心力衰竭動物模型研究進(jìn)展

劉新賓，李 力（綜述），張紅超（審校）

（中國人民解放軍空軍總醫(yī)院心血管外科，北京 100142）

心力衰竭（heart failure，HF）是由于任何原因的初始心肌損傷引起心肌結(jié)構(gòu)和功能的變化，最后導(dǎo)致心室泵血和（或）充盈功能低下。其理論研究經(jīng)歷心腎學(xué)說、血流動力學(xué)學(xué)說、神經(jīng)激素學(xué)說到現(xiàn)代的心室重構(gòu)學(xué)說，但發(fā)生機(jī)制仍未完全闡明。為進(jìn)一步研究HF發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制，尋找新的治療策略和靶點，HF動物模型的應(yīng)用是不可忽略的環(huán)節(jié)。目前HF動物模型是根據(jù)不同的基礎(chǔ)疾病進(jìn)行制作，如心肌缺血、血流動力學(xué)負(fù)荷過重、心肌損傷、過度勞累等。不同的造模方式，其研究領(lǐng)域的應(yīng)用也有差別?，F(xiàn)對目前國內(nèi)外HF動物模型制作方法的選擇及其應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。

1 缺血型心肌病HF模型

缺血區(qū)心肌能量代謝發(fā)生異常以及心肌細(xì)胞膜對離子的通透性改變，導(dǎo)致心肌收縮力降低和心律失常。非缺血區(qū)代償性應(yīng)激，激活神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)，誘發(fā)細(xì)胞凋亡及促進(jìn)纖維化，引起心室重構(gòu)，最終導(dǎo)致HF發(fā)生。

1．1 冠狀動脈結(jié)扎法 常需剖胸結(jié)扎左冠狀動脈主干或左前降支、左旋支以及對角支復(fù)制HF模型，亦有使用多處結(jié)扎法。也可在較大動物的冠狀動脈上安置縮窄環(huán)、液壓封堵器［1］控制閉塞程度和時間造模。該類模型模擬心肌梗死演變到HF的病理過程，尤其梗死區(qū)周圍凋亡細(xì)胞的增加，心肌細(xì)胞和亞細(xì)胞的改變與人類HF相似，用該模型研究梗死后HF心肌線粒體蛋白質(zhì)表達(dá)譜的改變［2］和 JNK 通路介導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡［3］取得良好效果。但該方法操作較復(fù)雜，結(jié)扎部位過高易導(dǎo)致死亡，過低易造模失敗，且剖胸后動物病死率高，耗時較長，費用也相對偏高。

1．2 冠狀動脈堵塞法運(yùn)用導(dǎo)管技術(shù)輸入塑料微球或明膠海綿至某支冠狀動脈，以其數(shù)量多少或球體大小的不同，致不同范圍缺血。也可用球囊擴(kuò)張法。該法不僅能促發(fā)急性冠狀動脈綜合征以及缺血/再灌注出現(xiàn)局部心肌無復(fù)流現(xiàn)象，也可模擬慢性缺血引發(fā)HF演變的病理生理變化，多用于研究HF神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)變化機(jī)制、藥物療效，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基因治療的研究。其中炎性因子氧化修飾肌凝蛋白導(dǎo)致HF心功能降低［4］，心肌細(xì)胞凋亡及心肌重構(gòu)促進(jìn)HF發(fā)生［5］在該模型都得到驗證。此法避免開胸風(fēng)險，手術(shù)創(chuàng)傷小，定位準(zhǔn)確，可操作性強(qiáng)，較少出現(xiàn)生理紊亂，但多適用于大動物，且經(jīng)濟(jì)成本較高，需要心導(dǎo)管的技術(shù)以及精密的儀器評價模型的血流動力學(xué)改變。

1．3 直接損傷心肌法 應(yīng)用甲醛、氯乙胺或液氮冷凍、電燒傷等損傷心肌，損傷部位和范圍可以控制并且穩(wěn)定，尤其適用于冠狀動脈細(xì)小的小動物，但與臨床心肌梗死區(qū)別較大，現(xiàn)多用于種子細(xì)胞或藥物治療效果的研究。Kim［6］和 Ahmet等［7］用液氮冷凍法分別研究了心肌梗死部位接受內(nèi)皮細(xì)胞和干細(xì)胞移植后血管再生和心功能恢復(fù)情況，取得良好效果。

2 壓力負(fù)荷型HF

心臟后負(fù)荷增加，導(dǎo)致心臟做功與耗氧量增加，心肌內(nèi)交感神經(jīng)末梢去甲腎上腺素釋放增高，腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)功能活躍，心肌代謝紊亂，左心室重構(gòu)而導(dǎo)致心肌肥厚，逐漸引發(fā)HF形成。

