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心力衰竭的大动物模型:通往临床成功的转化桥梁

2020年09月07日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:心衰(HF)的临床前大动物模型在将基础科学研究成果转化为新疗法和新设备的开发和临床认可方面起着至关重要的作用。心血管事件和导致心衰的危险因素的复杂组合已被证明对这些患者开发新的治疗方法具有挑战性。这项最新的综述介绍了HF的猪,羊和犬模型的历史和最新研究,并概述了现有的方法和生理表型。通过对食品和药物管理局批准的最新设备的概述,以及用于帮助研发和安全性和/或疗效测试的临床前HF动物研究,也强调了大型动物研究对临床成功的转化重要性。HF动物研究用于辅助发育以及安全性和/或功效测试。HF大型动物模型具有巨大的使用潜力,可用于确定潜在的临床条件新机制,并改善动物研究的生理和经济转化,以成功治疗人类HF。

摘要:心衰(HF)的临床前大动物模型在将基础科学研究成果转化为新疗法和新设备的开发和临床认可方面起着至关重要的作用。心血管事件和导致心衰的危险因素的复杂组合已被证明对这些患者开发新的治疗方法具有挑战性。这项最新的综述介绍了HF的猪,羊和犬模型的历史和最新研究,并概述了现有的方法和生理表型。通过对食品和药物管理局批准的最新设备的概述,以及用于帮助研发和安全性和/或疗效测试的临床前HF动物研究,也强调了大型动物研究对临床成功的转化重要性。HF动物研究用于辅助发育以及安全性和/或功效测试。HF大型动物模型具有巨大的使用潜力,可用于确定潜在的临床条件新机制,并改善动物研究的生理和经济转化,以成功治疗人类HF。

关键词:心力衰竭  HFpEF  HFrEF  大动物模型 临床前

心力衰竭(HF)的复杂性已经挑战了科学界数十年。正在深入研究 驱动HF的病理生理机制的多方面特征。然而,这种疾病的异质性限制了该领域的治疗进展。毫不奇怪,心衰的流行率继续以惊人的速度增长。心衰的一个重要特征是心脏无法向身体输送足够的血液,这会导致患者生活质量低下。在过去的30年中,HF的诊断已发展为2个主要类别:1)射血分数(HFrEF)降低的HF,其特征在于静息射血分数(EF)≤40%,传统上称为收缩性HF; 和2)射血分数保留的HF(HFpEF),其静息EF≥50%,传统上称为舒张性HF。最近,第三类心力衰竭被引入该领域,称为具有中频EF的HF,其特征是静息EF范围为40%至50%。许多危险因素(缺乏体力活动)、合并症(肥胖症、高血压、2型糖尿病、慢性肾脏病)和与心力衰竭相关的疾病修饰因子(年龄、性别)的结合使得改善治疗方案变得困难。导致这些困难的原因是缺乏理想的动物模型,无法可靠地复制人类HF中常见的大多数病理生理特征。考虑到心肌功能和能量消耗的关键决定因素,如左心室(LV)壁张力、心率和血管壁腔比与人类更相似,心衰大动物模型(如猪、羊等)在临床转化方面具有一定优势。使用心衰的临床前大动物模型来发现症候群的新机制,开发和/或测试治疗心衰的新治疗方案,不仅是有必要的,而且有助于提高我们对这一高度流行的心血管疾病的了解。这一最新的综述概述了现有的方法和在大型动物中开发的几种心衰模型的生理表型。表1列出了猪、绵羊和犬类疾病模型心衰的历史和近期研究。

压力超负荷引起的HF:

