心力衰竭动物模型的研究进展

心力衰竭动物模型的研究进展

心脑血管疾病的发病率和死亡率在世界上最为重要。这些疾病的基础和临床研究方兴未艾,并取得重大进展,在有关动物模型的建立方面已作出了重大贡献。建立适当的动物模型,不仅能促进新药的开发,也为该病的发病机制和病理生理改变提供重要资料。例如在心血管疾病中以高血压动物模型与高血压病人最为接近,所以抗高血压药物的发展最快,高血压防治也取得较大成就。过去治疗心衰的药物主要为强心药和利尿药,研究强心药所用动物模型主要是用药物或毒物引起心肌抑制。80年代后,临床研究证明转化酶抑制剂和β受体阻滞剂治疗心衰可减少死亡率。因此迫切需要建立能反应心衰的病理生理和药物疗效的动物模型。本文对心衰动物模型的形成方法、病理生理改变和在药物研究中的应用以及结合作者多年的经验作一简要综述。过去曾用不同方法建立了多种引起心功能不全和有明显症状的心衰动物模型,近年来有大量文献报道用心脏起搏致心动过速、遗传和转基因等方法形成心衰,这为研究心衰发展过程中的血流动力学改变,神经内分泌系统、心肌细胞和亚细胞水平的改变提供了重要资料,解决了一些临床上难以回答的有关心衰病理生理和发病机制的问题。不同动物模型形成的方法及对方法的评价和应用见表1。这些方法各有优缺点,取什么方法,用哪种动物形成心衰(CHF)取决于研究目的和所需解决的问题、重复性如何、与人的慢性心衰相似的程度等方面。在研究血流动力学和神经内分泌系统改变时,动物应在保留神经反射的清醒状态下进行;若用麻醉动物时,注意不同动物所用麻醉剂有差别,一般合并应用不同麻醉剂的方法,使动物保持良好状态。1压力负荷引起的慢性心力衰竭模型chf1.1转化酶抑制剂治疗Dahl盐敏感性高血压大鼠在饮用生理盐水条件下,首先出现血压升高,8周后发生心肌肥厚,进一步发展成心脏扩大,15~20周出现心衰症状,较短期内死亡。整体实验证明心脏收缩和舒张功能发生障碍,离体心肌的收缩功能减弱。自发性高血压大鼠(SHR)SHR为遗传性高血压大鼠,有明显的左心室肥厚(LVH),在1年内心功能保持正常,18~24月后才发展成心衰,出现心功能障碍,左心室内的纤维化细胞和凋亡细胞增多。转化酶抑制剂能预防或逆转LVH,减少凋亡细胞,延缓心衰发展,降低死亡率。肾血管性高血压大鼠大鼠在盐负荷下也能形成心衰,但形成心衰所需时间长,常用于研究心肌肥厚转变成心衰过程的病理改变,便于观察药物预防心衰和对死亡率的影响,且动物易得、价廉。1.2动物模型的制备所用动物有犬、大鼠和兔等,方法是分离主动脉上升支或肾动脉分支以上的腹主动脉,用线结扎或套上压缩环使主动脉口径缩小。手术后左心室血液流出道受阻,左室后负荷加重,先出现代偿性心肌肥厚,部分动物发展成心衰。大鼠在主动脉狭窄后几个月才能形成心衰,心衰时有心肌肥厚和心脏扩大,心室容积增加,心肌β球蛋白重链mRNA、右心房ANPmRNA增加,左心室SR-Ca2+ATPasemRNA下降。在代偿性心衰时,血浆去甲肾上腺素(NE)正常;失代偿心衰时NE上升,心肌局部肾素-血管紧张素系统(RAS)激活,引起AngII释放增加。NE和AngII在引起心肌肥厚和促进心衰发展中起了重要作用。转化酶抑制剂和β受体阻滞剂在不降低血压的剂量下,即能预防和逆转LVH和降低死亡率。大鼠主动脉狭窄技术容易掌握,费用低,是常用的动物模型,但其心肌细胞的结构和钙转运与人有一定差异。犬犬在主动脉狭窄后,只有部分动物发展成为心衰,未形成心衰的犬再进行动静脉吻合术,则全部动物形成严重心衰。异丙肾上腺素可加重心功能障碍的程度。1.3动脉狭窄肺动脉狭窄后,右心排血受阻,右室负荷增加,体循环回心血液不能完全进入肺循环,出现右心衰竭,发生内脏器官充血和全身水肿等症状。