本研究介绍了一种由于进行性冠状动脉狭窄导致慢性心肌缺血的猪外科模型,该模型在无心肌梗死的情况下引起心脏功能受损。缺血发生后,动物接受非体外循环冠状动脉旁路移植术,并在心外膜放置富含干细胞来源外泌体的胶原贴片作为辅助治疗。该辅助疗法可改善心肌功能和恢复。
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本研究介绍了一种由于进行性冠状动脉狭窄导致慢性心肌缺血的猪外科模型,该模型在无心肌梗死的情况下引起心脏功能受损。缺血发生后,动物接受非体外循环冠状动脉旁路移植术,并在心外膜放置富含干细胞来源外泌体的胶原贴片作为辅助治疗。该辅助疗法可改善心肌功能和恢复。
由进行性冠状动脉狭窄引起的慢性心肌缺血可导致心肌冬眠(HIB),即心肌通过降低代谢活动来适应供氧减少的状态,从而防止心肌细胞发生不可逆损伤和梗死。这与心肌梗死不同,因为HIB在血运重建后具有恢复的潜力。患有显著冠状动脉疾病(CAD)的患者会经历慢性缺血,使其面临心力衰竭和猝死的风险。目前治疗严重CAD的标准外科手术是冠状动脉旁路移植术(CABG),但研究表明该疗法并不完善,且尚无辅助疗法可用于恢复已适应慢性缺血的心肌细胞。为弥补这一空白,本研究采用了一种适用于CABG并能模拟临床情况的猪HIB外科模型。该模型包含两次手术:第一次手术是在左前降支(LAD)动脉上植入一个1.5 mm的刚性缩窄器;随着动物生长,缩窄器逐渐引起显著狭窄,导致局部收缩功能下降。当狭窄程度达到80%时,心肌血流和功能受损,从而形成HIB。随后使用左内乳动脉(LIMA)进行非体外循环CABG,以实现缺血区域的血运重建。术后动物恢复一个月,以在牺牲前获得最佳心肌功能改善,从而便于对不同治疗组进行生理学和组织学研究。该动物模型表明,即使经过CABG,心脏功能仍可能持续受损,提示需要开发新型辅助干预措施。在本研究中,开发了一种嵌有间充质干细胞(MSC)来源外泌体的胶原贴片,可在手术中将其应用于LIMA吻合口远端的心外膜表面。该材料可贴合心外膜,具有可吸收性,并为信号因子的持续释放提供支架。这种再生疗法可促进单纯血运重建无法奏效的心肌恢复。该模型为HIB恢复过程中的生理机制研究提供了临床转化途径。
全球范围内,严重冠状动脉疾病(CAD)影响着超过一亿患者,尽管其死亡率已有所下降,但它仍然是导致死亡的主要原因之一1,2。CAD 的临床表现谱广泛,从心肌梗死(MI)到存在心肌存活性的缺血状态均属其范畴。大多数临床前研究集中于心肌梗死,因其特征为存在梗死组织,可在小型和大型动物模型中进行研究。然而,该模型无法涵盖那些心肌存活性保留且适合血运重建的患者。接受冠状动脉旁路移植术(CABG)的大多数患者表现为血供减少和功能受限,同时在收缩储备和心肌存活性方面存在差异3。若不进行治疗,这些患者可能在负荷增加时进展为晚期心力衰竭甚至猝死4。在这些患者中,冠状动脉旁路移植术(CABG)是一种有效的治疗方法,但可能无法实现完全的功能恢复5。值得注意的是,舒张功能障碍是临床预后不良的标志,在血运重建后往往无法恢复,提示在 CABG 术中需要新的辅助治疗策略6,7。目前尚无可用于临床的、与 CABG 联用的辅助干预手段,以使心肌细胞恢复至完全功能状态。鉴于许多患者即使接受了适当的血运重建仍会进展为晚期心力衰竭,这一治疗空白尤为突出8。
本研究建立了一种创新的猪慢性心肌缺血模型,该模型适用于冠状动脉旁路移植术(CABG),可模拟临床冠状动脉疾病(CAD)的情况9。与其他大型动物相比,猪是研究心脏疾病的理想模型,因其缺乏心外膜桥接侧支循环,单独左前降支(LAD)狭窄即可导致区域性心肌缺血10。本研究采用16周龄雌性约克夏-长白猪。在该模型中,通过使用左乳内动脉(LIMA)移植物进行非体外循环CABG对LAD进行血运重建(补充表1)。由于缩窄装置为刚性结构,无法通过经皮冠状动脉介入治疗(PCI)解除狭窄。采用心脏磁共振成像(MRI)评估整体与区域性心功能、冠状动脉解剖结构及心肌组织存活性。心脏MRI分析显示,尽管实施了CABG,舒张功能仍受损,表现为峰值充盈率(PFR)持续降低6。舒张功能障碍的机制可能与HIB(慢性缺血性心肌病)中线粒体生物能量代谢障碍及胶原形成异常有关,且这些异常在CABG术后仍持续存在11。
