游月婷 黃剛 張小剛 張亞麗 鄧自剛 屈樹新 靳忠民 徐俊波

(1.成都市第三人民醫(yī)院心內(nèi)科 西南交通大學(xué)附屬醫(yī)院 西南交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，四川 成都610031；2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都610031；3.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都610031；4.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610031)

心力衰竭(心衰)是一種復(fù)雜的臨床綜合征，是各種心臟疾病的嚴(yán)重表現(xiàn)或晚期階段，其死亡率和再住院率居高不下[1]。發(fā)達(dá)國家的成人心衰患病率為1%～2%，在中國35～74歲人群心衰患病率約為0.9%[2]。而動物模型作為研究心衰的重要載體，能在研究心衰的潛在病理生理機制和治療手段中發(fā)揮重要作用。現(xiàn)對目前常用的不同病因所致的心衰動物模型做一綜述。

1 心衰模型常用動物

心血管研究中常用的動物有大小鼠、家兔、犬、豬和綿羊。常用動物大小鼠和家兔具有價格便宜、安置方便和孕期短的優(yōu)點；豬、犬和綿羊的心血管系統(tǒng)與人類更相似，是心臟研究的理想模型，但獲取、安置困難并且孕期長。

2 心衰建模方法

心衰有多種不同的表型和病因，涉及心肌收縮力異常、血流動力學(xué)改變、心室重塑、神經(jīng)體液激活和細(xì)胞因子過度表達(dá)等多個方面，研究人員常須根據(jù)具體研究來建立不同的動物模型。目前常用的有壓力負(fù)荷模型、容量負(fù)荷模型、缺血性模型、快速起搏模型、藥物誘導(dǎo)模型、轉(zhuǎn)基因型和遺傳型心衰模型。

2.1 壓力負(fù)荷心衰模型

主動脈縮窄(transverse aortic constriction，TAC)建立的心衰模型是研究壓力超負(fù)荷后心臟發(fā)生不良重構(gòu)的常用模型，其原理是將升主動脈或腹主動脈與縮窄環(huán)或注射針頭捆綁在一起造成主動脈狹窄。Eichhorn等[3]建立一種微創(chuàng)閉胸的TAC術(shù)式，在超聲協(xié)助下經(jīng)第二肋間外側(cè)手術(shù)入路結(jié)扎小鼠的主動脈弓，術(shù)后21 d小鼠的收縮壓、收縮末期容積以及舒張末期容積均顯著升高。與傳統(tǒng)TAC術(shù)式相比，該術(shù)式最大的優(yōu)點在于不切斷肋骨進行TAC，將手術(shù)創(chuàng)傷降到最低。TAC建立的心衰模型穩(wěn)定性較好，重復(fù)性較高，接近臨床上因主動脈狹窄導(dǎo)致的慢性心衰，缺點在于造模周期相對較長[4]。

肺動脈環(huán)縮術(shù)(pulmonary artery banding，PAB)的原理是手術(shù)縮窄肺動脈，使右心室后負(fù)荷增加，排血障礙，進而導(dǎo)致右心室肥厚并發(fā)展為右心衰。Ukita等[5]通過左肺動脈結(jié)扎結(jié)合進行性主肺動脈環(huán)扎誘導(dǎo)綿羊肺動脈高壓和右心室肥厚模型，該方法可根據(jù)動物的耐受性來調(diào)節(jié)右心室后負(fù)荷，動物急性死亡率低，模型重復(fù)性好，手術(shù)創(chuàng)傷小，建模過程持續(xù)60 d。

鹽負(fù)荷法通過模仿高血壓心臟病的病理過程來制作心衰模型，使其出現(xiàn)水鈉潴留，加重心臟前后負(fù)荷，高鹽飼料(8% NaCl)喂養(yǎng)大鼠8周可建立射血分?jǐn)?shù)保留性心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)動物模型[6]。該模型呈現(xiàn)慢性心衰的早期病理生理變化，操作簡單，價格便宜，缺點在于建模所需時間久。