2shf由于体积负荷而产生的chf2.1大鼠血流动力学改变犬主动脉-腔静脉瘘肾动脉分支以下的主动脉与下腔静脉之间,或腹主动脉与髂静脉一端形成动-静脉瘘,体循环动脉血液直接进入静脉,形成回心血量增加,心脏前负荷加重,出现神经内分泌激活,从而引起代偿性心肌肥厚。手术后几周至几个月,心脏扩大,先出现右心衰竭,左心衰竭发生较晚。血流动力学改变的特点为心排出量增加,这与临床高心排出量心衰相似。血流动力学改变有中心静脉压、右心房压、肺动脉压(PAP)、肺毛细血管楔压(PCWP)和左室舒张末压(LVEDP)明显升高,LV(dp/dt)/P降低,肾血流和肾小球滤过率(GFR)降低。RAS激活,血浆醛固酮水平升高引起Na+排出量减少,K+排出量增加。出现明显的水钠潴留、水肿和腹水,解剖可见肺和肝充血,肾小球增生。动物多因肺水肿死亡。大鼠主动脉-腔静脉瘘在大鼠肾动脉分支以下的腹主动脉与下腔静脉之间形成动-静脉瘘,1周后心脏重量增加35%,1个月后增加85%。右心室肥厚比左心室明显。心室壁厚度增加与心肌细胞长短径增加相平行。手术后1周开始出现血流动力学改变,右心室舒张末期压上升约5倍,1个月后由于代偿性心肌肥厚,心功能恢复正常,较难形成心衰,且死亡率高(40%以上)。2.2小鼠左心功能相关基因检测切断犬的二尖瓣腱索或用带气囊的塑料管破坏二尖瓣引起二尖瓣关闭不全。左心室(LV)收缩时,血液既进入主动脉,也返流至左心房(LA),以致LV排出量降低,LA血量增多,压力升高,逐渐产生LA代偿性扩大和肥厚。LV舒张期充盈量增多,负荷加重,LV也逐渐肥厚扩大,持续发展可造成左心衰竭。文献报道,犬在手术后1周,左心房容量增加45%,返流分数为(55±10)%,血浆ANP和BNP水平上升,局部RAS激活,3个月后出现失代偿充血性心力衰竭(CHF)。LVEDP和PCWP明显上升,左心收缩功能降低,离体实验证明其LV心肌细胞肥大,收缩力减弱。LV心肌纤维密度下降,β受体阻滞剂能改善在体LV及离体心肌细胞的收缩功能,心肌纤维密度恢复正常。2.3主动脉瓣的改变主动脉瓣关闭不全的血流动力学改变是在舒张期时血液自主动脉返流入LV,因此LV在舒张期时,要接受来自LA及主动脉返流的血液,导致LV充盈过度,LV逐渐扩大肥厚,代偿期LV排出量高于正常,失代偿时,心排出量(CO)降低,左房压和肺动脉压升高,可导致左右心力衰竭。常用家兔形成主动脉关闭不全。在麻醉的条件下,将塑料管从颈动脉插至主动脉瓣尖端,多次拉动导管,以损伤主动脉瓣,当血压下降至40mmHg,表示主动脉已经破坏,出现主动脉血返流。用超声心动图测定心功能和心脏形态,发现心衰家兔的LV直径和室壁厚度为假手术家兔的125%~145%,LV血容量增加2.5倍,主动脉返流率为0.57,CO正常。心衰家兔注射米力农后,主动脉返流明显减少,返流和前向血流的比值下降16%,LV舒张末期的直径减少7%,左室向心缩短率增加,CO保持不变。单用破坏主动脉瓣引起血容量超负荷的方法形成心衰,但需要较长的时间(1~2年)。为了加快心衰的形成,常进行两次手术。第一次用上述方法破坏主动脉瓣,手术14d后,压缩横膈膜下的腹主动脉,引起压力负荷增加。几个月后即可形成与人相似的CHF,出现心肌肥厚,心室扩大。β受体密度下降,对儿茶酚胺的反应性减弱。心肌细胞的Na+/Ca2+交换泵基因表达上调,肌浆网(SR)Ca2+ATPase无明显改变。由于Na+/Ca2+交换增加,收缩蛋白对Ca2+的利用降低,心肌收缩力减弱。此模型与人的心衰相似,可用于研究心肌肥厚过度到失代偿心衰过程的兴奋-收缩偶联的改变,也可用于评价药物的作用,但手术对心脏损伤较大,形成心衰的时间较长,死亡率较高,使其应用受到限制。2.4人体血管阻力将犬的胸下腔静脉狭窄约50%后,静脉血回心受阻,形成低心排出量型心衰。手术8~9d后出现血流动力学改变,CO明显降低,平均动脉压(MBP)稍下降,全身血管阻力(SVR)增加,中心静脉压和LVEDP明显升高,右心房血容量减少,压力下降,PCWP改变不明显,肾血流和GFR降低。