间充质干细胞(MSC)在冠状动脉旁路移植术(CABG)期间通过外泌体传递治疗性信号,以促进心肌功能恢复。在该猪模型及平行研究中 体外 研究显示,在冠状动脉旁路移植术(CABG)期间植入心外膜MSC聚乳酸-羟基乙酸共聚物(vicryl)补片可恢复心肌收缩功能,并增加关键线粒体蛋白(如PGC-1α)的表达水平。12线粒体能量代谢的重要调控因子13。该 体外 该模型使我们能够探究间充质干细胞(MSCs)对受损线粒体功能的信号转导机制。外泌体是分泌型的稳定微囊泡(50–150 nm),含有蛋白质或核酸,包括微小RNA(miRNA)14. 近期 体外 数据表明,间充质干细胞来源的外泌体是恢复线粒体呼吸所必需的重要信号机制。
干细胞来源的外泌体作为一种辅助治疗手段具有广阔前景,因其易于获取、可进行商业化生产,且不存在伦理争议。考虑到临床转化应用,研究人员开发了一种将间充质干细胞(MSC)来源外泌体嵌入其中的胶原蛋白贴片,该贴片可通过手术缝合至心肌冬眠区域。研究表明,该贴片可实现外泌体的持续递送,提供一种基于旁分泌信号机制的无细胞再生疗法,靶向促进线粒体功能恢复并增强线粒体生物合成15。该方法建立了临床前研究模型,用于探讨MSC来源疗法在血管重建时通过改善线粒体功能、减轻炎症反应,逆转心肌细胞对慢性缺血适应性改变的能力,从而改善心脏功能。
本研究展示了采用左乳内动脉(LIMA)至左前降支(LAD)吻合的非体外循环冠状动脉旁路移植术(off-pump CABG)外科手术方法,以绕过近端LAD狭窄区域,模拟冠状动脉疾病(CAD)患者的常规治疗方案。作为CABG的辅助治疗,本研究还演示了将间充质干细胞(MSC)来源的外泌体负载的胶原贴片应用于心肌缺血区域的外科操作。该手术模型可用于研究外泌体贴片所产生的旁分泌效应所引发的生理反应,以及心肌修复过程中的分子机制。
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明尼阿波利斯退伍军人事务医疗中心和明尼苏达大学的机构动物照护与使用委员会(IACUC)已批准所有动物实验研究。实验遵循美国国家卫生研究院(NIH)现行的实验动物使用与照护指南。
1. 间充质干细胞的分离及外泌体的制备与表征
2. 非体外循环冠状动脉旁路移植术
3. 采用股动脉入路的冠状动脉造影
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血运重建后,通过冠状动脉造影评估左前降支(LAD)狭窄程度(大于80%)以及左乳内动脉-左前降支(LIMA-LAD)桥血管的通畅性(图1)。血运重建手术及负载外泌体的胶原贴片植入后4周,进行心脏磁共振成像(MRI),通过以5 µg/kg/min速率输注低剂量多巴酚丁胺,评估静息和应激状态下的心脏收缩和舒张功能。收缩功能通过测定室壁增厚率(收缩末期室壁厚度-舒张末期室壁厚度)进行分析。舒张功能通过测定峰值充盈率与舒张末期容积的比值(PFR/EDV;图2)进行评估。进行延迟对比增强成像以确认LAD供血区域无心肌梗死。若LAD区域存在梗死,可能源于缩窄器导致血栓形成继而引起的动脉闭塞。局部室壁运动无异常表明不存在冬眠表型。
在低剂量多巴酚丁胺输注下,HIB动物组的舒张功能(以PFR/EDV衡量)较对照组显著下降(分别为5.5 ± 0.8与6.9 ± 1.5,p < 0.05)。CABG组相较于HIB组在PFR/EDV方面呈现改善趋势(分别为6.3 ± 0.9与5....
