射血分?jǐn)?shù)保留心力衰竭的動(dòng)物模型*

李 欣， 馬文瑞， 邱志華， 周子華

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院心內(nèi)科，武漢 430022

射血分?jǐn)?shù)保留心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)是指具有心力衰竭(心衰)的癥狀和體征，同時(shí)左室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)≥50%的復(fù)雜臨床綜合征[1]。中國心衰注冊中心研究分析我國2017～2018年住院的心衰患者，發(fā)現(xiàn)此1年內(nèi)因?yàn)樾乃プ≡旱幕颊弑壤秊?2.8%，其中HFpEF患者占總心衰住院患者的43.0%[2]。HFpEF是由一系列的高危因素和合并癥作用于心臟而導(dǎo)致，包括衰老、高血壓、糖尿病和肥胖等[3]，其病理生理機(jī)制和臨床特點(diǎn)具有高度異質(zhì)性，發(fā)病機(jī)制尚不清楚，可能是由于以上因素引起心臟血管內(nèi)皮功能異常、氧化應(yīng)激、炎癥等，引起心肌肥厚、心臟纖維化，進(jìn)而發(fā)生心臟順應(yīng)性下降、心室舒張功能障礙，最終引起HFpEF[4]。目前臨床尚無特異性治療HFpEF的藥物，并且大部分對射血分?jǐn)?shù)降低心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)治療有效的藥物對HFpEF療效不佳[5]。因此，當(dāng)前迫切需要適合的動(dòng)物模型來研究HFpEF的發(fā)病機(jī)制以及有效的治療策略。本文綜述了目前常用于研究HFpEF的4類動(dòng)物模型，即高血壓模型、肥胖和糖尿病模型、衰老模型及“多重打擊”模型，分析其成模效果，并與臨床上HFpEF對比，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 高血壓模型

高血壓是HFpEF發(fā)生的主要危險(xiǎn)因素之一，是我國心衰住院患者最常見的病因，占比54.6%[2]。血壓升高引起心臟后負(fù)荷增加，通過腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)、交感神經(jīng)系統(tǒng)、細(xì)胞外/細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路改變等造成心肌肥厚、心臟纖維化，從而導(dǎo)致心臟舒張功能障礙，最終引起HFpEF[6]。

1.1 主動(dòng)脈縮窄模型

主動(dòng)脈縮窄(TAC)模型是一種通過外科手術(shù)結(jié)扎主動(dòng)脈弓慢性誘導(dǎo)左室壓力超負(fù)荷，進(jìn)而引起心肌肥厚的HFpEF模型。該模型的疾病進(jìn)展過程取決于所選的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物品種、年齡、性別以及結(jié)扎的程度，TAC小鼠模型最早可在造模后7 d出現(xiàn)心肌肥厚[7]，造模4周后出現(xiàn)失代償性心衰[8]；TAC大鼠模型中這個(gè)過程則更緩慢一些，但最終都會(huì)進(jìn)展為HFrEF。TAC模型緩慢刺激心臟使其從代償性心肌肥厚進(jìn)展到HFpEF[9]，雖然這個(gè)過程與人類HFpEF的發(fā)生相似，但是其晚期從HFpEF進(jìn)展到HFrEF的過程在人類HFpEF中是不典型的[10]。因此，在選擇該模型進(jìn)行HFpEF研究時(shí)，應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇和實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)。

1.2 血管緊張素Ⅱ模型

血管緊張素Ⅱ(ANGⅡ)是RAAS的主要效應(yīng)分子，可使全身小動(dòng)脈收縮而升高血壓[11]。目前已有許多實(shí)驗(yàn)在不同時(shí)間內(nèi)(2～8周)[12-13]對6～8周齡的雄性小鼠皮下滲透泵注射不同劑量[0.2～3.2 mg/(kg·d)][13-14]的ANGⅡ，心臟超聲和壓力容積曲線均提示舒張功能障礙。通過比較以上不同實(shí)驗(yàn)周期和不同給藥劑量的ANGⅡ模型，發(fā)現(xiàn)血壓升高與否與ANGⅡ的給藥劑量有關(guān)，但心臟舒張功能的降低并不依賴于血壓的升高。由于該模型使用的ANGⅡ劑量、造模周期以及造模的效果有較大的差異，因此實(shí)驗(yàn)者需根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜ミx擇適合的劑量和周期。此外，該模型中使用的ANGⅡ的劑量遠(yuǎn)超循環(huán)中ANGⅡ的生理水平。因此，該模型是否可以模擬臨床HFpEF還需要進(jìn)一步證實(shí)。