RAS激活,PRA和血浆醛固酮增加,内皮素含量也比正常犬高,但血浆ANP比正常动物低。本模型的特点是心排出量低,水钠潴留,肝肺充血、水肿,严重时出现腹水。适用于研究心衰时神经内分泌系统的改变,也用于评价药物的疗效。我们的实验证明,米力农和重组人脑钠肽(rhBNP)在iv给药时,能明显改善此心衰犬的血流动力学。3血压动力学检查是手术前和心肌梗死保肝手术时心外膜起博弈的应用常用犬,也用猪和羊。在无菌条件下将起搏器放置在两肩胛骨之间的皮下,起搏电极从右颈静脉插至右心室尖部,国外常同时安置测定血流动力学的各种导管和超声心动图的探头,所有导管经皮下引到颈背部。在清醒状态下测定血流动力学各项指标,用超声心动图测定心脏形态,手术前和心衰后取心室肌进行检查,或处死动物后进行组织学和形态学检查。也可用心外膜起搏,即将电极缝在右心室或左心室尖部心外膜下进行起搏,一般在手术后3~7d开始起搏,形成心衰的心率一般为220~280·min-1,最常用的为250·min-1。起搏后很快出现神经内分泌激活和血流动力学改变,3~4周形成失代偿性心衰,2个月后的血流动力学改变与4周时相似,但心肌肥厚加重,停止起搏后,多种心衰指标逐渐恢复到正常水平。形成心衰的临床症状为心率加快(停止起搏30min后安静情况下测定)、水肿、肺罗音、紫绀(牙龈)、腹水、活动减少等。3.1超声心动过血起搏引起的心衰呈现出左右心室功能不全和扩大,但心肌肥厚不明显。血流动力学改变呈时间依赖性,起搏1d后血流动力学即开始改变,以后逐渐加剧,3周后出现失代偿性心衰,5~8周呈严重心衰症状:心脏扩大,LV收缩和舒张末期的血容量均增加,心排出量和心脏指数(CI)减少(一般减少50%),MAP,LVSP,LVdp/dtmax,LV(dp/dt)/P降低,肺动脉压(PAP),PCWP和LVEDP则明显升高,可升高4~10倍,也有以LVEDP升高到20mmHg以上作为心衰指标。右心室的血流动力学也有明显改变,出现左右心室衰竭,上述血流动力学改变与人的充血性心力衰竭相似。根据超声心动图检查及尸检发现左右心室扩张,心室的长径和短径均延长,但室壁厚度无明显改变,心脏重量轻度增加是由于心脏扩大所致。3.2ras,自由基因型的临床应然使用在心功能不全与人的CHF相似,犬在起搏引起心动过速后很快出现神经内分泌系统激活,此改变呈时间依赖性。较早出现交感神经功能亢进,副交感神经抑制,血中NE和肾上腺素水平升高,10~20d达到峰值,以后缓慢升高和维持在此高水平上。局部RAS的激活发生较早,循环血液中的肾素、血管紧张素II的升高出现较晚,血浆醛固酮和抗利尿素增加,排尿减少,有明显的水钠潴留、水肿和腹水等症状。血浆中血管加压素和内皮素的浓度也增加,开始时是作为代偿机制,以后则对失代偿心功能不全有不利影响。在引起血管收缩的神经内分泌激活的同时,舒张血管的激素也代偿性被激活,如血浆中ANP和BNP增加,硝酸和亚硝酸水平、NO(EDRF)及PGI2等也升高,这在心衰早期起到维持内环境平衡作用。当发展成心衰后,血管内皮功能失常,对内源性收缩和舒张血管的物质的反应减弱。3.3叶片ca2+表达LV心肌细胞的收缩和舒张功能均减弱,肌浆网(SR)和细胞膜的钙转运发生改变,钙泵的表达和活性降低,SRCa2+ATPase表达下调,调节钙释放的受体(利诺丁ryanoline受体)的密度降低,二氢吡啶通道受体无改变。细胞膜的Na+/Ca2+交换蛋白的表达增加,功能加强,导致细胞内的Ca2+流失增加,储存在SR内的Ca2+释放减少,出现心肌细胞收缩和舒张功能低下。细胞对Ca2+的敏感性加强可部分减轻上述心肌细胞的功能障碍。在心衰时出现心肌细胞凋亡数增加,胶原含量减少,细胞和细胞外基质的改变导致心脏扩大。