主动脉瓣狭窄或系统性高血压引起的慢性压力超负荷可能最终导致心力衰竭。随着时间的流逝,克服后负荷的慢性升高所需的持续不断的心肌活动会诱导结构,生理和分子变化,从而导致病理性心脏重塑。此外,包括心脏,大脑,骨骼肌和肾脏系统在内的许多器官的血管功能障碍也受到负面影响,可能进一步导致心血管功能障碍。为了维持正常功能(通常以EF衡量),心脏过渡到一个代偿期,其特征是左室肥厚,心肌僵硬增加,心肌松弛减少,左室充盈压力增加,肺充血,心脏储备减少。过渡到功能代偿期的患者通常表现出与HFpEF中观察到的症状和体征相似。鉴于大量心衰患者患有高血压和/或主动脉狭窄,已经开发许多压力超负荷诱发心衰的大动物模型,以加强我们对这些病理机制如何促进疾病发展的理解。这些模型中的许多模型已将诸如肥胖症,2型糖尿病和慢性肾脏病纳入整体设计,以更全面地模仿临床综合征,以及HF的传统生理特征(例如,肺充血,呼吸困难) 和运动不耐)。因此,在猪、羊和犬身上使用外科技术,如经胸主动脉缩窄、肾包扎和肾微栓塞,建立了实验性压力超负荷诱发心衰的动物模型。还使用了基于高盐饮食(如醋酸脱氧皮质酮)的内分泌介导方法。经胸主动脉缩窄法试图通过缩小主动脉来重建主动脉狭窄,这会导致局部心肌后负荷增加;每种情况的严重程度取决于主动脉收缩的位置(例如升主动脉与降主动脉)。与在主动脉瓣狭窄中观察到的情况相似,主动脉束带增加左心室主动脉压力梯度,诱发同心左心室肥大,增加心肌硬度,并损害心肌舒张。然而,主动脉缩窄不能再现主动脉瓣钙化和纤维化病变,也不能明显增加沿主动脉长度发生的血管僵硬,这在人主动脉狭窄中常见。肾包扎、肾微栓塞和植入脱氧皮质酮醋酸酯微丸通过神经体液激活诱发系统性高血压。尽管有效,但这些方法因无法整合经常导致高血压的遗传因素而无法使用,并且使用了超生理剂量的盐,这些盐也可能对神经源性和神经激素激活产生不成比例的影响,因而受到限制。考虑到这些一般的优点和缺点,以下各节将讨论压力超负荷诱发的HF的现有大型动物模型,并重点介绍与每种动物相关的生理和分子表型。

主动脉缩窄模型:

在没有合并症的情况下,几项不同的研究检查了猪的主动脉带。 用收缩压梯度为60~70mmhg的收缩压梯度对45日龄约克郡猪的升主动脉进行缩窄,造成心脏压力超负荷。在这些动物中,心力衰竭的传统实验体征包括不到一半的主动脉缩窄动物的腹膜腹水在100到2000毫升之间。同时观察到左室肥厚和右室肥大的迹象,并伴有舒张功能障碍,表现为舒张末期压力升高(EDP),这取决于疾病的严重程度。分别使用50或70 mm Hg收缩压梯度在3和8月龄的尤卡坦小型猪中诱发慢性压力超负荷诱导HF,并在升主动脉上持续6个月。在这个模型中,实验性心力衰竭的典型症状包括左心室脑钠尿肽mRNA水平和肺重量的增加。这些动物的分子和生理表型最让人想到HFpEF,包括整体向心性肥大、正常静息EF、舒张功能障碍(舒张末期压-容积关系增加、舒张早期和晚期舒张应变受损、心肌细胞钙处理改变)、纤维化增加细胞外基质(ECM)的调节改变,线粒体功能障碍,疾病表现中的性别差异。该模型还在包括脑在内的冠状血管和周围血管床中均显示出明显的血管功能障碍的迹象。

图1、有代表性的血管造影显示压力超负荷诱发心衰的主动脉瓣缩窄技术。8月龄的雄性尤卡坦小型猪的血管造影显示主动脉带的位置(解剖上用不透射线的脐带带标记)和头臂动脉近端的升主动脉变窄(红色虚线勾勒出大的外周血管)。收缩压梯度由连接至压力传感器并在绑带位置近端和/或远端测量的充满流体的导管确定。 HF =心力衰竭。

利用猪的主动脉带开发的HF的其他模型包括Ishikawa等人的研究。在约克郡猪(10-13kg)的升主动脉上放置了一个固定内径为12cm的定制橡皮筋,随后Ishikawa等人对其进行了3-5个月的随访。这些动物没有表现出HF的历史实验征象,但确实显示了EF保留,舒张功能障碍(舒张末期压力-容积关系的增加和起搏时EDP的增加)以及左室肥厚和纤维化的增加。Yarbrough等人在约克郡猪升主动脉上使用了充气式袖带。 通过在5周内每周充气袖带,逐渐缩小升主动脉。最终测量结果显示压力梯度为66 mm Hg,伴舒张功能障碍(LV EDP和Tau升高),纤维化增加,与局部心肌僵硬和ECM调节生物标记物(MMP-7和-14,TIMP-1和-4)水平相关 。这种更急性的心肌压力超负荷模型也没有显示传统的心衰指标。