2.2 容量負(fù)荷心衰模型

心臟瓣膜關(guān)閉不全和動靜脈瘺可致容量負(fù)荷(前負(fù)荷)增加。動靜脈瘺模型常選擇在腹主動脈和下腔靜脈、股動脈和股靜脈及頸動脈和頸內(nèi)靜脈間行造瘺術(shù)，使血液從動脈系統(tǒng)分流到靜脈系統(tǒng)，以增加回心靜脈血量和心臟前負(fù)荷，最終導(dǎo)致心力衰竭[7]。腹主動脈-腔靜脈分流術(shù)是一種簡單快速有效的術(shù)式，Yamamoto等[8]術(shù)中暴露腹主動脈及下腔靜脈，從腹主動脈進針，穿透腹主動脈與下腔靜脈的相鄰壁面，再封閉主動脈穿刺口，肉眼可見下腔靜脈內(nèi)的搏動性動脈血流是分流成功的標(biāo)志。術(shù)后數(shù)周內(nèi)動物出現(xiàn)失代償性心室肥厚及心功能下降[7]。這種模型的優(yōu)點在于操作簡單，適于研究舒張性心衰[9]，剖腹手術(shù)引起創(chuàng)傷性較大。

豬二尖瓣反流(mitral regurgitation，MR)模型是一種常見模型，經(jīng)心導(dǎo)管介入切斷二尖瓣腱索建立MR模型[10]。左心室前負(fù)荷突然增加，心臟無法適應(yīng)突然的血流動力學(xué)改變而發(fā)生急性心衰[11]。該模型適于研究急性心衰，但不適用于小動物。

2.3 缺血性心衰模型

心肌缺血或心肌梗死是致心衰的常見危險因素，通過結(jié)扎冠狀動脈左前降支可模擬缺血性心衰[12]。Chinyere等[12]通過左側(cè)開胸手術(shù)，將結(jié)扎帶固定在大鼠左冠狀動脈近端以進行閉塞，三周后的超聲心動圖篩查顯示心衰大鼠的左室射血分?jǐn)?shù)降低至40%以下。小動物心臟小、搏動快，肉眼難以辨認(rèn)左冠狀動脈，對操作者的水平要求高。

冠狀動脈微栓塞術(shù)利用導(dǎo)管介入技術(shù)將汞、塑料微球等栓塞物質(zhì)注入動物冠狀動脈，模擬慢性缺血性心衰的病理過程。Abukar等[13]在3周內(nèi)對綿羊進行連續(xù)3次栓塞術(shù)，將微球(45 μm，1.3 mL)注入左冠狀動脈近端或冠狀動脈左降支，12～14周后綿羊的射血分?jǐn)?shù)降低至45%以下。術(shù)后有明顯的左心室功能障礙、心室擴張、血管阻力增加及神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)激活[14]。該模型的優(yōu)點在于經(jīng)皮誘導(dǎo)冠狀動脈栓塞創(chuàng)傷小，反映心衰的自然病理變化和血流動力學(xué)變化；缺點在于確定栓塞冠狀動脈的精確長度及部位難度較大，僅適用于大動物，費用較高。

2.4 快速起搏心衰模型

快速起搏使心肌耗氧量增加，破壞鈣離子通道和細(xì)胞間質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致心室重塑誘發(fā)心衰。經(jīng)靜脈將起搏導(dǎo)線插入實驗動物的右心室心尖部，連接脈沖發(fā)生器，起搏頻率為180～240次/min，在3～5周內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生充血性心衰[15]，呈現(xiàn)出與人類心衰相似的血流動力學(xué)及神經(jīng)激素等方面的變化[15]?？焖倨鸩乃ツＰ瓦m用于大動物，建模方法簡單、創(chuàng)傷小、建模過程可控，但難以模擬充血性心衰的全部特點，與缺血性心衰和高血壓心臟病引起的組織結(jié)構(gòu)改變截然不同。

