心力衰竭發(fā)病機制及防治的實驗研究進展

心力衰竭發(fā)病機制及防治的實驗研究進展

心力衰竭（hf）也稱為充血性心力衰竭，是指心臟泵血功能降低，無法從靜脈回流的血液充分排出，以滿足全身組織的代謝需求。各種原因引起心肌收縮能力減弱,心臟血液輸出量減少,不能滿足機體的需要,并由此產(chǎn)生一系列的癥狀和體征,為多種心血管疾病的共同結(jié)局［1］。心力衰竭的病因及發(fā)病機制極其復雜,動物模型的建立方式多種多樣,各種模型的心功能改變和特點也各不相同,因此,在心衰動物模型的建立與選擇上需要綜合考慮疾病的發(fā)病機制、藥物治療的靶點以及實驗研究的要求。近年來隨著人們對抗心力衰竭實驗研究的關(guān)注和深入,心衰動物模型的研究也在不斷發(fā)展,本文就近年來常用的心力衰竭動物模型的制備方法及優(yōu)缺點進行綜述。1動物模型的制備1.1益母草水提物對大鼠心肌組織病理學模型的影響1.1.1異丙腎上腺素過度興奮心臟致心衰異丙腎上腺素(isoprenaline,ISO)為β受體激動劑,可加快心率,增強心肌收縮力,長期使用可誘導心肌細胞纖維化和壞死,并導致心室重構(gòu),最終引發(fā)心力衰竭。關(guān)于采用ISO建立心力衰竭模型的報道很多,既有注射方式的不同,如皮下注射和腹腔注射,又有注射劑量、持續(xù)時間等的不同。該方法無創(chuàng)傷,易于重復并且誘導時間較短,目前多被采用。大鼠皮下注射ISO可誘導劑量依賴性的心功能損害和神經(jīng)體液的激活,此模型模擬了由于交感興奮性增高引起心衰的病理生理過程,常用于抗心衰藥物的篩選、研究藥物對伴有交感興奮性升高的心衰作用以及藥物抗心衰作用與交感的相關(guān)性等。羅時珂等［2］探討了大鼠皮下注射ISO建立心力衰竭動物模型的有效劑量。用藥4周,以左室收縮末內(nèi)徑、血清中B型鈉尿肽(BNP)值、心臟指數(shù)以及死亡率等為衡量指標,結(jié)果大鼠心衰模型以ISO皮下注射2.5mg/(kg·d)較為適宜。任海花等［3］通過對大鼠間斷性腹腔注射一定劑量的ISO建立心肌缺血性慢性心功能不全動物模型,即首次按3mg/kg劑量連續(xù)3天腹腔注射,四周后按2mg/kg劑量繼續(xù)給藥兩天,間隔一周后再按3mg/kg給藥兩天,一周后模型大鼠心/體質(zhì)量比、肺/體質(zhì)量比、肝/體質(zhì)量比、腎/體質(zhì)量比均增高,推斷模型動物是因心肌損傷致使心臟功能損害,從而導致血液回心障礙,造成心、肺、肝、腎血量增多,臟器淤血。章忱等［4］從心肌組織膠原表達的角度觀察益母草水提物對異丙腎上腺素致大鼠心肌重構(gòu)的影響,結(jié)果顯示高劑量益母草水提物能改善ISO模型大鼠的心臟收縮功能;低劑量益母草水提物能改善其舒張功能,下調(diào)膠原表達,改善心肌膠原構(gòu)成比。趙智明等［5］探討淫羊藿總黃酮對充血性心力衰竭大鼠心肌細胞凋亡的影響時發(fā)現(xiàn),淫羊藿總黃酮能抑制心力衰竭大鼠心肌細胞凋亡,改善心功能,逆轉(zhuǎn)心室重構(gòu)。1.1.2阿霉素損害心肌致心衰阿霉素是一種廣譜抗腫瘤化療藥物。由于其作用無選擇性,對心臟組織有明顯毒性,靜注數(shù)小時或數(shù)日可造成劑量依賴性不可逆的慢性心肌損害和心力衰竭［6］。其心肌毒性機制可能與部分自由基釋放［7］、線粒體損傷以及代謝失衡等有關(guān)［8］。此法適合建立急性心衰模型,簡單易行且心衰出現(xiàn)的時間可以預測。誘導心衰有劑量依賴性,短期大劑量腹腔給藥動物死亡率較高,模型成功率低,故多使用小劑量多次腹腔給藥的方法。