最近的一项尝试通过将西方饮食(10个月)和使用主动脉缩窄(6个月;70 mm Hg收缩压梯度)的慢性压力超载相结合的方法,研究了心衰的异质性。最近被国家心脏、肺和血液研究所HFpEF工作组列为一种多点模型,用于检查HFpEF的异质性,这些动物显示了HF的经典实验标记,包括肺重量的增加和表明大量HF相关基因诱导的遗传特征。在临床和分子水平上均观察到明显的炎症和代谢紊乱(肥胖,胰岛素抵抗,血脂异常),这被认为是HFpEF的主要病因。分子和生理学表型也能唤起HFpEF,包括同心左心室肥大,正常EF,舒张功能障碍(舒张末期压力-容积关系增加,舒张早期和晚期舒张期劳损受损), ECM的组成变化和线粒体功能障碍。

与猪模型相比,在绵羊压力超负荷诱发的心力衰竭模型中,收缩功能障碍的发展往往先于舒张功能障碍。犬压力超负荷诱发心衰的急慢性模型已被大量使用超过40年。随着时间的推移,犬模型的使用已经减少,部分原因是犬的侧支循环广泛,这与人类和其他大型动物(如猪)的侧支循环大不相同。

心肌梗死所致心力衰竭:

与异常的心脏功能障碍相关的心肌细胞死亡是心肌梗塞(MI)的主要特征,最终可导致HF。这种灾难性事件的发生是由于1条或多条冠状动脉部分或完全闭塞导致心肌离散区域血流中断。正确识别缺血引起的不同类型的心肌梗死对优化患者治疗至关重要,也是试图模拟急性心肌梗死和随后心力衰竭发展的转化研究的重要考虑因素。在这方面,最近基于由MI驱动的关键临床预测更新了MI的通用定义,包括生物标志物(例如心肌肌钙蛋白水平)、病理特征(例如水肿、糖原含量降低和线粒体异常)、心电图(例如新的ST段抬高),超声心动图、放射性核素显像或共振磁共振成像(如心肌游离壁破裂和二尖瓣返流)。心肌梗死后心脏的结构、功能和代谢特征显示了收缩装置的破坏、线粒体损伤、内皮功能障碍和细胞死亡增加。与HF的进展一致,MI诱导的HF的动物模型的特征是初始缺血,然后是心输出量减少和EF降低,与正常或壁厚降低相关的心室扩张, 局部缺血性局灶性纤维化,神经激素系统激活和心脏储备减少。

MI诱发的HF的实验模型包括局部缺血/再灌注(I / R),由冠状动脉结扎或Ameroid收缩器引起的不可逆性冠状动脉闭塞以及冠状动脉微栓塞。每种技术都包含了临床特征,包括在心肌梗死引起的HFrEF患者中观察到的中枢和外周改变。导致再灌注损伤的分子机制是突发性心律失常、钙超载和氧化应激引起的心肌顿抑以及微血管和内皮功能障碍。这种方法最常通过可逆结扎术或可充气血管成形术球囊用于左前降支冠状动脉(LAD)或左旋支冠状动脉(LCx)中。 尽管从历史上看,犬用于I / R研究,但犬心脏中广泛的冠状动脉侧支循环显着减少了该模型的使用。在猪和羊中,I/R方法的优点包括利用更像人类冠状动脉的相似性,包括大体解剖结构和现有侧支血管的缺失,产生可预测大小和位置的梗死灶。猪和绵羊I / R模型的弱点包括对心律不齐的明显急性敏感性,以及由于胃肠道解剖结构中反刍动物依赖性的差异,使用超声技术难以对心脏成像。不可逆的冠状动脉闭塞是通过缝合结扎或无再灌注的ameroid缩窄器。冠状动脉缝合结扎术是急性心肌梗死的直接途径,而ameroid缩窄剂可以模拟冠状动脉狭窄导致的心肌梗死。最后,冠状动脉微栓塞是微球的顺序注射,可以迅速和/或随时间推移进行。冠状动脉微循环中粥样硬化斑块碎片的积聚增加了微栓塞的发生率,从20%到79%不等,这也可能是PCI引起的。破裂,糜烂或钙化结节破坏冠状动脉粥样硬化斑块可释放有害物质并可能在远端冠状动脉微循环中聚集,从而引起血管收缩,炎症和潜在的微梗塞。目前,在没有明显冠状动脉闭塞的情况下,动脉粥样硬化导致心肌血流减少和心肌梗死发生率的临床证据被归类为在没有冠状动脉疾病的情况下出现的心肌梗死。动脉粥样硬化斑块破裂和随后的冠状动脉微栓塞可损害心肌收缩力,增加主要由肿瘤坏死因子-α介导的炎症,持续栓塞可导致重复血栓,导致心肌梗死。尽管该技术可以模拟随着时间的推移逐渐增加的心肌缺血的慢性影响,但是由于多次栓塞手术程序以及控制整个冠状血管树闭塞程度的能力有限,因此梗塞的一致性和可重复性可能很困难。此外,该模型在心肌中导致多个梗塞和重塑部位,这会在评估过程中引入变异性和不一致性。

