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HFpEF小鼠模型
HFpEF小鼠模型
影响因子：20.
时间：年12月
杂志：美国心脏病学会杂志
摘要
HFpEF的特征是左心室射血分数正常时出现心力衰竭的体征和症状。尽管HFpEF占所有心力衰竭临床表现的50%，但HFpEF的相关机制尚不清楚，因此排除了有效的治疗。HFpEF表型的病理生理异质性也导致了这种疾病，并可能导致缺乏循证治疗。人类样本的有限获取以及完全重现人类HFpEF表型的不完善的动物模型阻碍了我们对该疾病存在的机制基础的理解。老年和合并症如高血压、糖尿病和肥胖、房颤、肺动脉高压和肾功能不全与HFpEF高度相关，但它们之间的关系和作用仍不明确。本文讨论了与这些共病相关的HFpEF的一些独特的临床特征，并强调了用于研究HFpEF表型的常用小鼠模型的优缺点。
实验室模拟HFpEF：复杂疾病的不同表型
与分离器官和/或细胞制剂相反，动物模型允许检查心脏功能的生理效应。然而，寻找一种与人类HFpEF表型相似的动物模型类似于“一次捕鱼探险”，而对一个重现人类HFpEF的HFpEF动物模型的使用和全面描述阻碍了对HFpEF的理解。真正真实的HFpEF动物模型数量有限，在研究HFpEF的病理生理学和开发HFpEF的新疗法方面存在着很大的局限性。此外，如果在人类中定义HFpEF会引起争议，那么动物模型似乎也会效仿。动物不像人类，不能报告症状。LVEF、舒张功能不全和心脏结构可以直接测量，但体征必须从动物行为中推断出来。此外，与LVEF（收缩功能的单一测量）不同，还有其他左室收缩功能的测量方法，如心肌速度、张力和应变率（心肌收缩性的测量），这些在hfpef中可能受损。HFpEF是一种复杂的综合征，其病因和病理生理学途径是可变的，个体患者通过这些途径发展疾病。特定的共病以及衰老与HFpEF表型高度相关。鉴于这种异质性，任何动物模型都很可能只与一定比例的HFpEF患者相似。一个“理想”的动物模型应该满足模拟人类疾病的各种要求，包括心脏、血流动力学、神经激素和常见于HFpEF患者的外周异常。然而，与人类类似，“一刀切”的策略在动物模型中不太可能奏效。也就是说，共病对HFpEF的发生、发展和治疗的相对重要性尚不清楚。在实验室里需要一种更具针对性的方法来研究这种疾病的复杂相互作用。人类的HFpEF与高血压、肥胖和糖尿病等疾病密切相关，这些疾病本身常常作为代谢综合征的一部分同时出现。然而，这些共病之间有很多重叠，而且其中一个和另一个和HFpEF之间的直接因果关系尚未确定。如果这种因果关系能够被阐明，一个朝着开发靶向治疗的步骤可能就在眼前。动物模型的一个主要好处是，它更容易单独检查每一个危险因素的贡献，而不会有额外的并发症干扰研究结果。
在这篇综述中，我们考虑了一些现有的小鼠心肌肥大和心衰模型是否再现了人类HFpEF疾病。已经注意到这些表型特征，这些特征将描述“理想”HFpEF动物模型，如图1所示。尽管舒张功能不全是HFpEF表型概要的一部分，但它只是谜团的一部分。还必须确定与人类HFpEF有关的系统性改变的模型，这些包括外周功能损害，如运动不耐受、肺生理改变和心脏形态改变（如肥大、纤维化和毛细血管稀疏）。我们选择强调通过与人类HFpEF相关的最常见的共病诱发HFpEF的模型，尽管我们承认小鼠模型受共病的影响比患者小。
尽管超声心动图、成像和微纳计电导导管的最新技术进步极大地改善了啮齿类动物心脏功能的评估，但它们并不是HFpEF诊断的唯一方法，因为它们可能不能反映真正的心衰综合征。因此，应通过确定运动不耐受性来更准确地检测体内是否存在心衰。死后鉴别HFpEF的推荐方法是测定肺充血，可通过检查肺重量与胫骨长度的比值或肺湿干比进行评估。
一、老年HFpEF模型