2．1 主動脈縮窄法 縮窄部位多選腹主動脈、主動脈弓［8］。該類模型手術(shù)時間短，操作簡單，費用低，并且能模擬壓力負(fù)荷增高導(dǎo)致左心室肥厚演變步驟，還原高血壓導(dǎo)致HF的病理生理過程，是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)及臨床心血管研究較常用的造模方法。適合于研究高血壓性心臟病、左心室肥厚演變?yōu)镠F時的心肌力學(xué)特性、病理變化以及心肌肥厚的分子機(jī)制。

2．2 鹽敏感性HF模型 Dahl-鹽負(fù)荷法和去氧皮質(zhì)醇-鹽負(fù)荷法都通過喂養(yǎng)鹽水增加鈉水潴留，后者配合單側(cè)腎切除，模擬高血壓心臟病發(fā)病過程。該類模型操作較簡單，費用低廉，能較好地反映HF早期的病理生理變化 ，是研究早期HF防治的較好模型。

3 容量前負(fù)荷型HF模型

容量超負(fù)荷使舒張期室壁與肌節(jié)應(yīng)力增高，心肌細(xì)胞內(nèi)肌節(jié)增多，肌節(jié)以串聯(lián)形式相連，肌細(xì)胞長度增加。按Frank-Starling定律，舒張期心肌纖維長度增加，必然引起收縮力的增加，故擴(kuò)張也可導(dǎo)致肥厚，表現(xiàn)為心腔擴(kuò)大，出現(xiàn)離心性肥厚。

3．1 動靜脈瘺法 多選腹主動脈與下腔靜脈間、股動脈與股靜脈間造瘺形成動靜脈短路，使回心血量大量增加，引發(fā)容量超負(fù)荷。常用于研究HF時體內(nèi)神經(jīng)內(nèi)分泌機(jī)制的改變、水電解質(zhì)失衡和腎功能異常，但評價抗HF藥物療效時作用有限。

3．2 心臟瓣膜關(guān)閉不全法 通過手術(shù)破壞房室瓣腱索、乳頭肌或心導(dǎo)管介入穿插二尖瓣、主動脈瓣造成瓣膜關(guān)不全，多適用于大動物，用于房室瓣關(guān)閉不全、某些類型的充血性心臟病、高輸出狀態(tài)（甲狀腺毒癥）等疾病的研究。單獨的瓣膜關(guān)閉不全不易誘發(fā)HF，聯(lián)合壓力負(fù)荷造模［9］已經(jīng)得到公認(rèn)。先做腹主動脈狹窄導(dǎo)致的壓力負(fù)荷增加，再做主閉導(dǎo)致的超容量負(fù)荷增加，這與臨床慢性HF的病理生理過程更為相似。

4 藥源性動物HF模型

4．1 損害心肌藥物 常用蒽環(huán)類抗癌藥物損害心肌，如阿霉素。阿霉素與心肌組織的親和力高于其他組織，并引起心肌自由基的產(chǎn)生，導(dǎo)致生物膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，使心肌細(xì)胞及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變，導(dǎo)致HF。阿霉素HF模型與心肌炎、某些心肌病等所致慢性HF和擴(kuò)張性心臟病類似，適合于研究衰竭心臟心肌超微結(jié)構(gòu)改變、神經(jīng)內(nèi)分泌異常及血流動力學(xué)變化。阿霉素造模后用脂多糖再次打擊模擬慢性HF急性應(yīng)激反應(yīng)［10］，研究失代償HF時心臟的病理生理狀態(tài)以及分子學(xué)機(jī)制。利用阿霉素制作動物HF模型是目前公認(rèn)的廉價、簡單、實用的方法。

4．2 抑制心肌藥物 長期或大劑量應(yīng)用心肌抑制藥物可引起HF的發(fā)生，利用具有負(fù)性頻率、負(fù)性傳導(dǎo)及負(fù)性肌力作用的維拉帕米，導(dǎo)致快速心率及心肌持續(xù)強(qiáng)烈收縮的異丙腎上腺素［11］，對心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)抑制作用的普羅帕酮，以及對心肌收縮功能起抑制作用的β受體阻滯劑等長期刺激，都能制備出有效HF的動物模型。該類模型制作簡單，藥物種類、劑量及注射途徑可依研究需要選擇。適用于以心肌病變?yōu)樵l(fā)病的HF研究，尤其對抗HF藥物研究更為適用。

