李 萌,呂仕超綜述,吳美芳,張軍平審校
心肌纖維化(myocardial fibrosis,MF)是指心肌間質(zhì)中膠原成分過(guò)度沉積,各型膠原含量增加、比例失調(diào)、空間位置重新排布的一種病理過(guò)程[1]。引起MF的原因很多,主要包括壓力超負(fù)荷、免疫損傷、缺血以及高糖,通常涉及腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosterone system,RAAS)、膠原生成系統(tǒng)、膠原降解系統(tǒng)、細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)以及多種心血管活性物質(zhì)、細(xì)胞因子、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等多種機(jī)制。MF作為多種疾病的共同病理結(jié)果,最終都將導(dǎo)致心肌僵硬度增加、心室舒張功能減退、冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備下降、嚴(yán)重室性心律失常,甚至引起猝死。因此,選擇合適的模型是MF研究的首要條件,在MF的病理特征、發(fā)病機(jī)制、診斷及治療研究中具有重要的意義。本文就多種MF動(dòng)物模型的建立方法作一綜述,期望為深入研究其發(fā)病機(jī)制以及探索其防治方法提供參考。
壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的MF模型主要有自發(fā)性高血壓模型、腎血管性模型、部分縮窄腹主動(dòng)脈模型、外源性誘導(dǎo)模型。雖然模型種類較多且各具特點(diǎn),但其MF發(fā)生發(fā)展的主導(dǎo)機(jī)制一致,都是以激活RAAS為主。
1.1 自發(fā)性高血壓模型 大鼠的自發(fā)性高血壓屬于多基因遺傳病。目前最常用的是1963年Okamoto用自發(fā)高血壓Wistar大鼠培育而成的近交系—京都種自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rat,SHR)。該品種高血壓發(fā)生率高,在SHR生長(zhǎng)早期,其血管阻力持續(xù)增加,血壓升高,激活RAAS,導(dǎo)致MF的發(fā)生。一般于出生后第5周血壓開始升高,并持續(xù)上升;第10周高血壓形成,收縮壓>160 mmHg(1mmHg=0.133kPa);第13周左右開始出現(xiàn)左心室肥厚;24周后,隨年齡增長(zhǎng)心室肥厚進(jìn)行性加重,心肌膠原含量明顯增高,發(fā)生MF,導(dǎo)致心臟舒縮功能障礙;最終于18~24個(gè)月發(fā)展為心力衰竭。
SHR模型未經(jīng)過(guò)任何有意識(shí)的人工處置,在自然培育的情況下產(chǎn)生高血壓及MF,并具有一定的遺傳性。其發(fā)病特點(diǎn)與人類原發(fā)性高血壓較相似,且病程后期均可發(fā)生嚴(yán)重的心肌損害和心臟重構(gòu)。該模型避免了人工干預(yù)造成的創(chuàng)傷,顯著降低了模型死亡率,可作為篩選抗MF藥物的理想動(dòng)物模型[2]。其缺點(diǎn)是飼養(yǎng)條件高,價(jià)格較貴,遺傳育種復(fù)雜,需要一定時(shí)間,且易變種或斷種,若大量使用尚存在一定困難。此外,SHR缺少典型的MF形成前期階段,其出生不久即有心臟羥脯氨酸含量增加,而未觀察到心肌變性壞死的表現(xiàn)。
1.2 腎血管性模型
