinik semptomların anlaşılmasıyla karşılaştırıldığında, HFpEF’in patolojisi, biyokimyası ve moleküler biyolojisindeki değişiklikler tam olarak tanımlanmamıştır.
HFpEF’in hayvan modelleri, mekanizmaları, tanısal belirteçleri ve terapötik yaklaşımları keşfetmek için geliştirilmiştir. Domuzlar, köpekler, sıçanlar ve fareler dahil olmak üzere laboratuvar hayvanları HFpEF geliştirebilir ve hipertansiyon, diabetes mellitus ve yaşlanma gibi çeşitli risk faktörleri indüksiyon faktörleri olarak seçilmiştir 6,7. Örneğin, deoksikortikosteron asetat tek başına veya yüksek yağ/şeker diyeti ile birlikte domuzlarda HFpEF’i indükler 8,9. Ventriküler basınç aşırı yüklenmesi, büyük ve küçük hayvan modellerinde HFpEF geliştirmek için kullanılan başka bir tekniktir10. Ek olarak, Avrupa Kardiyoloji Derneği kılavuzlarında, Amerikan Kardiyoloji Koleji Vakfı / Amerikan Kalp Derneği11, Japon Dolaşım Derneği / Japon Kalp Yetmezliği Derneği12’de görüldüğü gibi, HFpEF’i tanımlamak için spesifik EF kesme değerleri son yıllarda kıtalar arasında benimsenmiştir. Bu nedenle, daha önce oluşturulmuş birçok model, klinik kriterlerin benimsenmesi durumunda HFpEF çalışmaları için uygun hale gelebilir. Örneğin, Youselfi ve ark. genetiği değiştirilmiş bir fare suşu olan Col4a3-/-‘nin etkili bir HFpEF modeli olduğunu iddia etti. Bu suş, diyastolik disfonksiyon, mitokondriyal disfonksiyon ve kardiyak yeniden şekillenme gibi tipik HFpEF kardiyak semptomları geliştirdi13. Önceki bir çalışma, metabolik bir bozukluk, fibroz ve miyokardda azalmış aktomiyosin MgATPaz ile karakterize edilen yaşlı maymunlarda14 orta aralıkta bir EF ile kardiyak yeniden şekillenmeyi indüklemek için yüksek enerjili bir diyet kullandı. Fare transvers aort daralması (TAK), hipertansiyona bağlı ventriküler kardiyomiyopatiyi taklit etmek için en yaygın kullanılan modellerden biridir. Sol ventrikül, artmış EF ile konsantrik hipertrofiden azalmış EF15,16 ile dilate yeniden şekillenmeye ilerler. Bu iki tipik aşama arasındaki geçiş fenotipleri, aort daralma tekniğinin HFpEF’i incelemek için kullanılabileceğini düşündürmektedir.
Bir domuz HFpEF modelinin patolojik özellikleri, hücresel sinyalizasyonu ve mRNA profilleri daha önce yayınlanmıştı17. Burada, bu modeli kurmak için adım adım bir protokol ve bu modelin fenotiplerini değerlendirmek için yaklaşımlar sunulmaktadır. Prosedür Şekil 1’de gösterilmiştir. Kısaca cerrahi plan, baş araştırmacı, cerrahlar, laboratuvar teknisyenleri ve hayvan bakım personeli tarafından ortaklaşa yapılmıştır. Minipigler, biyokimyasal testler ve ekokardiyografi dahil olmak üzere sağlık muayenelerine tabi tutuldu. Ameliyat sonrası antiinflamatuar ve analjezik işlemler uygulandı. Fenotiplerin değerlendirilmesinde ekokardiyografi, histolojik inceleme ve biyobelirteçler kullanıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, Tibet minipigleri için bir HFpEF modeli geliştirmek için DAC tekniklerini kullandı. Burada sedasyon, trakeal entübasyon, ven kanülasyonu, cerrahi prosedür ve ameliyat sonrası bakım dahil olmak üzere adım adım bir hayvan ve alet hazırlama protokolü sunulmaktadır. Ekokardiyografik B-mod ve M-mod kalp görüntüleri için kayıt teknikleri de sunulmaktadır. DAC’den sonra, kalpte 4. ve 6. haftalarda sol ventrikül hipertrofisi ve 8. haftadan sonra dilatasyon uygulandı. LVEF 12 haftalık süre …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Guangdong Bilim ve Teknoloji Programı (2008A08003, 2016A020216019, 2019A030317014), Guangzhou Bilim ve Teknoloji Programı (201804010206), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (31672376, 81941002) ve Guangdong Eyaleti Laboratuvar Hayvanları Anahtar Laboratuvarı (2017B030314171) tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Absorbable surgical suture | Putong Jinhua Medical Co. Ltd, China | 4-0 | |