1.3 醛固酮+單側(cè)腎切除模型

醛固酮+單側(cè)腎切除模型采用皮下滲透泵注射醛固酮聯(lián)合單側(cè)腎切除，并用1%的氯化鈉飲水喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物4周造成血壓升高；此外，該模型動(dòng)物還有肺淤血和運(yùn)動(dòng)耐量下降的表現(xiàn)[15]；超聲提示舒張功能相關(guān)指標(biāo)異常，LVEF正常[16]。與臨床情況相比，動(dòng)物模型中的醛固酮的上升水平與人類HFpEF上升水平相仿[17]。同時(shí)單側(cè)腎切除可以使實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處于慢性腎臟病(CKD)的狀態(tài)[18]，而CKD是HFpEF常見的非心腦血管疾病合并癥[2]。該模型通過模擬臨床中HFpEF的兩種常見合并癥來誘導(dǎo)HFpEF的產(chǎn)生，更符合疾病的發(fā)展規(guī)律，但目前該模型用于HFpEF研究的周期都比較短，該模型長期的穩(wěn)定性和變化尚不清楚。

1.4 Dahl鹽敏感大鼠模型

Dahl鹽敏感大鼠(DSSR)是Sprague-Dawley大鼠的一個(gè)突變品系，對鹽高度敏感。用高鹽(8%氯化鈉)喂養(yǎng)6～8周齡的DSSR可誘導(dǎo)其血壓升高，并伴有肺淤血和運(yùn)動(dòng)耐量下降的表現(xiàn)；超聲和壓力容積曲線提示舒張功能障礙以及心室肥厚，LVEF正常[19]。高鹽飲水喂養(yǎng)7周齡和8周齡的DSSR則會(huì)分別建立不同的心衰模型，高鹽喂養(yǎng)7周齡的DSSR，其血壓急劇上升、左室進(jìn)行性肥厚，并在19周有顯著的HFpEF表現(xiàn)；而高鹽喂養(yǎng)8周齡的DSSR，其血壓升高較平緩、左室進(jìn)行性肥厚較輕，并在26周發(fā)展為HFrEF[20]。然而，DSSR模型動(dòng)物有非常高的收縮壓(>175 mmHg，即23.275 kPa)，這與人類HFpEF的血壓改變不相符，臨床上HFpEF患者的血壓通常只是輕、中度升高[21]。在利用DSSR建立HFpEF模型時(shí)，應(yīng)注意DSSR的周齡以及干預(yù)的時(shí)間，否則該HFpEF模型將進(jìn)展為HFrEF模型。

1.5 醋酸去氧皮質(zhì)酮-鹽高血壓模型

醋酸去氧皮質(zhì)酮(DOCA)-鹽高血壓模型是一種典型的藥物誘發(fā)高血壓模型。對6～10周齡的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行單側(cè)腎切除手術(shù)，手術(shù)1周后通過腹腔注射或者皮下注射DOCA 4周，同時(shí)用1%的氯化鈉飲水喂養(yǎng)，誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物產(chǎn)生高血壓，但沒有肺淤血的表現(xiàn)[22]；超聲和壓力容積曲線提示舒張功能障礙，LVEF保留[23]。DOCA-鹽大鼠有心肌肥厚的表現(xiàn)，但血壓無顯著變化或者輕度升高[24]，這與其他心肌肥厚的大鼠模型所表現(xiàn)出來的反應(yīng)不同[25]。因此，DOCA-鹽大鼠模型是否能夠代表高血壓誘導(dǎo)的HFpEF仍待討論。