2.5 藥物誘導(dǎo)的心衰模型

目前常用的造模藥物有阿霉素和異丙腎上腺素(isoproterenol，ISO)，注入動物體內(nèi)會引起心臟損傷或心肌功能異常從而導(dǎo)致心衰。阿霉素是一種蒽環(huán)類化療藥物，是治療多種血液系統(tǒng)腫瘤和實體腫瘤的基礎(chǔ)藥物，其對心臟的毒性會導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷和心臟功能下降[16]。Lódi 等[17]經(jīng)大鼠尾靜脈注射1.5 mg/kg阿霉素，隨后大鼠射血分?jǐn)?shù)和心輸出量降低，左心室舒張末期和收縮期內(nèi)徑指數(shù)增加。左心室功能不穩(wěn)定是該模型的缺點，易導(dǎo)致致死性心律失常。

ISO是一種β-腎上腺素能受體激動劑，根據(jù)給藥劑量和時間可建立三種模型：低劑量ISO[0.3～6.0 mg/(kg·bw)]給藥1～3周可誘導(dǎo)以心肌纖維化和壞死為特征的心肌肥厚模型；中等劑量的ISO [10～85 mg/(kg·bw)]連續(xù)給藥兩次可建立急性心肌梗死模型；大劑量的ISO[150～300 mg/(kg·bw)]單次給藥即可誘導(dǎo)彌漫性的心肌壞死[18]。該方法建立心衰模型操作簡單、可重復(fù)性高、創(chuàng)傷小。

2.6 轉(zhuǎn)基因型和遺傳型心衰模型

轉(zhuǎn)基因動物模型可模擬人類疾病的基因型和表型，使人們能從細(xì)胞、組織、器官及全身水平了解疾病特異的心臟功能[19]。自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rat，SHR)是一種常用的遺傳性高血壓模型，用于模擬人類高血壓引發(fā)的心衰，以及研究從心臟重塑到心衰的轉(zhuǎn)變過程[14]。Jiang等[20]刪除出生后小鼠心肌細(xì)胞中的Rhau(一種具有G4分解酶活性的RNA結(jié)合蛋白)，Rhau缺乏的小鼠出現(xiàn)進行性心室重塑、心衰甚至死亡。轉(zhuǎn)基因模型能為心衰的基因治療提供理論基礎(chǔ)，但不能完全真實反映臨床患者的病因以及病理情況。

對不同心衰建模方法優(yōu)、缺點的比較見表1。

表1 不同心衰建模方法比較

3 不同病因心衰動物模型

3.1 缺血性心肌病

冠狀動脈狹窄引起部分心肌細(xì)胞缺血壞死，心肌缺血模型能再現(xiàn)冠心病患者心衰的發(fā)展過程，冠狀動脈結(jié)扎術(shù)最常用，冠狀動脈栓塞術(shù)次之，液壓封堵器或無氧環(huán)縮窄器以及冷凍損傷模型則少見[23]。

3.2 擴張型心肌病

擴張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)是最常見的遺傳性心肌病[24]，快速起搏法常用來建立DCM模型，以研究左室收縮功能障礙、心肌細(xì)胞收縮功能障礙和神經(jīng)激素激活[15]。研究人員利用重組酵母酶D-氨基酸氧化酶，快速、特異、可逆地控制心肌細(xì)胞中的氧化還原應(yīng)激反應(yīng)，成功建立DCM化學(xué)遺傳模型[25]。