| Aesthesia ventilator station | Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Co., Ltd, China | WATO EX-35vet | |
| Aspirator | Shanghai Baojia Medical Apparatus Co., Ltd, China | YX930D | |
| Benzylpenicillin | Sichuan Pharmaceutical. INC, China | H5021738 | |
| Disposal endotracheal tube with cuff | Shenzhen Verybio Co., Ltd, China | 20 cm, ID 0.9 | |
| Disposal transducer | Guangdong Baihe Medical Technology Co., Ltd, China | ||
| Dissection blade | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd, China | ||
| Electrocautery | Shanghai Hutong Medical Instruments (Group) Co., Ltd, China | GD350-B | |
| Enzyme-linked immunosorbent assay ELISA kit | Cusabio Biotech Co., Ltd, China | CSB-E08594r | |
| Eosin | Sigma-Aldrich Corp. | E4009 | |
| Flunixin meglumine | Shanghai Tongren Pharmaceutical Co., Ltd., China | Shouyaozi(2012)-090242103 | |
| Forceps | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Hematoxylin | Sigma-Aldrich Corp. | H3136 | |
| Isoflurane | RWD Life Science Co., Ltd, China | Veteasy for animals | |
| Laryngoscope | Taixing Simeite Medical Apparatus and Instruments Limited Co., Ltd, China | For adults | |
| LED surgical lights | Mingtai Medical Group, China | ZF700 | |
| Microplate reader | Thermo Fisher Scientific, USA | Multiskan FC | |
| Microscope | Leica, Germany | DM2500 | |
| Mobile restraint unit | Customized | N/A | A mobile restraint unit, made by metal frame and wheels, with a canvas cover |
| Oxygen | Local suppliers, Guangzhou, China | ||
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich Corp. | V900894 | |
| Patient monitor | Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Company, China | Beneview T5 | |
| Peripheral Intravenous (IV) Catheter | Shenzhen Yima Pet Industry Development Co., Ltd., China | 26G X 16 mm | |
| Propofol | Guangdong Jiabo Phamaceutical Co., Ltd. | H20051842 | |
| Rib retractor | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Ruler | Deli Manufacturing Company, China | ||
| Scalpel handles | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Scissors (g) | Shanghai Medical Instruments (Group) Co., Ltd.,China | ||
| Suture | Medtronic-Coviden Corp. | 3-0, 4-0 | |
| Ultrasonic gel | Tianjin Xiyuansi Production Institute, China | TM-100 | |
| Veterinary monitor | Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Company, China | ePM12M Vet | |
| Veterinary ultrasound system | Esatoe, Italy | MyLab30 | Equiped with phased array transducer (3-8 Hz) |
| Xylazine hydrochloride injection | Shenda Animal Phamarceutical Co., Ltd., China | Shouyaozi(2016)-07003 | |
| Zoletil injection | Virbac, France | Zoletil 50 | Tiletamine and zolazepam for injection |
References
- Dunlay, S. M., Roger, V. L., Redfield, M. M. Epidemiology of heart failure with preserved ejection fraction. Nature Reviews Cardiology. 14 (10), 591-602 (2017).
- Redfield, M. M. Heart failure with preserved ejection fraction. New England Journal of Medicine. 375 (19), 1868-1877 (2016).
- Lam, C. S. P., Voors, A. A., de Boer, R. A., Solomon, S. D., van Veldhuisen, D. J. Heart failure with preserved ejection fraction: From mechanisms to therapies. European Heart Journal. 39 (30), 2780-2792 (2018).