此外，也可運(yùn)用野百合堿［12］制作充血性右側(cè)HF，野百合堿以肺血管內(nèi)皮細(xì)胞為靶細(xì)胞，刺激其釋放多種生物活性物質(zhì)，導(dǎo)致肺動脈高壓，引起右側(cè)HF。該模型可基本反映臨床充血性右側(cè)HF的右側(cè)心功能變化，可作為其相關(guān)研究的一種有效、可靠的動物模型。

5 心臟快速起搏HF模型

過快的心肌收縮導(dǎo)致心肌耗氧增加，心室舒張期明顯縮短，引起心肌缺血;快速起搏致肌漿網(wǎng)Ca2+通道改變，心肌收縮能力下降;激活神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)，導(dǎo)致細(xì)胞外間質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，最終引起心室重構(gòu)HF的發(fā)生。該模型制作周期短，可控性好，起搏頻率以及起搏部位可依研究需要、動物種類及其心電生理特點設(shè)置，停止起搏一定時間后血流動力學(xué)、心功能和神經(jīng)內(nèi)分泌水平可基本恢復(fù)到正常水平，從而模擬可逆的心臟擴(kuò)張和變化的心壁肥厚，且模型制作中動物能保持清醒狀態(tài)，適用于HF的多方面研究，為擴(kuò)張性心肌病HF研究的金標(biāo)準(zhǔn)模型［13］。因易逆轉(zhuǎn)使造模條件難掌握，且缺乏穩(wěn)定性，起搏器固定技術(shù)要求高，限于在大動物中應(yīng)用。

6 基因技術(shù)與HF模型

分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使改變實驗動物的基因成為現(xiàn)實。小鼠基因與人類接近，并易被改變，改變后的基因表達(dá)相對穩(wěn)定，常被用來作為基因研究的動物模型?，F(xiàn)運(yùn)用基因轉(zhuǎn)入、剔除及干擾技術(shù)，使心臟特異基因表達(dá)改變，從而研究某些基因在心臟發(fā)生、發(fā)育以及HF中的作用及機(jī)制。

6．1 基因技術(shù)制備HF模型

6．1．1 基因剔除法 利用基因技術(shù)剔除基因多處位點都可能導(dǎo)致HF發(fā)生，位點的選擇可通過文獻(xiàn)報道或設(shè)計。如:肌肉LIM蛋白（muscle LIMprotein，MLP）調(diào)節(jié)肌肉分化，剔除MLP基因的純合子小鼠將發(fā)展為擴(kuò)張性心肌病，伴心肌肥大、間質(zhì)細(xì)胞增生和纖維化，到成年發(fā)展為HF;擴(kuò)張型及肥厚型心肌病患者心肌組織中常見多種線粒體DNA缺失突變，線粒體超氧化物歧化酶或線粒體轉(zhuǎn)錄因子基因剔除小鼠均可導(dǎo)致肥厚性心肌病致HF。剔除心肌乙酰膽堿敏感鉀通道基因建立小鼠HF模型［14］，用于研究HF時鉀通道的分子機(jī)制。

6．1．2 轉(zhuǎn)基因法 人工分離和修飾過的基因?qū)雱游锘蚪M中使該基因過度表達(dá)，引起HF發(fā)生。利用肌球蛋白重鏈基因啟動子使轉(zhuǎn)基因鼠在心臟中過度表達(dá)1-氨基環(huán)丙烷基-1-羧酸合成酶1，建立代謝性心肌病鼠模型。代謝性心肌病鼠中神經(jīng)酰胺合成增加，而神經(jīng)酰胺具有直接促細(xì)胞凋亡的作用，DNA的斷裂及細(xì)胞色素C的釋放也參與心肌細(xì)胞凋亡途徑［15］。該模型可作為脂質(zhì)代謝異常的HF模型［16］，有助于闡明脂質(zhì)毒性HF的細(xì)胞機(jī)制，為藥理學(xué)實驗和基因挽救策略提供研究模型。

6．1．3 基因干擾 微 RNA（microRNA，miRNA）可以通過與特定mRNA結(jié)合，調(diào)控基因表達(dá)影響HF的發(fā)生、發(fā)展。miRNA-208通過抑制甲狀腺素受體相關(guān)蛋白1（THRAP1），調(diào)節(jié)主要組織相容性復(fù)合體的表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致心肌細(xì)胞在應(yīng)急刺激下出現(xiàn)肥厚，有報道［17］miRNA-208轉(zhuǎn)基因小鼠在發(fā)育過程中出現(xiàn)心肌肥厚。