3.3 糖尿病心肌病

糖尿病使患者發(fā)生心衰的風(fēng)險增加5倍，心血管并發(fā)癥是糖尿病患者高死亡率的主要原因[26]。鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)與葡萄糖結(jié)構(gòu)相似，對胰腺β細(xì)胞有毒性作用；腹腔注射后，STZ會被葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2轉(zhuǎn)運到胰腺β細(xì)胞，致其壞死[27]。OVE26小鼠是一種1型糖尿病模型，其胰腺β細(xì)胞過度表達(dá)鈣結(jié)合蛋白鈣調(diào)蛋白，致胰腺β細(xì)胞損傷[28]。高脂飲食可誘導(dǎo)肥胖、胰島素抵抗和2型糖尿病的動物模型[29]。

3.4 高血壓心臟病

高血壓是充血性心衰的相關(guān)因素，常將SHR作為研究高血壓心衰的動物模型，其病理學(xué)類似于人類原發(fā)性高血壓[30]。

3.5 肥厚型心肌病

肥厚型心肌病的動物模型可通過誘導(dǎo)甲亢性心肌病來建立。甲亢性心肌病是指過多的甲狀腺激素直接或間接作用于心臟而引起的心臟增大、心功能不全和心房顫動等一系列心血管疾病。連續(xù)腹腔注射100 μg左旋甲狀腺素28 d，可建立甲亢性心臟病心肌肥厚動物模型[31]。

3.6 瓣膜性心臟病所致心衰

二尖瓣反流模型可重現(xiàn)二尖瓣關(guān)閉不全引起的心衰[10]，主動脈縮窄術(shù)可模擬主動脈瓣狹窄導(dǎo)致的心衰[4]。

表2 不同病因心衰模型的選擇

4 不同表型心衰動物模型

HFpEF表現(xiàn)為舒張功能障礙，通常是慢病的結(jié)果，如高血壓、糖尿病、心房顫動、衰老、肥胖或腎功能障礙[32]。高血壓脫氧皮質(zhì)酮-醋酸脫氧皮質(zhì)酮-鹽處理豬是射血分?jǐn)?shù)保持不變的早期心衰模型，在該模型中，醋酸脫氧皮質(zhì)酮豬出現(xiàn)左心室向心性肥厚和左心房擴張，而安靜狀態(tài)下左室射血分?jǐn)?shù)和心衰癥狀無明顯變化[33]。

射血分?jǐn)?shù)降低性心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)則表現(xiàn)為收縮功能障礙，多種心臟疾病可導(dǎo)致HFrEF，包括冠心病和心肌病[34]。通過誘導(dǎo)這些疾病模型的病程進一步發(fā)展則可得到HFrEF模型[35]。

HFrEF和HFpEF模型已建立并優(yōu)化，但理想的中間范圍射血分?jǐn)?shù)心力衰竭模型尚待開發(fā)和建立。

5 器械及藥物研究中常用的動物模型

近年來，治療心衰的器械推陳出新，如心肌收縮調(diào)節(jié)器[36]、迷走神經(jīng)刺激系統(tǒng)[37]等。在器械研究中，大型動物常作為研究對象，冠狀動脈微栓塞術(shù)是最常用的造模技術(shù)，因其創(chuàng)傷小，能保留動物的胸腔解剖結(jié)構(gòu)，利于后期的設(shè)備植入[38]。藥物研究更傾向于性價比較高的小型動物，建模方式常根據(jù)具體研究選擇。

6 小結(jié)與展望

心衰的死亡率與再入院率不斷攀升，其治療是現(xiàn)在心血管領(lǐng)域的研究焦點和難點。而心衰動物模型作為研究心衰的重要載體，在研究治療心衰的藥物和器械方面是不可或缺的。不同心衰動物模型的心功能改變及機制各有不同，選擇合適的心衰模型是研究成功的前提，本文綜述了國內(nèi)外的多種用于研究心衰的動物模型，為各位同道提供參考。在研究目前常用的心衰動物模型時，也應(yīng)該發(fā)展更符合臨床需求的模型，來進一步探索心衰的發(fā)病機制以及病理生理學(xué)，并為研究心衰的新療法提供更好的平臺。