其誘導的心衰表現(xiàn)為雙心室擴大,室壁變薄以及射血分數(shù)降低［9］,此模型一般用來研究心肌病、心衰的發(fā)病機制和評估新的治療措施。周榮等［10］采用兩種給藥方式評價阿霉素誘導的大鼠心衰模型,一種為每周一次腹腔注射4mg/kg,持續(xù)給藥6周,另一種為一周內(nèi)3次各給予2.5mg/kg,間隔2周后,再按第一周給藥方式給藥。兩種給藥方式的死亡率分別為25%和45%,且死亡大鼠都有嚴重的腹水,推測死亡原因為心外毒性作用。第一套方案給藥緩慢,心外毒性小,死亡率低,且血流動力學、病理學及心電圖檢驗均符合臨床心力衰竭的特征,故不同的阿霉素給藥方式可影響心力衰竭模型的建立。以往的阿霉素心力衰竭模型都是使用阿霉素腹腔注射,注射后藥物經(jīng)腹膜吸收入血,但是后來發(fā)現(xiàn)這種給藥方式易造成腹部積液,網(wǎng)膜腫脹、受損等不良反應,影響其他因素對心力衰竭模型的評估［11］。吳慧穎等［12］改變了阿霉素入血的方式,采用尾靜脈注射阿霉素法制備心力衰竭模型,減少了對腹膜的影響。兩周后檢測心臟指數(shù)、血流動力力學參數(shù)、組織病理學等指標,均提示誘導心力衰竭成功,表明阿霉素尾靜脈注射造模的方法類似于人心力衰竭時的臨床特征,且未發(fā)現(xiàn)腹水、腹膜腫脹等現(xiàn)象,這有利于研究藥物抗心力衰竭的作用機制,為目前一種簡單、易行、重復性好的制備方法。但此方法的缺點是尾靜脈注射操作較難且易出現(xiàn)爛尾現(xiàn)象。曾曉春等［13］在探討阿霉素致大鼠心力衰竭干預起點時,動物死亡高峰期位于停止注射阿霉素一周后,而此時心臟結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生明顯改變,心肌細胞分泌的腦鈉肽也沒有明顯改變,提示心力衰竭可能不是其致死原因,其原因可能為阿霉素大劑量注射后產(chǎn)生的骨髓抑制、嚴重肝損害等毒性反應。注射阿霉素7周后,大鼠出現(xiàn)明顯的心臟結(jié)構(gòu)及心臟腦鈉肽的改變,可作為慢性心力衰竭藥物干預的起點。該模型所用實驗動物多用大鼠,也可以選用家兔［14］。1.1.3戊巴比妥鈉抑制心臟致心衰戊巴比妥鈉具有負性變力作用,可嚴重抑制心肌收縮功能而致心衰。此法操作簡便,重復性好,多用來建立急性心衰動物模型,但不能反映臨床病理變化。郭瑤等［15］采用右側(cè)股靜脈恒速注射戊巴比妥鈉誘導的急性心力衰竭大鼠模型來研究川芎嗪衍生物對心衰動物模型的血流動力學的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對衰竭心臟有正性肌力作用,作用靶點為心肌細胞內(nèi)肌漿網(wǎng)蛋白SRCa2+ATP酶。LarissaLipskaia教授預測,該酶可能是以后理想的研究靶點［16］。楊楊等［17］采用數(shù)控微量注射器恒速注射2%戊巴比妥鈉溶液0.2mL/(kg·min),以左心室內(nèi)壓上升最大速度下降50%~70%作為心力衰竭指標,成功制備急性犬心力衰竭模型。分別給予黃芪提取物注射劑,按照不同的時間節(jié)點測量動物的血流動力學變化,認為黃芪提取物有抗心力衰竭的作用,其機制可能與Na+-K+-ATP酶有關(guān)。張建平等［18］用恒流泵經(jīng)輸液管恒速輸入2%戊巴比妥鈉,先以0.25mL/(kg·min)的滴速,當左心室內(nèi)壓上升最大速度下降到基礎(chǔ)值的20%左右時,若此值穩(wěn)定可暫停輸入;若觀察過程中左心室內(nèi)壓上升最大速度有回升者,再以0.1mL/(kg·min)的滴速給予維持量,成功建立急性心力衰竭兔模型。