心律失常性心力衰竭:

心律失常与心衰之间的病理相互作用已被证实,在已确诊的心衰病例中,心律失常和心衰的发病率和/或死亡率都会增加。最近,心律失常引起的心肌病被提议作为一种更具包容性的方法来检查电生理病理学对整体HF综合征的不同影响。不管是否使用EF,突发性心脏死亡都是导致HF死亡的重要原因,心动过速对发展HF的作用早已受到人们的重视。 尤其是,如房颤(AF)这样的室上性心律失常可以使HF风险增加3倍。与人类综合征类似,在心律不齐诱发的心肌病动物模型中,HF的发展包括双心室扩张和壁厚降低,随后随着时间的推移心输出量和EF持续下降,神经内分泌系统激活,细胞钙稳态显著受损。心律失常性心力衰竭的实验模型以慢性快速起搏周期为特征,主要由起搏器的解剖位置来表示。对于心动过速模型,起搏器被植入右心室或左心室,而心房颤动的动物模型通常从心房位置刺激心肌的病理性起搏。有趣的是,心律失常诱发的心衰模型包括起搏刺激终止后心肌功能和结构的几乎完全恢复。这些技术的重要考虑因素包括:1) 心肌结构和功能的变化,在同一心脏内,由于靠近起搏器而发生显著变化;2)心力衰竭的发生与起搏频率和持续时间直接相关。此外,心房起搏已证明不能维持慢性房颤超过2至8周,并且通常需要同时服用传统的心脏治疗药物,包括β受体阻滞剂和/或心苷。

HF大型动物模型的转化作用:临床成功的关键部分?

临床前的大型心血管疾病动物模型是必不可少的,尽管临床前的流失率只有35%,但这种高失败率还是会发生,这表明动物研究的高水平成功可能是“傻瓜”。 已经提出了一些有关动物研究无法进行临床转化的因素,包括从方法上有缺陷的动物研究得出的过分乐观的结论,不能充分反映人类疾病的动物模型。病理生理学的大型动物模型也有必要通过以下方式提高转化能力:1) 促进临床交付、成像和支持设备的测试;2) 提供有价值的毒理学和生物分布信息;3)提供相关的生理学输入,以指导对精确医学有用的临床风险的计算和基于组学的评估。大型动物模型的支持数据通常是新药或器械免除研究性试验过程的一个关键方面,该过程导致了FDA的批准。FDA评估、监管和批准各种医疗产品,包括用于心衰患者的机械循环支持设备,如主动脉内球囊泵(IABPs)、轴流泵和左心房至股动脉心室辅助装置。这些设备机械地辅助心肌,提供短期的全身血流动力学支持,并在缺血性事件并发心源性休克或高危PCI过程中最小化心肌负荷。在急性心肌梗死或室性心律失常的猪模型中研究了TandemHeart对血液动力学和心脏形态的影响。

图2、新疗法和新设备的开发和测试转化为临床试验和FDA批准的流程

结论:临床前大动物模型在将基础科学发现转化为新型心血管疗法的开发和临床批准中,起着至关重要的作用,并且在不断扩大作用。越来越多地使用大型HF动物模型,在识别心衰的新机制、提供新疗法的安全性和有效性方面提供有价值的信息,以及提高动物研究成功治疗人类心衰的生理和经济效益方面具有重要的潜力。


原文出自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452302X20301753

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