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本研究首次建立了慢性缺血性心肌的猪模型,结果表明,在外科血管重建术期间使用富含间充质干细胞来源外泌体的胶原贴片进行治疗,可通过靶向线粒体功能恢复,从而在正性肌力刺激下改善舒张期和收缩期功能。既往研究表明,在大型动物的心肌梗死后综合征(HIB)模型中,通过心脏磁共振成像(MRI)测量的舒张期和收缩期功能仍存在明显障碍,仅通过血管重建术可实现轻微改善,但无法完全恢复6,19。尽管左心室射血分数得以保留,心功能障碍依然存在。这些发现准确地模拟了临床上单支血管供血区域慢性缺血性心肌患者在左心室功能保留情况下的真实病程。
在再血管化手术过程中存在若干关键且技术性较强的挑战,尤其是在既往接受过开胸手术的情况下。由于心包此前已被打开且可能存在粘连,经胸骨入路时有发生心血管损伤的风险。胸骨切开术可能因心脏与胸骨位置邻近或存在粘连而造成心脏损伤。使用摆动锯可降低此类风险,研究表明该器械有助于实现顺利的胸骨再次进入。
成功实施冠状...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了美国退伍军人事务部生物医学实验室研究与开发局(BLR&D)的VA Merit Review基金#I01 BX000760(RFK)以及美国退伍军人事务部基金#I01 BX004146(TAB)的支持。我们还衷心感谢明尼苏达大学Lillehei心脏研究所提供的支持。本研究内容并不代表美国退伍军人事务部或美国政府的观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5 Ethibond | Ethicon | MG46G | 缝合线 |
| # 40 剪毛刀头 | Oster | 078919-016-701 | 清除手术部位毛发 |
| 0 Vicryl | Ethicon | J208H | 缝合线 |
| 1 mL 注射器 | Medtronic/Covidien | 1188100777 | 给药注射剂 |
| 1" 医用胶带 | Medline | MMM15271Z | 固定伤口敷料和静脉导管 |
| 1000mL 0.9% 氯化钠 | Baxter | 2B1324X | 静脉补液 |
| 12 mL 注射器 | Medtronic/Covidien | 8881512878 | 给药注射剂 |
| 18 号针头 | BD | 305185 | 注射剂给药 |
| 20 号针头 | BD | 305175 | 注射剂给药 |
| 20 mL 注射器 | Medtronic/Covidien | 8881520657 | 给药注射剂 |
| 2-0 Vicryl | Ethicon | J317H | 缝合线 |
| 250 mL 0.9% 生理盐水 | Baxter | UE1322D | 静脉补液 |
| 3 mL 注射器 | Medtronic/Covidien | 1180300555 | 给药注射剂 |
| 3-0 Vicryl | Ethicon | VCP824G | 缝合线 |
| 36” 压力监测管路 | Smith’s Medical | MX563 | 连接动脉导管 至传感器 |
| 4.0 mm 内径气管插管 | Medline | DYND43040 | 建立冬眠状态下的气道 |
| 4-0 Tevdek II 缝线 | Deknatel | 7-922 | 用于固定LAD周围缩窄器的缝线 |
| 48” 压力监测管路 | Smith’s Medical | MX564 | 连接动脉导管 至传感器 |
| 500mL 0.9% 氯化钠 | Baxter | 2B1323Q | 药物输送,为吹雾器提供雾化液体 |
| 6 mL 注射器 | Medtronic/Covidien | 1180600777 | 给药注射剂 |
| 6.0 mm 内径气管插管 | Mallinckrodt | 86049 | 建立再灌注、MRI 和终止实验时的气道 |
| 6.5 mm 内径气管插管 | Medline | DYND43065 | 建立再灌注、MRI 和终止实验时的气道 |
| 6” 压力管路 | Smith’s Medical | MX560 | 采集骨髓 |
| 60 mL 注射器 | Medtronic/Covidien | 8881560125 | 给药注射剂 |
| 7.0 mm 内径气管插管 | Medline | DYND43070 | 建立再灌注、MRI 和终止实验时的气道 |
| 7-0 Prolene | Ethicon | M8702 | 缝合线 |
| Advanced DMEM (1X) | ThermoFisher Scientific | 12491023 | |