另外貓的血管壁堅韌,手術(shù)操作不易撕裂,而且血管對藥物反應靈敏,反應與人相似,是制備心力衰竭較為理想的動物。馬麗紅等［19］靜脈推注戊巴比妥鈉成功制備了貓的急性心力衰竭模型。1.1.4乙醇誘導心肌凋亡致心衰乙醇中毒嚴重者可引起心血管損害,最終導致心力衰竭。研究證明乙醇及其代謝物乙醛、脂肪酸乙烷酯在血液中沉積可誘導心肌細胞凋亡,明顯降低心肌收縮力及心房自律性,抑制左心房靜息后增強效應,延長左心房功能不應期。其作用機制可能與降低酶活性、興奮交感神經(jīng)和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、破壞血管內(nèi)皮細胞［20］及促進細胞凋亡有關(guān)［21］。此模型誘導時間較長,但恒速靜脈注射可控性好,能夠較好的復制急性乙醇中毒引起的心血管疾病。目前對于乙醇誘導急性心衰模型報道略少。劉昊琛等［22］以0.1g/(kg·min)恒速靜脈注射低濃度(0.2g/mL)乙醇,(40.8±13.6)min后可誘導家兔心衰,為急性乙醇中毒所致心力衰竭的發(fā)病機制研究及藥物研發(fā)提供動物模型。1.1.5野百合堿損傷肺部致心衰野百合堿(monocrotaline,MCT)是從豆科植物野百合中提取的一種具有細胞毒性作用的生物堿,其具有生物活性的脫氫產(chǎn)物野百合堿吡咯［23］,隨血液循環(huán)通過肺臟時可沉積于肺小動脈壁及肺毛細血管,導致肺血管內(nèi)皮損傷［24］,破壞肺組織內(nèi)皮細胞等,引起進行性中層增生,最終導致肺動脈高壓［25］,長期肺動脈高壓則可誘導形成右心室肥厚,最終導致右心衰竭［26-27］。注射MCT是建立右心衰竭動物模型最常用的實驗方法之一,此模型有經(jīng)濟可靠、操作簡便的優(yōu)點,其病理變化可高效模擬重度肺動脈高壓致右心衰竭,且實驗動物有較高的存活率。張國偉等［28］采用60mg/kg單劑量MCT于大鼠頸背部皮下注射,成功制作右心衰竭動物模型。MCT注射誘導一般選用成年大鼠,而幼鼠右心衰竭模型的制備鮮有報道。劉娜等［29］探討制備幼鼠右心衰竭最合適的MCT注射量,分別對幼鼠一次性腹腔注射MCT30、40、50、60mg/kg,結(jié)果顯示50mg/kgMCT可成功建立肺動脈高壓致右心衰竭幼鼠模型,其病理變化更好地模擬重度肺動脈高壓致右心衰竭,且實驗動物有較高的存活率。1.2左前降支心肌梗死失血壓病聯(lián)合應用1.2.1腹主動脈縮窄術(shù)腹主動脈縮窄動物模型即通過手術(shù)部分結(jié)扎腹主動脈,增加外周循環(huán)阻力,造成壓力超負荷心力衰竭。此種模型在研究中應用已久,具有方法簡單,模型確切的特點,是研究心力衰竭病理生理學過程、分子生物學機制以及心血管疾病較為理想的動物模型。制備該模型時,可根據(jù)實驗需要采用不同型號的注射針頭緊貼其平行放置,手術(shù)線將兩者一起結(jié)扎,而后抽出注射針頭,即可造成腹主動脈狹窄。據(jù)文獻報道,對于體質(zhì)量在240~320g左右的大鼠,7號注射針頭可造成腹主動脈縮窄70%~80%［30］。9號注射針頭可使大鼠腹主動脈直徑減少35%~40%［31］。而8號針頭可使腹主動脈橫截面積縮窄為原來的5%左右［32］。張淑華等［33］提出腹主動脈部分縮窄造模7周后即可引起大鼠心肌肥厚,左室后壁舒張末期厚度及左室舒張末期內(nèi)徑均發(fā)生顯著變化,心肌細胞直徑增大,細胞排列紊亂,間質(zhì)纖維化明顯,而心肌肥厚和重構(gòu)是心力衰竭發(fā)生發(fā)展過程中重要的病理生理變化。胡詠梅等［34］研究提示給予大鼠腹主動脈不同時限的縮窄可以模擬高血壓導致的心力衰竭病理全過程。