6．2 基因技術(shù)逆轉(zhuǎn)動物HF的嘗試 隨著對HF分子機(jī)制深入了解，運(yùn)用基因技術(shù)逆轉(zhuǎn)HF也成為可能，抑制心肌肥厚和細(xì)胞凋亡是當(dāng)今熱點。從分子水平上講，心肌肥厚是細(xì)胞表型的改變，與胚胎基因表達(dá)有關(guān)，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在胚胎基因表達(dá)中起關(guān)鍵作用，其中鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶、G蛋白、糖原合酶激酶3、過氧化物酶體增生激活受體、小G蛋白、亞細(xì)胞器成為干預(yù)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的靶點;細(xì)胞凋亡在心臟代償性肥厚到HF的轉(zhuǎn)變過程中起關(guān)鍵作用，減少心肌細(xì)胞凋亡可抑制HF的進(jìn)展。

6．2．1 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶 鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶可通過對轉(zhuǎn)錄因子活化T細(xì)胞核因子3結(jié)合調(diào)節(jié)心臟中心鈉素、肌球蛋白等基因的特異性表達(dá)［18］。Cain/Cabin可抑制鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶亞基而抑制其活性，Cain/Cabin過度表達(dá)的轉(zhuǎn)基因動物可抑制壓力負(fù)荷、異丙腎上腺素引起的心肌肥厚;鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶-Aβ基因靶向剔除的動物對激素、壓力應(yīng)激性心肌肥厚也有明顯下調(diào)作用［19］。

6．2．2 G蛋白耦聯(lián)受體激酶2 G蛋白耦聯(lián)受體激酶 2（G protein-coupled receptor kinase 2，GRK2）是心臟發(fā)育過程中關(guān)鍵性亞型［20］，心臟過度表達(dá)GRK2可激活Gαs，增加心臟收縮性能導(dǎo)致心肌肥厚和纖維化［21］。將GRK2的抑制劑βARKct用腺病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)入自發(fā)性高血壓HF大鼠的心肌內(nèi)，可抑制心肌肥厚，心肌的收縮和舒張功能明顯改善［22］。

6．2．3 Toll樣受體 4 TLR-4 是 Toll樣受體家族的一員，其主要功能是作為脂多糖的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受體，參與促炎反應(yīng)、促進(jìn)免疫細(xì)胞成熟分化及調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答。Oyama等［23］用TLR-4缺陷型小鼠建立心肌梗死模型，與對照組相比，可降低小鼠I/R期間的心肌梗死面積。

6．2．4 生長分化因子15 是轉(zhuǎn)化生長因子β超家族成員的一個遠(yuǎn)支，是一個重要心血管保護(hù)因子。在小鼠缺血-再灌注模型中，生長分化因子15基因剔除組比野生型小鼠心肌梗死面積大，心肌細(xì)胞凋亡多，病死率也明顯增加［24］。Xu 等［25］將生長分化因子15通過腺病毒介導(dǎo)轉(zhuǎn)染MLP基因剔除HF小鼠引起生長分化因子15的過度表達(dá)能改善HF，左室擴(kuò)張明顯減輕。

HF發(fā)病的分子機(jī)制錯綜復(fù)雜，其原發(fā)病多種多樣，而從HF發(fā)生、代償?shù)绞Т鷥數(shù)倪^程中涉及的細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化繁多，從病理生理到細(xì)胞水平、基因水平，其研究層次多，很難用單一的機(jī)制來解釋HF的形成和發(fā)展。現(xiàn)有的動物HF模型和臨床HF還有一定差別，隨著對HF深入認(rèn)識及新技術(shù)開發(fā)，預(yù)計會有越來越多更穩(wěn)定、更貼近臨床的動物HF模型出現(xiàn)，以便能更全面地了解HF的發(fā)病機(jī)制，把握其規(guī)律、特點，并針對不同病因和類型的HF建立新的治療策略。

［1］Klocke R，Tian W，Kuhlmann MT，etal．Surgical animalmodels of heart failure related to coronary heart disease［J］．Cardiovasc Res，2007，74（1）:29-38．

［2］王軍，白玲，李晶，等．心力衰竭大鼠心肌線粒體蛋白質(zhì)組學(xué)研究［J］．中國科學(xué) C 輯:生命科學(xué)，2009（39）:1019-1027．

［3］陳鵬，楊成明，曾春雨，等．心肌梗死后心力衰竭小鼠心肌組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)凋亡途徑的研究［J］．中國病理生理雜志，2010，26（6）:1069-1074．

［4］Skyschally A，Gres P，Caster P，etal．Reduced calciuMresponsiveness characterizes contractile dysfunction following coronarymicroembolization［J］．Basic Res Cardiol，2008，103（6）:552-559．