1.2.1 兩腎一夾模型 兩腎一夾模型即大鼠腹腔注射麻醉,劍突下沿腹正中線作手術(shù)切口打開腹腔,鈍性分離左腎動(dòng)脈,于動(dòng)脈中段放置銀夾,使其部分狹窄,右側(cè)腎動(dòng)脈不觸及[3-4]。研究顯示:術(shù)后1周,大鼠左心室心肌出現(xiàn)明顯的間質(zhì)性水腫,成纖維細(xì)胞增生;第4周,間質(zhì)性水腫逐漸消失,伴隨間質(zhì)纖維化的加重,心肌膠原含量可達(dá)正常值的2~3倍;第12周,出現(xiàn)繼發(fā)于散在性小灶狀心肌細(xì)胞壞死后的修復(fù)性纖維化;第32周,修復(fù)性纖維化更加明顯,心肌膠原含量可高出正常值6倍,占左心室總體積的18%[5-6]。兩腎一夾法直接造成腎缺血,激活RAAS,導(dǎo)致腎臟合成、分泌腎素增多,進(jìn)而增高血液中血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)水平,AngⅡ作用于AngⅡ-1型(AT1)受體可使全身微動(dòng)脈平滑肌收縮,血壓升高;可使靜脈收縮,回心血量增加,從而增加心臟的前、后負(fù)荷;AngⅡ還可直接作用于心肌,引起心肌絲裂素活化蛋白激酶活性增加,從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞增生、肥大以及間質(zhì)纖維化??s窄腎動(dòng)脈亦可導(dǎo)致機(jī)體免疫功能紊亂,產(chǎn)生抗AT1受體自身抗體,其可與AT1受體特異性結(jié)合,產(chǎn)生與AngⅡ相似的受體激動(dòng)劑樣活性,共同參與了MF 的發(fā)生[7]。
兩腎一夾模型具有復(fù)制性強(qiáng),同一性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),模型成功率可達(dá)95%,且與人類高血壓、MF病理過(guò)程具有可比性,是研究MF發(fā)病機(jī)制最常用的經(jīng)典動(dòng)物模型。但也存在缺點(diǎn),隨觀察時(shí)間的延長(zhǎng),其血壓水平有所下降,甚至恢復(fù)到正常水平,血壓存在波動(dòng)[8]。
1.2.2 兩腎兩夾模型 兩腎兩夾模型即大鼠腹腔注射麻醉,行腹正中縱行切口,依次鈍性分離雙側(cè)腎動(dòng)脈,用內(nèi)徑為0.3mm的環(huán)形銀夾分別夾住雙側(cè)腎動(dòng)脈起始部,并確定腎動(dòng)脈置于銀夾的環(huán)形結(jié)構(gòu)[9]。研究顯示:術(shù)后4周為MF形成前期,主要病理改變?yōu)殚g質(zhì)水腫、膠原代謝增加和心肌細(xì)胞變性壞死;4~12周為反應(yīng)性纖維化階段,主要以間質(zhì)性纖維化和血管周圍纖維化為主;12周后為修復(fù)性纖維化階段,主要表現(xiàn)為心肌細(xì)胞壞死和替代性瘢痕的出現(xiàn),并可有心臟功能的異常。其機(jī)制與兩腎一夾模型相似,都是以激活RAAS為主,造成腎源性高血壓,最終導(dǎo)致MF的發(fā)生[10]。
與兩腎一夾模型相比,兩腎兩夾模型具有以下優(yōu)點(diǎn):血壓峰值高且穩(wěn)定,隨鼠齡增長(zhǎng),血壓持續(xù)穩(wěn)步升高,與人類高血壓的演變過(guò)程基本一致。由于此模型造成雙側(cè)腎臟缺血,激活雙腎RAAS,因此MF的程度更加嚴(yán)重。存在的缺點(diǎn):該模型復(fù)制成功率為84.2%,低于兩腎一夾模型,且后期腦卒中發(fā)生率較高,增加了模型的死亡率,不適用于觀察時(shí)點(diǎn)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)[11-12]。
此外,腎血管性模型還包括一腎一夾模型[13]、腎臟包裹模型,但因其復(fù)制成功率較低,血壓波動(dòng)較大,MF病變不典型,而應(yīng)用較少。