李溪等［35］在評價兩種超負荷對新西蘭兔心功能的影響中發(fā)現(xiàn)腹主動脈結(jié)扎引起的壓力超負荷可影響心臟的舒張功能,而主動脈瓣關(guān)閉不全引起的容量超負荷可導致心臟收縮功能不全。兩者聯(lián)合可以建立理想的心力衰竭模型。李真珍［36］以腹主動脈縮窄術(shù)復制心力衰竭動物模型,研究發(fā)現(xiàn)燈盞花素的黃酮類成分給藥6周后能改善動物的血流動力學和心室重構(gòu),從而提高了心臟的收縮和舒張功能。1.2.2左前降支冠狀動脈結(jié)扎法左前降支冠狀動脈結(jié)扎造成的心肌梗死與臨床上因冠狀動脈阻塞所引起的心肌梗死病理特征相符合,結(jié)扎4周后即可得到穩(wěn)定的心肌梗死動物模型,故現(xiàn)在很多研究者認為該法是一種理想的心力衰竭動物模型。但是該方法實際操作難度較大,需要實驗人員經(jīng)過長期訓練方能熟練掌握。手術(shù)操作時,動物麻醉后氣管插管,于左心耳與肺動脈圓錐間以左冠狀靜脈為標識,用固定縫合線對冠狀動脈作結(jié)扎即可建立心力衰竭模型。結(jié)扎后肉眼見結(jié)扎區(qū)域變白,心電記錄儀見Ⅰ、Ⅱ?qū)?lián)上移,ST段明顯抬高,證明結(jié)扎成功。小型豬的心臟在解剖結(jié)構(gòu)、血管分布等方面與人相似,尤其是冠狀動脈系統(tǒng)側(cè)枝循環(huán)稀疏,分支較少,結(jié)扎冠狀動脈左前降支易建立急性心肌梗死模型。辛偉等［37］在小型豬的冠狀動脈前降支近端放置ameroid縮窄環(huán),成功制作慢性心肌缺血性心力衰竭動物模型。陳劍等［38］研究不同位置結(jié)扎冠狀動脈對大鼠心力衰竭模型的影響,分別取距左冠狀動脈開口2mm(常規(guī)位結(jié)扎)或6mm(低位結(jié)扎)距離處進行結(jié)扎,進針深度約0.5mm左右。結(jié)果顯示常規(guī)位結(jié)扎可導致較大的心肌梗死面積、明顯的血流動力學改變以及心力衰竭,但造模過程中死亡率高達33%~60%。較低位置結(jié)扎左冠狀動脈常常能將模型的存活率從50%提高到85.7%,明顯減少動物實驗工作量并節(jié)省實驗成本。莫新玲等［39］比較冠狀動脈結(jié)扎與腹主動脈縮窄兩種造模方法,證實兩者皆可成功建立慢性心力衰竭大鼠模型,不同之處為:腹主動脈縮窄先使主動脈壓力升高,心臟后負荷增加,進而發(fā)展為心力衰竭;而冠狀動脈左前降支結(jié)扎直接造成急性心肌梗死,使心輸出量和射血分數(shù)降低30%左右,血流動力學中反映左室收縮功能的LVSP下降,而反應左室舒張功能的LVEDP明顯升高。任培華等［40］用結(jié)扎兔冠狀動脈的方法建立心力衰竭動物模型,給予養(yǎng)心康片4周后可以改善心衰模型兔心功能,降低心衰模型兔血清的腫瘤壞死因子-α(TNF-α),白細胞介素-6(IL-6)水平。1.2.3冠狀動脈前降支混懸液灌注法此法可制備心肌梗死性心力衰竭模型,與冠脈結(jié)扎法相比,此法創(chuàng)傷小,重復性好,并發(fā)癥少,成功率高及可控性強。張晶等［41］通過冠脈造影發(fā)現(xiàn),中國五指山小型豬心臟的左冠狀動脈前降支的分布情況與90%國人的心臟冠狀動脈前降支相似,因此應用細冠狀動脈造影導管塑型技術(shù)超選冠狀動脈前降支,推注微血栓微球混懸液,造成心肌缺血壞死,建立穩(wěn)定存活的小型豬急性心肌梗死型心力衰竭動物模型。此模型還可應用液體石蠟、水銀、油質(zhì)、甚至是氣囊、尼龍管堵塞冠狀動脈來制備。