此外心衰后心肌β受体密度和腺苷环化酶mRNA表达降低,心房和心室的Ca2+依赖性NOS活性和蛋白表达增加。严重心衰时可出现心律失常和猝死,这与细胞结构改变和动作电位的延长有关。3.4左室子研究后左室c-1的疗效此模型与人的CHF相似,是用于评价药物对心衰血流动力学和神经体液影响的重要病理模型。ACE抑制剂对此种模型的心功能有良好的改善作用。iv依那普利或培朵普利0.03~1.0mg·kg-1后,CO和每搏排出量(SV)增加,心率(HR)、LVEDP及SVR明显降低,等容收缩改善,血浆血管紧张素I增加2~8倍,缓激肽增加70%~80%,血管紧张素II降低,NE水平无明显改变,血流动力学的改善与血管紧张素II下降和缓激肽增加有关。卡托普利也有相似的作用,iv10~100mg·kg-1后,CO和SV增加,肾血流量增加,MAP,SVR及肾血管阻力下降。ig卡托普利6.4mg·kg-1·d-1,共3d,与未治疗的心衰犬相比,给药组的循环充盈压降低,心功能曲线和心脏顺应性改善,心脏前负荷也降低。福辛普利也有相似的作用。钙拮抗剂氨氯地平能改善心衰犬的心功能,增加心排出量,降低SVR,LVdp/dtmax增加,ACE抑制剂与钙拮抗剂合用,改善心功能的作用加强。强心药亦能改善此种心衰犬的血流动力学,我们用右心室心外膜缝合电极的方法进行起搏(250·min-1),形成心衰后,iv米力农0.1mg·kg-1,给药后CO,LVdp/dtmax,LVSP和HR增加,MAP,PAP,LVEDP和SVR下降,心功能明显改善。这与我们过去用戊巴比妥钠引起急性心衰犬的结果一致。Toborinone为钙敏感性磷酸二酯酶抑制剂,在iv累加剂量的toborinone后,心功能的改善呈剂量依赖性,心肌收缩力增加时,能量代谢无改变。用快速心脏起搏所致的心衰模型与人的CHF和扩张性心肌病相似,出现左右心功能不全,心脏扩大而无心肌肥厚,人的CHF则有心肌肥厚;神经内分泌和血流动力学改变与人的CHF相似,是近年来国际上较常用于研究心衰病理生理改变和药物干预的病理模型。本法引起心衰所需时间较短,在3~5周即能形成稳定的心衰,便于药物研究,特别适用于单次给药对心功能的影响。用心室内插管安置电极的方法形成心衰的手术对心脏损伤小,手术简单。若在心外膜下缝合电极,则需开胸,手术有一定难度,对心脏损伤也较大。本法所用起搏装置价格昂贵,对动物饲养的环境及条件要求较高,若在清醒状态下进行血流动力学研究,难度更大。因此该模型的应用在国内受到一定的限制。4动脉或冠状动脉内注入微块4.1大鼠心肌梗死试验和死亡率相关研究指标在现代药毒各品种间的应用结扎大鼠冠状动脉前降支引起心肌梗死,几个月后发展成为心衰、心肌肥厚和心室扩大,心脏结构和血流动力学发生明显改变,其变化与梗死范围大小有关。不同品系的大鼠心肌梗死范围和变异性有很大差别,实验常选用Spraque-Dawley(SD)大鼠。在结扎SD大鼠前降支根部后,梗死范围的个体差异较大,梗死范围小的只能形成心肌肥厚,不能形成心衰;梗死范围足够大才能形成心衰,但此时死亡率高。Lui等比较了SD大鼠和Lewis遗传性大鼠结扎冠脉前降支的结果表明,Lewis大鼠的梗死范围大(40.0±1.7)%,变异小,死亡率低(16%);SD大鼠在结扎冠脉后心肌梗死范围为(28.0±2.3)%,动物间梗死范围差异大,死亡率(36%)较高,其他一些学者报道SD大鼠的死亡率为40%~50%。由心肌梗死心肌肥厚发展到心衰时出现明显的血流动力学改变,心排出量和左室射血分数(EF)明显降低(-30%左右),LVdp/dtmax降低,LVEDP和静脉压升高。左心功能不全和神经内分泌激活与人的心衰相似。梗死心肌周围的凋亡细胞增加,心肌细胞和亚细胞的改变有SRCa2+ATPasemRNA及蛋白下降,SRCa2+ATPase活性降低,L型钙通道受体密度降低。