1.3 腹主動(dòng)脈部分縮窄模型 大鼠腹腔注射麻醉,沿腹正中線打開腹腔,在腎動(dòng)脈分支上方0.5 cm處,分離出約1 cm長(zhǎng)的腹主動(dòng)脈,用直徑為0.7 mm的針頭緊貼腹主動(dòng)脈,平行放置,將兩者共同結(jié)扎,然后抽出針頭,即形成腹主動(dòng)脈部分縮窄模型[14-15]。研究顯示:術(shù)后4周大鼠血壓明顯升高,左心室質(zhì)量指數(shù)顯著升高,心肌間質(zhì)出現(xiàn)大量膠原纖維,心肌組織膠原容積分?jǐn)?shù)和心肌膠原蛋白含量均顯著增加;第8周上述各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)一步升高,表明MF程度進(jìn)一步加重[16-17]。腹主動(dòng)脈縮窄法所致持續(xù)性壓力后負(fù)荷引起心臟血流動(dòng)力學(xué)改變、免疫系統(tǒng)激活及心臟適應(yīng)性反應(yīng),后期激活RAAS,共同導(dǎo)致 MF。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)在此模型的MF進(jìn)展中起重要作用,其表達(dá)量與纖維化程度密切相關(guān)。TGF-β1具有促進(jìn)心臟成纖維細(xì)胞增殖、調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶表達(dá)和細(xì)胞外基質(zhì)合成的重要作用,而TGF-β1/Smads通路的激活是諸多致纖維化因素啟動(dòng)的關(guān)鍵。
腹主動(dòng)脈部分縮窄模型手術(shù)創(chuàng)傷較大,且術(shù)后發(fā)生劇烈的血流動(dòng)力學(xué)變化,因而大鼠術(shù)后成活率偏低,僅為63.33%。此外,其血壓波動(dòng)較大,MF病變不典型,模型缺乏穩(wěn)定性,因此近年來(lái)該模型的應(yīng)用逐步減少[18]。
1.4 外源性誘導(dǎo)模型 外源性誘導(dǎo)模型主要有2種,①外源性給予大鼠AngⅡ:把含有溶于載體的AngⅡ的微量滲透泵植入大鼠皮下,AngⅡ的釋放速率為150 ng/(min·kg),同時(shí)在其飲水中加入0.3%KCl,給藥第 2 周即出現(xiàn) MF[19]。②外源給予醛固酮(aldosterone,ALD):先切除大鼠單側(cè)腎,皮下植入含有溶于載體的ALD的微量滲透泵,ALD的釋放速率為 0.75 μg/h,飲水中加入 1%NaCl,第 6周出現(xiàn) MF[20]。
外源性誘導(dǎo)模型復(fù)制率較高,近100%,死亡率低,尤其適于研究RAAS中不同環(huán)節(jié)的作用機(jī)制,可用于探討AngⅡ、ALD與MF發(fā)生發(fā)展的相關(guān)性,是篩選以RAAS作為靶點(diǎn)的抗MF藥物的良好模型。但其成本高,應(yīng)用較少。
免疫損傷誘導(dǎo)的MF模型是通過(guò)自身抗原激發(fā)機(jī)體的自身免疫反應(yīng),造成心肌炎性損傷,最終發(fā)展為MF。主要模型有心肌自身抗原誘導(dǎo)模型和回輸激活的自身免疫細(xì)胞誘導(dǎo)模型。
2.1 心肌自身抗原誘導(dǎo)模型
2.1.1 心肌肌凝蛋白(cardiac myosin,CM)誘導(dǎo)模型 CM是一種重要的心肌自身抗原。有學(xué)者從豬心肌中提取并純化CM,與等體積完全弗氏佐劑(complete Freund's adjuvant,CFA)混合形成乳濁液,于Lewis大鼠的雙側(cè)后肢足墊區(qū)多次注射[21-22],結(jié)果顯示:初次免疫后第18天呈現(xiàn)急性期表現(xiàn),主要以心肌炎性細(xì)胞浸潤(rùn)為特征;第30天呈現(xiàn)亞急性期表現(xiàn),炎癥逐漸消退;第49天呈現(xiàn)慢性期擴(kuò)張型心肌病(dilated cardial myopathy,DCM)的表現(xiàn),出現(xiàn)心肌間質(zhì)和血管周圍廣泛的纖維化,常累及左心室心內(nèi)膜下層[22]。