1.2.4快速起搏法快速起搏法是通過開胸術(shù)連接心電極導線至心外膜,以200次/min的頻率刺激心臟,并持續(xù)一段時間,造成血流動力學嚴重紊亂、心排血量下降、外周阻力升高、心室增大,最終引起心力衰竭。此方法多用于體型較大的動物,制作周期較短,重復性好,且有與人心衰相似的血流動力學及神經(jīng)內(nèi)分泌因子的變化,常用于建立慢性右心衰竭模型。在此模型的制備中,譚婉虹等［42］比較了兩種手術(shù)制備方法,胸骨正中手術(shù)通路法是沿胸骨正中切開皮膚,分離肌肉,鋸開胸骨充分暴露胸腔。而左胸側(cè)壁手術(shù)通路法取動物右側(cè)臥,行左胸側(cè)壁第5肋間切開皮膚。開胸后把左肺葉推向一側(cè),暴露心臟,輕度扭轉(zhuǎn)心臟暴露右心室。兩種方法分別暴露右心室后,均取左冠狀動脈左前降支遠端約1/3的右心室肌與心電極導線接頭緊密接觸,使用縫合線固定心電極導線。而后均選取犬頸背部皮下作為起搏器安裝部位,與起搏器連接,維持高頻率起搏3周,觀察兩種開胸術(shù)的切口愈合情況及起搏前后臨床表現(xiàn)。結(jié)果表明,左胸側(cè)壁手術(shù)通路比胸骨正中手術(shù)通路更適合成功構(gòu)建犬右心室心衰病理模型。1.3高脂飼料法誘導模型1.3.1高脂飲食法肥胖可以引起充血性心力衰竭,高脂飼料中富含游離脂肪酸、膽固醇等,長時間高脂喂養(yǎng)實驗動物,可誘導高脂血癥、動脈粥樣硬化和斑塊、心血管壁狹窄、血流受阻,致使心臟缺血,最終導致心力衰竭。該方法病理過程和自然因肥胖引起的心力衰竭發(fā)病過程相似,缺點是造模耗時長,缺血程度不易控制。薛禮美等［43］用高脂飼料喂養(yǎng)家兔,所用高脂飼料由90%的標準飼料加10%的脂肪組成,脂肪的成分是1/3的豬油和2/3的玉米油。結(jié)果高脂飼料喂養(yǎng)的家兔心肌細胞增生、排列紊亂,部分心肌細胞空泡變性,細胞核增大。有些研究者為了提高模型成功率,先采用高脂飼料法誘導制備高血脂模型,然后在此基礎(chǔ)上加以其他因素聯(lián)合誘導,形成比較完善的心力衰竭模型。1.3.2自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)SHR是一種遺傳性高血壓大鼠模型,高效模擬人類高血壓導致心衰過程,是壓力超負荷型心衰模型的一種。自發(fā)性高血壓大鼠于出生后1~2月出現(xiàn)心肌細胞變性,灶狀壞死,出生后2~3月出現(xiàn)心肌纖維化,3~5月出現(xiàn)心肌肥大,心室擴張等病理變化［44］。這種模型的優(yōu)點是不需要技術(shù)干預即可形成,但形成時間較長,動物成本較高。此模型心力衰竭的發(fā)生及嚴重等級,與左心室擴張程度密切相關(guān),能較好地演示從心肌肥厚到心力衰竭的發(fā)展過程。1.3.3轉(zhuǎn)基因誘導模型基因敲除或轉(zhuǎn)基因小鼠模型是研究心力衰竭機理和尋求新治療靶點的寶貴工具。轉(zhuǎn)基因誘導模型可用于與心衰有關(guān)的基因治療研究,此種模型價格昂貴,且不能全面反映心衰患者臨床病因、病理情況。劉莉等［45］構(gòu)建了心肌特異性表達熱休克蛋白27轉(zhuǎn)基因鼠:將含有心肌特異性表達啟動子αMHC-Hsp27cDNA-polyA加尾信號的一段線性DNA,以顯微注射的方式注入小鼠受精卵中。當外源性基因轉(zhuǎn)移成功并特異性表達時,腹腔注射單劑量25mg/kg的阿霉素誘導心衰。陳厚早等［46］同樣用顯微注射受精卵的方法制備心臟特異性表達SIRT1H363Y的轉(zhuǎn)基因小鼠,此類小鼠心房和心室擴張,心臟指數(shù)明顯