［5］朱漢華，李浪，汪熠，等．美托洛爾對大鼠冠狀動脈微栓塞后心肌細(xì)胞凋亡及caspase-12活化的影響及意義［J］．中國病理生理雜志，2009，25（4）:642-646．

［6］KiMEJ，Li RK，Weisel RD，etal．Angiogenesis by endothelial cell transplantation［J］．J Thorac Cardiovasc Surg，2001，122（5）:963-971．

［7］AhmetI，Sawa Y，Yamaguchi T，etal．Gene transfer of hepatocyte growthfactor improves angiogenesis andfunction of chronic ischemic myocardiuMin canine heart［J］．Ann Thorac Surg，2003，75（4）:1283-1287．

［8］Gao XM，Kiriazis H ，Moore XL，etal．Regression of pressure overload induced left ventricular hypertrophy inmice［J］．AMJPhysiol Heart Circ Physiol，2005，288（6）:2702-2707．

［9］Den Ruijter HM，Berecki G，Verkerk AO，etal．Acute administration of fish oil inhibits triggered activityin isolated myocytes froMrabbits and patients with heart failure［J］．Circulation，2008 ，117（4）:536-544．

［10］張曉霞，吳學(xué)思，韓志紅，等．大鼠慢性心力衰竭急性應(yīng)激模型的建立及評價［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2009，30（1）:33-35．

［11］Takeshita D，Shimizu J．Isoproterenol induced hypertrophied rat hearts does short terMtreatment correspond to long terMtreatment?［J］．JPhysiol Sci，2008，58（3）:179-188．

［12］李宗斌，江時森，王菊香，等．一種簡易可靠的右心衰竭大鼠模型的建立［J］．醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報，2008，21（12）:1258-1262．

［13］Recchia FA，Lionetti V．Animalmodels of dilated cardiomyopathy for translational research［J］．Vet Res Commun，2007，31（Suppl1）:35-41．

［14］張良平，范慧敏，劉中民，等．心肌乙酰膽堿敏感鉀通道基因敲除小鼠模型的建立［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2010，31（1）:35-39．

［15］Takahashi R，Okumura K，Asai T，etal．Dietary fish oil attenuates cardiac hypertrophy in lipotoxic cardiomyopathy due to systemic carnitine deficiency［J］．Cardiovasc Res，2005，68（2）:213-223．

［16］李傳保，卜培莉．脂毒性心肌病的發(fā)病機(jī)制及治療進(jìn)展［J］．血管病學(xué)進(jìn)展，2007，28（5）:774-776．

［17］van Rooij E，Sutherland LB，QiX，etal．Control of stress-dependent cardiac growth and gene expression by amicroRNA［J］．Science，2007，316（5824）:575-579．

［18］Macdonnell SM，Weisser thomas J，Kubo H，etal．CaMKⅡnegatively regulates calcineurin-NFAT signaling in cardiac myocytes［J］．Circ Res，2009，105（4）:316-325．

［19］王維亭，趙專友，湯立達(dá)，等．心衰治療靶點與干預(yù)研究進(jìn)展［J］．中國新藥雜志，2010，19（6）:486-493．

［20］Penela P，Murga C，Ribas C，etal．Mechanisms of regulation of G protein-coupled receptor kinases（GRKs）and cardiovascular disease［J］．Cardiovasc Res，2006，69（1）:46-56．

［21］Wang XQ，Zhang HG，Cheng YQ，etal．Inhibition of left ventricular remodelling in spontaneously hypertensive rats by Gq-protein carboxyl terminus imitation polypeptide GCIP-27 is not entirely dependent on blood pressure［J］．Clin Exp Phamacol Physiol，2008，35（12）:1215-1221．

［22］Eckhart AD，Koch WJ．Expression of a beta-adrenergic receptor kinase inhibitor reverses dysfunction in failing cardiomyocytes［J］．Mol Tnel，2002，5（1）:74-79．

［23］Oyama J，Blais C Jr，Liu X，etal．Reduced myocardial ischemiareperfusion injury in toll-like receptor 4-deficientmice［J］．Circulation，2004，109（6）:784-789．

［24］Kempf T，Eden M，Strelau J，etal．The transforming growth factorbeta superfamily member growth-differentiation factor-15 protects the heart froMischemia/reperfusion injury［J］．Circ Res，2006，98（3）:351-360．

［25］Xu J，Kimball TR，Lorenz JN，etal．GDF15/MIC-1 functions as a protective antihypertrophic factor released froMthemyocardiuMin association with SMAD protein activation［J］．Circ Res，2006，98（3）:342-350．