CM誘導(dǎo)模型成功率高、死亡率低、模型穩(wěn)定、病變典型,早期以心肌損害和炎性細(xì)胞浸潤(rùn)為特征,后期發(fā)生MF,其與人類病毒性心肌炎的損傷過(guò)程極其相似,是研究心肌炎所致MF的代表模型。其不足之處在于CM的提取制備極其復(fù)雜,難度較大,局限了該模型的廣泛應(yīng)用。
2.1.2 CM抗原表位誘導(dǎo)模型 將人工合成的CM分子614~627位多肽,與等體積CFA混合形成乳濁液,于Balb/c小鼠雙側(cè)腋下和腹股溝分3次注射[23],結(jié)果顯示:初次免疫后第14天,心肌細(xì)胞損傷,局部出現(xiàn)炎性細(xì)胞浸潤(rùn);第21天,心肌細(xì)胞損傷與炎癥浸潤(rùn)更加嚴(yán)重;第60天,炎癥基本消退,心肌組織膠原容積分?jǐn)?shù)和心肌膠原蛋白含量均顯著升高,呈現(xiàn)出明顯的心肌細(xì)胞間纖維化和血管周圍纖維化[24]。
CM抗原表位誘導(dǎo)模型針對(duì)性強(qiáng),準(zhǔn)確定位了CM的作用片段,進(jìn)一步明確其作用機(jī)制,且操作簡(jiǎn)便,是研究心肌炎導(dǎo)致的MF的良好模型。
2.1.3 心肌C蛋白抗原表位誘導(dǎo)模型 心肌C蛋白是CM結(jié)合蛋白的一種,位于CM表面,具有更強(qiáng)誘導(dǎo)心肌炎的作用。將重組C蛋白片段(317~647)與等體積CFA混合形成乳濁液,于Lewis大鼠雙側(cè)后肢足墊區(qū)單次注射,結(jié)果顯示:免疫后第2周以急性、彌散性炎癥浸潤(rùn)為主;第4周以纖維瘢痕形成為主要病理表現(xiàn);第6周進(jìn)入DCM階段,以心肌細(xì)胞間纖維化較為突出,同時(shí)累及肌內(nèi)膜和肌束膜,間質(zhì)性纖維化可與微小修復(fù)性纖維化連接成網(wǎng)狀。心內(nèi)膜出現(xiàn)普遍性或局限性增厚,彈力纖維和膠原蛋白含量增多[25]。
心肌C蛋白抗原表位誘導(dǎo)模型心肌炎癥反應(yīng)劇烈,MF程度嚴(yán)重,免疫后第50天有75%的大鼠死于心力衰竭,剩余存活的100%發(fā)展為DCM。因其病死率高,不適用于觀察時(shí)點(diǎn)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)[26]。
2.2 回輸激活的自身免疫細(xì)胞誘導(dǎo)模型
2.2.1 回輸自身免疫性CD4+T淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)模型從CM抗原表位誘導(dǎo)的EAM大鼠體內(nèi)提取出自身免疫性CD4+T淋巴細(xì)胞,將其在體外培養(yǎng)后通過(guò)尾靜脈輸入正常的Lewis大鼠體內(nèi),結(jié)果顯示:它可以引發(fā)心肌的持續(xù)性炎癥反應(yīng)以及心肌細(xì)胞的凋亡損傷,6個(gè)月后大鼠心肌發(fā)生嚴(yán)重纖維化并伴有心室擴(kuò)張和心肌肥大,其病理表現(xiàn)類似人類DCM的表現(xiàn)[27]。該模型病變程度較輕,誘導(dǎo)MF發(fā)生的時(shí)間較長(zhǎng),且操作繁瑣,因此應(yīng)用較少。
2.2.2 回輸刺激活化的自身樹突狀細(xì)胞誘導(dǎo)模型通過(guò)脂多糖和CD40激活物活化樹突細(xì)胞(dendritic cell,DC)表面的Toll樣受體和CD40受體,以激活小鼠DC,然后輸入正常Balb/c小鼠體內(nèi)。載有CM抗原表位多肽并活化后的DC可直接引起大量CD4+T淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)小鼠心肌,并可在短時(shí)期內(nèi)發(fā)生MF的病理改變,最終發(fā)展為類似人類的DCM[28]。該模型操作繁瑣,影響因素多,因此應(yīng)用較少。