| 酒精消毒棉片 | MedSource | MS-17402 | 皮肤消毒剂 |
| Amicon Ultra-15 离心过滤装置 | Millipore Sigma | UFC910024 | |
| 麻醉机 | Drager | Fabious Trio | 维持全身麻醉 |
| 麻醉机 + 呼吸机 | DRE Drager- Fabius Tiro | DRE0603FT | 向患者输送氧气和吸入麻醉剂 |
| 麻醉监护仪 | Phillips Intellivue | MP70 | 多参数监护以保障患者安全 |
| 动脉导管套件 | Arrow | ASK-04510-HF | 股动脉导管用于血压监测 |
| 人工泪液 | Rugby | 0536-1086-91 | 润滑眼睛,防止角膜干燥 |
| Bair Hugger | 3M | Model 505 | 患者保温系统 |
| 基础手术包 | Medline | DYNJP1000 | 无菌铺巾和手术台覆盖物 |
| 采血管-绿色盖帽 | Fisher Scientific | 02-689-7 | 采集微球血样 |
| 吹雾器套件 | Medtronic/Covidien | 22120 | 清除手术区域以利于血管吻合 |
| BODIPY TR Ceramide | ThermoFisher Scientific | D7540 | |
| 骨髓穿刺针- 25mm 15 号骨内针 | Vidacare | 9001-VC-005 | 采集骨髓 |
| 骨蜡 | Medline | ETHW31G | 骨断面止血 |
| Bovie 电凝手柄 | Covidien | E2516 | 止血 |
| 布比卡因 | Pfizer | 00409-1161-01 | 局部麻醉药 |
| 丁丙诺啡 0.3 mg/mL | Sigma Aldrich | B9275 | 术前镇痛药,用于可存活手术 |
| 细胞刮刀 | Corning | 353085 | |
| 头孢唑啉 1 g | Pfizer | 00409-0805-01 | 抗生素 |
| 胸腔引流管 | Covidien | 8888561043 | 排出胸腔内空气 |
| 氯己定-碘复合消毒液(Cloroprep) | Becton Dickenson | 260815 | 外科皮肤准备 |
| CPT 管 | BD | 362753 | 从骨髓中分离间充质干细胞(MSC) |
| Delrin 缩窄器 | 明尼苏达大学(U of MN) | 定制 | 造成左前降支(LAD)狭窄 |
| Dermabond | Ethicon | DNX12 | 皮肤粘合剂 |
| DMEM (1X) 达尔伯克改良伊格尔培养基,含 HEPES | ThermoFisher Scientific | 12430062 | |
| 多巴酚丁胺 12.5 mg/mL | Pfizer | 00409-2344-01 | 在第二次微球血样采集期间升高血压和心率 |
| 心电图电极片 | DRE | 1496 | 监测心律 |
| 外泌体去除胎牛血清(FBS) | ThermoFisher Scientific | A2720801 | |
| Falcon 一次性聚苯乙烯刻度移液管,无菌,10 mL | Fisher Scientific | 13-675-20 | |
| 股动脉和颈动脉导引器 | Cordis- J&J | 504606P | 股动脉和颈动脉插管 |
| 胎牛血清,热灭活,Gibco FBS | ThermoFisher Scientific | 16140089 | |
| Flo-thru 1.0 | Baxter | FT-12100 | 用于LIMA与L的吻合 |
| Flo-thru 1.25 | Baxter | FT-12125 | FT-12125 |
| Flo-thru 1.5 | Baxter | FT-12150 | FT-12150 |
| Flo-thru 2.0 | Baxter | FT-12200 | FT-12200 |
| GlutaMAX 补充剂 | ThermoFisher Scientific | 35050061 | |
| 毛发剪刀 | Oster | 078566-011-002 | 清除手术部位毛发 |
| Helistat 胶原海绵 | McKesson | 570973 1690ZZ | 用于包埋外泌体的海绵 |
| 肝素 | Pfizer | 0409-2720-03 | 抗凝剂 |
| 组织学标本瓶 | Fisher Scientific | 316-154 | 用于组织样本的福尔马林固定 |
| HyClone 鉴定过的胎牛血清(FBS) | Cytiva | SH30071.03 | |