形成心肌梗死与引起心肌肥厚比较容易,但形成心衰需较长时间(几个月),且死亡率高,一般用于研究心肌梗死与心肌肥厚过度到心衰时的细胞和亚细胞改变。在药物研究中主要是用作观察长期服药对心衰的预防作用,常以死亡率为指标,因此所用动物多,人力耗费大。文献报道,在结扎大鼠冠脉14d后,开始igACEI和AT1受体拮抗剂或钙拮抗剂mibefraofil,除预防和逆转心肌肥厚外,心功能也相应得到改善,发展为心衰而引起的死亡率降低。4.2心肌细胞不全结扎犬冠脉易引起室颤和死亡,故一般少用结扎冠脉的方法,而用多次冠脉内注入微球的方法,一般在3~6周形成慢性心衰。从形态学和生化检查中发现,梗塞区内心肌细胞坏死,周边区的细胞出现凋亡,正常区细胞的SRCa2+ATPase活性和表达下降,致使SR摄取钙离子的能力降低,导致心肌细胞内钙超负荷。心肌细胞的丢失和钙转运失常造成左心功能不全、CO和射血分数降低、LVdp/dtmax降低,LVEDP,PAP,PCWP,HR和SVR增加。左室收缩和舒张末期容量增加,心肌肥厚和扩张,血浆NE升高,3个月形成慢性心衰时,NE水平仍高于正常,但PRA及ANP比心衰早期低或恢复到正常水平。长期服用β受体阻断剂和ACEI能预防左心功能不全、肥厚和扩张的发展,洋地黄制剂只能改善左心功能,不能防止心室扩大。4.3lvef及lvdp/dtmin下降在结扎猪冠状动脉左旋支后,部分动物出现室颤和死亡,存活动物在术后3~4周左室逐渐扩大,出现心功能不全,CO,LVEF及LVdp/dtmax下降,LVEDP和SVR升高,LVEDP升高约1倍。在结扎冠脉的基础下,用起搏的方法加快心率可形成稳定的CHF。心衰猪在iv累加剂量的钙拮抗剂尼索地平后,能剂量依赖性地降低LVEDP和SVR,增加CO,钙敏感性正性肌力药dimokendan增加LVdp/dtmax的作用比尼索地平强。5遗传心力衰竭模型5.1shhf小鼠心肌结构变化情况18月龄前出现心衰的SHR,经交配传代后形成SHHF。当SHR与Keletsky肥胖型大鼠交配繁殖10余代后,体内产生肥胖基因(facp基因,SHHF/Mccfacp)。此种动物的心衰程度、血流动力学和心肌形态的改变比SHHF明显。SHHF的血压进行性升高,12个月后开始下降,18个月后下降到正常水平。但SHR的血压进行性升高。SHR和SHHF大鼠的心肌肥厚呈时间依赖性加重,SHHF发生心衰比SHR早。SHHF在14~18月龄出现心衰,SHR则需24月龄以后。肥胖型SHHF(SHHF/Mccfacp)在出生5~6个月即形成失代偿型心衰。动物出现呼吸困难、消瘦、水肿、肺水肿和腹水,左右心室功能不全,LVSP,LVdp/dtmax,RVdp/dtmaxLVEDP及PAP升高,左右心室扩大和心肌肥厚,肾小球细胞增生,肾小球膜基质增加,出现蛋白尿。神经内分泌系统激活后,血浆肾素活性(PRA)、醛固酮和ANP进行性升高,此现象比SHR明显。心衰晚期血浆内的硝酸和亚硝酸盐水平也升高。心肌细胞的肾素基因表达、ANPmRNA和内皮NOSmRNA表达均增加,血管内皮和心肌细胞的NOS活性加强。肌球蛋白异酶V1向V3转化。RAS的激活是发生SHHF的独立因素。SHHF大鼠在igACEI(卡托普利)或AT1受体阻断剂(氯沙坦)后,血压明显下降,心功能改善,心肌肥厚程度减轻。AngI升压反应的量效曲线右移,心肌细胞的ANPmRNA下降,血浆ANP降低,心肌细胞球蛋白V1向V3转化减少。卡托普利和氯沙坦对SHHF大鼠心肌肥厚基因表达的影响相似。SHHF大鼠长期ig硝苯地平后,血压下降,心肌肥厚逆转,血浆ANP降低,皮下和腹部脂肪减少,体重下降。ACEI对脂肪和体重无影响。5.2ig的临床表现Syrian沙土鼠为遗传性扩张性心肌病心衰模型,从有心肌病的沙土鼠交配繁殖而成,在传代几十代后出现严重心衰,一般出生30~50d