缺血誘導(dǎo)的MF模型是通過(guò)造成心肌缺血壞死,激活多種體液因子,間接激活RAAS,最終導(dǎo)致MF的發(fā)生。主要模型有冠狀動(dòng)脈結(jié)扎模型、藥物誘導(dǎo)模型、自發(fā)性壞死模型。
3.1 冠狀動(dòng)脈結(jié)扎模型 冠狀動(dòng)脈結(jié)扎模型即于大鼠第3、4肋間隙鈍性分離肌層,打開胸腔,剪開心包,擠出心臟。距離左心耳尖端約2 mm水平,結(jié)扎左冠狀動(dòng)脈前降支,根據(jù)體表心電圖Ⅱ?qū)?lián)R波高尖、ST段抬高判斷結(jié)扎成功。結(jié)果顯示:結(jié)扎后第4~7天梗死灶周邊即有活躍的肌成纖維細(xì)胞和成纖維細(xì)胞增生;2~3周進(jìn)入修復(fù)性纖維化階段;第4周形成肉眼可見的瘢痕[29]。該模型能完整模擬心肌梗死后MF的急性期、代償期,是研究心梗繼發(fā)MF的最適模型。但其手術(shù)創(chuàng)傷大,操作難度高,模型存活率僅為 66.7%[30]。
3.2 藥物誘導(dǎo)模型
3.2.1 異丙腎上腺素(isoproterenol,ISP)誘導(dǎo)模型ISP屬于兒茶酚胺類物質(zhì),參與MF的形成過(guò)程,可造成多發(fā)性灶狀心肌壞死并發(fā)展為MF。大鼠皮下注射ISP水溶液,每日1次,每次劑量為1~10mg/kg,連續(xù)注射2d,末次注射后48h取出心臟,即可觀察到邊界清晰的心肌壞死灶。首次注射后第3天病灶內(nèi)即可出現(xiàn)成纖維細(xì)胞增生;第7天病灶內(nèi)成纖維細(xì)胞顯著增多,病灶外亦可見增生的成纖維細(xì)胞;第3周心肌膠原含量明顯增高[31]。其機(jī)制為:ISP激活RAAS,血漿 AngⅡ水平明顯增加,并進(jìn)一步刺激TGF-β1 mRNA 表達(dá),誘導(dǎo) TGF-β1蛋白合成增加,最終促進(jìn)MF的發(fā)生發(fā)展。此方法相對(duì)無(wú)創(chuàng),動(dòng)物死亡率低,但與人類心梗繼發(fā)MF的病理過(guò)程有一定差異,故局限了其應(yīng)用[32]。
3.2.2 垂體后葉加壓素誘導(dǎo)模型 垂體后葉加壓素具有強(qiáng)烈收縮冠脈血管的作用,大劑量可引起心肌缺血缺氧性壞死,最終發(fā)展為MF。但是對(duì)于不同的動(dòng)物個(gè)體,加壓素造成心肌壞死的病灶范圍和數(shù)量差異較大,造成的心肌損害不穩(wěn)定,因而未被廣泛應(yīng)用[33]。
3.3 自發(fā)性壞死模型 1965年,在敘利亞金色倉(cāng)鼠發(fā)現(xiàn)一種遺傳性壞死性心肌病?;即瞬〉膫}(cāng)鼠于出生后30~60 d,出現(xiàn)心肌細(xì)胞變性、鈣鹽沉著、灶狀壞死;60~90 d出現(xiàn)MF;90~150 d出現(xiàn)心室擴(kuò)張、心肌肥厚,最終發(fā)展為充血性心力衰竭。后來(lái)人們針對(duì)這類心肌病培育出 BIO14.6、BIO50.54、BIO82.62、BIO53.58、UM-X7.1 等品種。自發(fā)性壞死性心肌病倉(cāng)鼠的MF及心室重構(gòu),與人類DCM相類似,是較為穩(wěn)定的MF模型[34]。