1.6 自發(fā)性高血壓大鼠模型

自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)是一種易患高血壓的近交品系，表現(xiàn)出與人類原發(fā)性高血壓相似的疾病過程[26]；除此之外，SHR模型避免了外科手術(shù)和藥物誘導(dǎo)帶來的一系列并發(fā)癥。與人類不同的是，高血壓可較早出現(xiàn)于SHR(出生后12個(gè)月內(nèi))；但人類原發(fā)性高血壓的發(fā)生則主要集中在中老年人群[27]。在18～24個(gè)月后，超過一半的SHR進(jìn)展為失代償性心肌肥厚，同時(shí)有左室擴(kuò)張和LVEF顯著下降的表現(xiàn)[28]。因此，除了造模周期長之外，SHR模型最終進(jìn)展為HFrEF也限制了其在HFpEF研究中的應(yīng)用。

2 肥胖和糖尿病模型

代謝紊亂是HFpEF發(fā)生的另一主要危險(xiǎn)因素，主要包括肥胖和糖尿病。我國心衰住院患者中HFpEF患者的平均體重指數(shù)在24.2 kg/m2，其中合并有糖尿病者占28.5%[2]。肥胖會(huì)增加患高血壓、糖尿病、血脂異常的風(fēng)險(xiǎn)[29]。系統(tǒng)性的胰島素抵抗和高血糖會(huì)誘發(fā)心臟的胰島素抵抗和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、交感神經(jīng)系統(tǒng)、細(xì)胞因子的失衡，從而引起心肌肥厚、心臟纖維化，進(jìn)而損傷心臟的舒張功能，最終引起HFpEF[30]。

2.1 db/db小鼠模型

db/db小鼠編碼瘦素受體的基因發(fā)生點(diǎn)突變，從而導(dǎo)致瘦素受體缺陷，能自發(fā)地產(chǎn)生病態(tài)性肥胖同時(shí)伴隨嚴(yán)重的高血糖、胰島素抵抗和胰島素分泌缺陷，與人類2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制相似[31]。隨著年齡的增長，12周齡的db/db小鼠開始出現(xiàn)心臟舒張功能障礙，病理表現(xiàn)還有心肌毛細(xì)血管密度減低和肺淤血[32-33]。此外，有顯著的運(yùn)動(dòng)耐量下降表現(xiàn)；在6月齡時(shí)，小鼠的心臟收縮功能仍維持正常[34]。在db/db小鼠體內(nèi)，利鈉肽的水平是下降的，這與人類肥胖相關(guān)的HFpEF患者循環(huán)中的利鈉肽水平的改變一致[35]。因此，該模型適用于合并肥胖和2型糖尿病的HFpEF研究。

2.2 鏈脲霉素大鼠模型

鏈脲霉素(STZ)是一種對胰島β細(xì)胞具有選擇性毒性作用的物質(zhì)，可導(dǎo)致胰島素分泌減少和高血糖，進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生1型或2型糖尿病。STZ誘導(dǎo)糖尿病的類型取決于注射STZ的劑量和持續(xù)注射的時(shí)間，高劑量的STZ會(huì)導(dǎo)致1型糖尿病，多次低劑量注射STZ會(huì)導(dǎo)致2型糖尿病[36]。STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠表現(xiàn)出許多與人類1型和2型糖尿病相似的心血管系統(tǒng)的改變，但血壓保持在正常水平[37]。將它用于研究心血管系統(tǒng)疾病和HFpEF的模型有一定的局限性，一是因?yàn)楝F(xiàn)有研究表明STZ誘導(dǎo)的糖尿病模型所產(chǎn)生的心血管系統(tǒng)改變部分是由于STZ藥物本身導(dǎo)致[38]；二是因?yàn)長VEF的變化在這個(gè)模型中并不穩(wěn)定，有的實(shí)驗(yàn)中，LVEF是保留的[39]，但有的實(shí)驗(yàn)中，LVEF會(huì)隨著糖尿病的進(jìn)展而降低[40]。