- Solomon, S. D., et al. Angiotensin receptor neprilysin inhibition in heart failure with preserved ejection fraction: Rationale and design of the PARAGON-HF trial. JACC-Heart Failure. 5 (7), 471-482 (2017).
- Cunningham, J. W., et al. Effect of sacubitril/valsartan on biomarkers of extracellular matrix regulation in patients with HFpEF. Journal of the American College of Cardiology. 76 (5), 503-514 (2020).
- Conceição, G., Heinonen, I., Lourenço, A. P., Duncker, D. J., Falcão-Pires, I. Animal models of heart failure with preserved ejection fraction. Netherlands Heart Journal. 24 (4), 275-286 (2016).
- Noll, N. A., Lal, H., Merryman, W. D. Mouse models of heart failure with preserved or reduced ejection fraction. American Journal of Pathology. 190 (8), 1596-1608 (2020).
- Schwarzl, M., et al. A porcine model of hypertensive cardiomyopathy: Implications for heart failure with preserved ejection fraction. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 309 (9), 1407-1418 (2015).
- Reiter, U., et al. Early-stage heart failure with preserved ejection fraction in the pig: A cardiovascular magnetic resonance study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18 (1), 63 (2016).
- Silva, K. A. S., et al. Tissue-specific small heat shock protein 20 activation is not associated with traditional autophagy markers in Ossabaw swine with cardiometabolic heart failure. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 319 (5), 1036-1043 (2020).
- Ponikowski, P., et al. 2016 ESC Guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure: The Task Force for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure of the European Society of Cardiology (ESC)Developed with the special contribution of the Heart Failure Association (HFA) of the ESC. European Heart Journal. 37 (27), 2129-2200 (2016).
- Tsutsui, H., et al. JCS 2017/JHFS 2017 guideline on diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure – Digest version. Circulation Journal. 83 (10), 2084-2184 (2019).
- Yousefi, K., Dunkley, J. C., Shehadeh, L. A. A preclinical model for phenogroup 3 HFpEF. Aging (Albany NY). 11 (13), 4305-4307 (2019).
- Zheng, S., et al. Aged monkeys fed a high-fat/high-sugar diet recapitulate metabolic disorders and cardiac contractile dysfunction. Journal of Cardiovascular Translational Research. 14 (5), 799-815 (2021).
- Shirakabe, A., et al. Drp1-dependent mitochondrial autophagy plays a protective role against pressure overload-induced mitochondrial dysfunction and heart failure. Circulation. 133 (13), 1249-1263 (2016).
- Zhabyeyev, P., et al. Pressure-overload-induced heart failure induces a selective reduction in glucose oxidation at physiological afterload. Cardiovascular Research. 97 (4), 676-685 (2013).
- Tan, W., et al. A porcine model of heart failure with preserved ejection fraction induced by chronic pressure overload characterized by cardiac fibrosis and remodeling. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 677727 (2021).
- Beznak, M. Changes in heart weight and blood pressure following aortic constriction in rats. Canadian Journal of Biochemistry and Physiology. 33 (6), 995-1002 (1955).
- Bikou, O., Miyashita, S., Ishikawa, K. Pig model of increased cardiac afterload induced by ascending aortic banding. Methods in Molecular Biology. 1816, 337-342 (2018).
- Hiemstra, J. A., et al. Chronic low-intensity exercise attenuates cardiomyocyte contractile dysfunction and impaired adrenergic responsiveness in aortic-banded mini-swine. Journal of Applied Physiology. 124 (4), 1034-1044 (2018).
- Massie, B. M., et al. Myocardial high-energy phosphate and substrate metabolism in swine with moderate left ventricular hypertrophy. Circulation. 91 (6), 1814-1823 (1995).
- 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).
- Charles, C. J., et al. A porcine model of heart failure with preserved ejection fraction: magnetic resonance imaging and metabolic energetics. ESC Heart Failure. 7 (1), 92-102 (2020).
- Olver, T. D., et al. Western, diet-fed, aortic-banded ossabaw swine: A Preclinical model of cardio-metabolic heart failure. JACC Basic to Translational Science. 4 (3), 404-421 (2019).