| Hypafix | BSN Medical | 4210 | 固定伤口敷料和静脉导管 |
| 异氟烷 | Sigma Aldrich | CDS019936 | 全身麻醉吸入剂 |
| 吹雾器用静脉输液管 | Carefusion | 42493E | 连接至吹雾器的静脉输液装置 |
| Jelco 18 号静脉导管 | Smiths medical | 4054 | 用于再灌注、MRI 和终止实验时的静脉通路 |
| 利多卡因 2% | Pfizer | 00409-4277-01 | 局部麻醉药/抗心律失常药 |
| Ligaclips | Ethicon | MSC20 | LIMA 切断术用外科缝合钉 |
| 喉镜长刀片 | DRE | 12521 | 便于观察气管以便插管 |
| 美洛昔康 5 mg/mL | Boehringer Ingelheim | 141-219 | 术后镇痛药 |
| 微球泵 | 从股动脉导引器采集血样 | ||
| 单极电凝 | Covidien | Valleylab™ FT10 | 止血 |
| Nanosight NS 300 | Malvern Panalytical | MAN0541-03-EN | |
| NTA 3.1.54 软件 | Malvern Panalytical | MAN0520-01-EN-00 | |
| OPVAC Synergy II | Terumo Cardiovascular System | 401-230 | 心脏定位和稳定装置 |
| 氧气瓶 E 型气瓶 | 多种 | 多种 | 若麻醉机无辅助流量计,则用于吹雾器 |
| PBS,pH 7.2 | ThermoFisher Scientific | 20012050 | |
| 青霉素-链霉素-新霉素(PSN)抗生素混合液 | ThermoFisher Scientific | 15640055 | |
| 猪尾导管 145 型,6 法国 | Boston Scientific | 08641-41 | 测量左心室压力 |
| 压力传感器 | 多种 | 必须适配麻醉监护仪 | 监测直接动脉压 |
| 丙泊酚 | Diprivan | 269-29 | 诱导麻醉药 |
| 罗库溴铵 | Mylan | 67457-228-05 | 神经肌肉阻滞剂 |
| 缓释丁丙诺啡 10 mg/mL | Abbott Labs | NADA 141-434 | 术后镇痛药 |
| 无菌生理盐水 20 mL | Fisher Scientific | 20T700220 | 静脉导管冲洗液 |
| 胸骨锯/尸检锯 | Thermo Fisher | 812822 | 用于打开胸腔 |
| 三通阀 | Smith Medical | MX5311L | 2 个用于连接猪尾导管 |
| 琥珀胆碱 20 mg/mL | Pfizer | 00409-6629-02 | 神经肌肉阻滞剂 |
| 吸引 管路 | Medline | DYND50223 | |
| 吸引容器 | Medline | DYNDCL03000 | |
| 含胸腔牵开器的手术包 | 多种 | 参见包内清单 | 股动脉切开和胸骨正中切开术 |
| 外科器械 | 多种 | 参见包内清单 | 股动脉、颈动脉切开术及胸骨切开术 |
| 外科弹簧夹 | Applied Medical | A1801 | LIMA 切断后夹闭其末端 |
| 注射泵 | Harvard | 静脉输注多巴酚丁胺 | |
| SYTO RNASelect 绿色荧光细胞染料 - DMSO 中 5 mM 溶液 | Millipore Sigma | S32703 | |
| Telazol 100 mg/mL | Fort Dodge | 01L60030 | 术前镇静剂 |
| Telpha 敷料 | Covidien | 2132 | 无菌伤口敷料 |
| 计时器 | 计时血样采集 | ||
| 总外泌体分离试剂(来自细胞培养上清) | ThermoFisher Scientific | 4478359 | |
| TPP 细胞培养瓶,T75,带 0.22 µm PTFE 滤膜盖 | ThermoFisher Scientific | TP90076 | |
| 三重抗生素软膏 | Johnson & Johnson | 23734 | 伤口表面外用 |
| Vicryl 网状补片 | Ethicon | VKML | 用于心外膜细胞移植的补片 |
| 涡旋振荡器 | 混匀微球 | ||
| 赛拉嗪 100 mg/mL | Vedco | 468RX | 术前镇静/镇痛药 |
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