3 衰老模型

衰老是人類多種疾病發(fā)生的重要危險(xiǎn)因素。根據(jù)我國心衰住院患者流行病學(xué)調(diào)查顯示，在超過75歲的住院心衰患者中，HFpEF占比47.1%，超過了HFrEF和射血分?jǐn)?shù)輕度降低心衰(HFmrEF)的患者比例[2]。衰老主要在改變心肌的被動(dòng)張力和心肌細(xì)胞的主動(dòng)舒張能力方面起作用，其機(jī)制可能與線粒體氧化應(yīng)激有關(guān)[41]。

3.1 Fisher 344衰老大鼠模型

Fisher 344衰老大鼠模型能夠模擬出包括心臟在內(nèi)的多種器官衰老的病理生理機(jī)制。22月齡的Fisher 344衰老大鼠表現(xiàn)出輕微的、進(jìn)行性的左室舒張功能異常[42]；到25月齡時(shí)，出現(xiàn)明顯的肺淤血表現(xiàn)，同時(shí)左室收縮功能也明顯下降[43]。Fisher 344衰老大鼠也有顯著的心臟病理表現(xiàn)，如心臟離心性肥厚和左室擴(kuò)張，但這些病理表現(xiàn)在HFpEF中并不常見，因此也限制了該模型在HFpEF研究中的使用。

3.2 FVB/N小鼠衰老模型

FVB/N小鼠是一種近交系老鼠，超過12月齡的雄性FVB/N小鼠心臟超聲E/A比值下降，提示心臟舒張功能異常，但組織多普勒超聲E/E’比值正常；而12月齡及以上的雌性FVB/N小鼠心臟超聲以上兩個(gè)指標(biāo)均正常，提示心臟舒張功能無明顯改變[44]。這種心臟舒張功能在性別中的差異與人類相反，人類HFpEF中女性患者比例更高。

3.3 自發(fā)性易衰老小鼠(SAMP)模型

SAMP小鼠在10～14月齡即表現(xiàn)出衰老的特征，其中SAMP8最適合用于衰老相關(guān)的心血管疾病研究，它在衰老過程中表現(xiàn)出心臟功能異常和心臟重塑，其心臟舒張功能的改變不依賴于血壓的升高，同時(shí)心臟收縮功能得以保留[45]。但目前運(yùn)用該模型進(jìn)行HFpEF相關(guān)研究的報(bào)道太少，無更多的數(shù)據(jù)可供參考。

4 “多重打擊”模型

HFpEF患者常合并以下幾種疾?。焊哐獕?、糖尿病、肥胖、高脂血癥，并且衰老也是HFpEF的高危因素之一[46]。因此，心室舒張功能障礙且同時(shí)存在一種或者多種合并癥才是最契合臨床HFpEF的動(dòng)物模型[47]?！岸嘀卮驌簟?multi-hit)模型即在一個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)，同時(shí)建立多種疾病模型，如高血壓、肥胖、糖尿病，通過多種疾病和危險(xiǎn)因素的聯(lián)合作用導(dǎo)致心臟的舒張功能障礙，最終引起HFpEF。

4.1 Zucker自發(fā)性高血壓肥胖大鼠模型

Zucker自發(fā)性高血壓(ZSF1)大鼠是雌性Zucker糖尿病肥胖大鼠和雄性自發(fā)性高血壓心衰大鼠的一個(gè)雜交品系[48]。其中ZSF1-肥胖大鼠在10周齡后有高血壓和心室肥厚的表現(xiàn)，同時(shí)有2型糖尿病和代謝紊亂的表現(xiàn)，在14～18周齡出現(xiàn)舒張功能障礙加重伴肺淤血，心臟收縮功能保留[49]。目前國內(nèi)使用ZSF1大鼠用于相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道很少[50]，該品系的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在國內(nèi)較難獲得，因此要開展ZSF1相關(guān)的HFpEF研究的成本和難度也會(huì)相應(yīng)增加。