大鼠經(jīng)腹腔一次性注射鏈脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)60mg/kg,7d后測(cè)定血糖≥16.7 mmol/L 為STZ誘導(dǎo)有效。結(jié)果顯示:注射STZ后第3個(gè)月,心肌膠原含量增多、比例失調(diào)、排列紊亂,以心肌細(xì)胞間和血管周圍纖維化為主,造成心肌僵硬度增加,順應(yīng)性下降,心臟舒縮功能障礙。其中Ⅰ型膠原蛋白在心肌細(xì)胞的彌漫性、廣泛性表達(dá)隨病程逐漸增多;Ⅲ型膠原蛋白表達(dá)先有增加,6個(gè)月后表達(dá)開始減少,且與TGF-β1的消長(zhǎng)成正比[35]。此模型MF的發(fā)生發(fā)展是由糖、脂及能量代謝紊亂,RAAS激活,炎癥反應(yīng),細(xì)胞外基質(zhì)增生,鈣轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制異常,心肌細(xì)胞的氧自由基清除的異常,心肌細(xì)胞凋亡等多因素協(xié)調(diào)作用導(dǎo)致的。該模型心肌病理改變符合人類糖尿病心肌病特征,且模型穩(wěn)定,復(fù)制成功率為81.4%,可作為研究糖尿病所致心肌病的理想模型[36]。
建立MF模型后,如何評(píng)價(jià)該模型尤為重要。我們主要通過(guò)以下幾個(gè)方面觀測(cè)與評(píng)價(jià)MF模型:①病理學(xué)檢查,是評(píng)價(jià)MF模型的“金指標(biāo)”,通常采用Masson三聯(lián)染法[37-38]或飽和苦味酸天狼星紅染色法[39-40],觀察MF病理改變;②心功能檢測(cè),是評(píng)價(jià)心肌損傷程度和心臟結(jié)構(gòu)改變的重要方法,通常采用心臟彩超技術(shù)檢測(cè)左心室舒張末內(nèi)徑、左心室收縮末內(nèi)徑、室間隔厚度、左心室后壁厚度、射血分?jǐn)?shù)、室間隔運(yùn)動(dòng)幅度等指標(biāo),并計(jì)算左室短軸縮短率[41];插管至左心室腔,連接壓力換能器,記錄左室壓力曲線,獲得左心室收縮壓峰值、左心室舒張末壓、等容期內(nèi)左心室壓力最大變化速率等指標(biāo)[42]。③血清生化指標(biāo)檢測(cè),是評(píng)價(jià)MF程度的輔助方法,采用ELISA法檢測(cè)血清Ⅰ型前膠原羧基端肽、Ⅲ型前膠原羧基端肽的含量[43];用放射免疫分析法檢測(cè)血清透明質(zhì)酸、層粘連蛋白的含量[44]。
對(duì)不同因素誘導(dǎo)的MF動(dòng)物模型的研究經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程,與其相伴的是對(duì)MF致病誘因和發(fā)病機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。但是仍存在一些問題:①不同原因誘導(dǎo)的MF動(dòng)物模型,其發(fā)病機(jī)制和病理特征的異同點(diǎn)有待闡明;②在 MF發(fā)生發(fā)展過(guò)程中,RAAS、膠原生成與降解系統(tǒng)以及多種心血管活性物質(zhì)、細(xì)胞因子等處在一個(gè)復(fù)雜的體系,它們的網(wǎng)絡(luò)性調(diào)節(jié)作用有待進(jìn)一步說(shuō)明。③MF的模型評(píng)價(jià)尚未有明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),因此模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚需優(yōu)化。④MF作為一種病理改變,可見心臟形態(tài)、結(jié)構(gòu)及功能上的變化,而大鼠與MF相關(guān)的生物信息學(xué)研究尚未見報(bào)道。⑤各種模型的長(zhǎng)期MF改變尚需進(jìn)一步觀察。⑥有關(guān)MF基因敲除模型的研究較少,仍需進(jìn)一步探索。
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