4.2 “兩重打擊”模型

“兩重打擊”模型(“2-hit”model)是最近研究報(bào)道的一種無創(chuàng)的非轉(zhuǎn)基因HFpEF模型。Schiattarella等[51]根據(jù)人類HFpEF的常見合并癥，研究出一種同時(shí)有高血壓和肥胖的動(dòng)物模型。通過不限量給予高脂飲食和一氧化氮合酶抑制劑飲水，5周后超聲和壓力容積曲線均表明小鼠心臟的舒張功能障礙，同時(shí)伴隨肺淤血和運(yùn)動(dòng)耐量下降；15周后，HFpEF的癥狀和體征明顯進(jìn)展。除此之外，該“2-hit”模型還能誘導(dǎo)出心臟的炎癥、纖維化、心肌細(xì)胞肥厚、能量代謝重構(gòu)，很好地模擬出人類HFpEF的病理表現(xiàn)，并且Schiattarella等也做了該模型的長期(50周)觀察，模型組與對照組LVEF的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，該模型作為研究HFpEF的動(dòng)物模型，有較強(qiáng)的可操作性和較好的穩(wěn)定性且造模成本低。

4.3 “三重打擊”模型

“三重打擊”模型(“3-hit”model)，是在高血壓和代謝紊亂的基礎(chǔ)上，將衰老這一因素應(yīng)用到模型中。鄧燕等[52]通過高脂飲食喂養(yǎng)3月齡的小鼠13個(gè)月，在喂養(yǎng)的最后1個(gè)月腹腔注射去氧皮質(zhì)酮新戊酸酯(DOCP，75 mg/kg)加重高血壓和系統(tǒng)性炎癥，從而建立“3-hit”的HFpEF模型。該模型很好地模擬出了HFpEF的多種病理特點(diǎn)，并且有運(yùn)動(dòng)耐量下降的表現(xiàn)，同時(shí)超聲和壓力容積曲線都表明存在舒張功能障礙，且LVEF正常。相比于“兩重打擊”模型，該模型將衰老這一高危因素運(yùn)用到模型中，更加接近臨床HFpEF，但造模周期長可能會(huì)限制該動(dòng)物模型的應(yīng)用。此外，Withaar等[53]創(chuàng)立了一種“multi-hit”HFpEF模型，連續(xù)高脂喂養(yǎng)18～22月齡的雌性C57BL/J小鼠12周，在高脂喂養(yǎng)8周后，通過皮下微型泵注射4周ANGⅡ[1.25 mg/(kg·d)]建立“multi-hit”HFpEF模型，成功建立起同時(shí)具有高血壓、肥胖、2型糖尿病以及衰老的HFpEF模型，與鄧燕等建立的“3-hit”模型[52]相比，該模型使用雌性小鼠，納入了人類HFpEF中女性這一危險(xiǎn)因素，因此更加接近HFpEF的臨床特點(diǎn)。

5 總結(jié)和展望

本綜述根據(jù)HFpEF合并的不同疾病，列舉了4類模型并總結(jié)了各自的特點(diǎn)(表1)。但由于HFpEF是一種具有高度異質(zhì)性的復(fù)雜疾病，目前尚無能夠完全模擬出人類HFpEF的動(dòng)物模型。動(dòng)物模型不僅是認(rèn)識(shí)疾病發(fā)病機(jī)制的渠道，并且能夠提供相關(guān)治療手段或者干預(yù)措施對于疾病進(jìn)展、預(yù)后和相關(guān)并發(fā)癥影響的信息。目前對于HFpEF的研究，既要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇已有的合適模型進(jìn)行發(fā)病機(jī)制的研究以及有效治療藥物研發(fā)，也要?jiǎng)?chuàng)造出更多更加契合臨床HFpEF的動(dòng)物模型。

表1 射血分?jǐn)?shù)保留心力衰竭動(dòng)物模型的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 The advantages and disadvantages of animal models of HFpEF

續(xù)表1