根据弗雷明翰心脏研究和巴尔的摩老龄化纵向研究，即使没有临床高血压，左室肥厚的患病率也随着年龄的增长而增加。老年人舒张功能恶化，而静息的受试者左室射血分数相对保持不变。衰老主要在改变心肌的被动僵硬和心肌细胞的主动舒张特性方面发挥作用。老化期间外周血管系统、肺功能、氧转运和骨骼肌功能的改变也是人类HFpEF劳累和/或呼吸困难的关键决定因素。
小鼠和大鼠通常被用来研究衰老和与年龄有关的疾病。它们相对较短的寿命使它们比长寿的动物更容易和更具成本效益。小鼠心脏老化再现了人类观察到的许多变化，随着年龄的增长，左室肥大和舒张功能受损，收缩功能仅略有下降，但最大运动能力和耗氧量显著降低。同样，进行性心肌变性和纤维化在衰老大鼠中也有发生。与年龄相关的心肌结构和功能改变相关的机制包括心肌细胞增大，凋亡和坏死增加导致的心肌细胞数量减少，以及代偿性心肌重塑，伴有细胞外基质成分和心肌成纤维细胞数量和功能的改变。
a、Fischer大鼠Fisher衰老大鼠反映了包括心脏在内的各种器官衰老的病理生理学。在28个月至30个月大时，这些大鼠的心肌肥厚程度可与长期升主动脉缩窄引起的压力超负荷大鼠相媲美。这种心肌肥厚伴有左室扩张，在HFpEF中少见，并伴有广泛的间质纤维化，随后在36个月时心室肌细胞丢失。在22个月至30个月大的大鼠中，Fischer大鼠出现轻度、进行性左室舒张功能障碍，左室舒张功能受损，左室顺应性降低。运动不耐症也很明显。25个月大时肺充血明显，左室收缩功能轻度下降。虽然是先天性的，但心衰的迹象是明显的；偏心性肥大和左室扩张的发展使得Fisher大鼠作为HFpEF模型是有限的。
b、自发性衰老易感（SAMP）小鼠SAMP小鼠是一种自发衰老的模型，它表现出老年人常见的疾病，如神经退行性变或癌变。通过连续姊妹交配筛选出易衰老（SAMP）和对照抗衰老（SAMR）菌株。SAMR菌株表现出正常的衰老特征，而SAMP菌株表现出加速衰老和与年龄相关的病理表型，类似于人类的衰老障碍。SAMP小鼠的衰老特征发生在较年轻的年龄（10个月至14个月），与正常年龄小鼠（≥20个月）相比。SAMP8和SAMR1是有关心血管疾病的最佳研究菌株。SAMP8小鼠在衰老过程中表现出心脏功能障碍和不良的心脏重塑，有心肌细胞肥大和纤维化的证据。这些小鼠也会出现舒张功能不全，与血压变化无关。与SAMR1相比，SAMP8的收缩功能相似或稍有下降，但LVEF似乎保持不变。有证据表明这是舒张功能不全的一个模型；然而，没有研究描述HF或HFpEF的存在。
二、HFpEF患者的共病
1、高血压性HFpEF模型
全身性高血压是HFpEF中最重要的单一共病，大型对照试验、流行病学研究和HF登记报告的患病率为60%-89%。高血压是左室结构改变的主要决定因素。全身性高血压与左室肥厚的关系是众所周知的，中年高血压与老年左室肥厚相关。血压升高引起心肌细胞和成纤维细胞的变化，加速心脏重塑。此外，高血压会导致血管变化，如内皮功能障碍、冠状动脉储备血流量减少、毛细血管密度降低，所有这些都会导致供氧减少。系统性高血压还会导致动脉僵硬，从而对心脏施加不相称的负荷，导致心室血管解耦和后负荷不匹配。这些变化导致收缩和舒张功能受损。尽管舒张功能不全患者的血压降低是改善超声心动图参数的有效方法，但没有明确证据表明，在HFpEF中降低血压可以改善预后。此外，尽管高血压是HFpEF的主要危险因素，但高血压的“管理”（包括诊断、血压治疗和控制）并没有降低HFpEF的发病率或患病率。
如表2所示，高血压HFpEF小鼠模型具有人类HFpEF的许多特征。有各种各样的模型，大多数模型模拟了相关人类HFpEF疾病的某些方面，但没有一个模型能够概括所有的模型，尽管有些模型比其他模型更能概括。这些模型的一个主要缺陷是它们不能重现高血压患者的缓慢起病，从而导致HFpEF的发展。
高血压相关性人类HFpEF
输注醛固酮和单侧肾切除小鼠
血管紧张素II
Dahl（达尔）盐敏感大鼠（DSS大鼠）
脱氧皮质酮醋酸酯（DOCA）-盐性大鼠和小鼠
横向主动脉缩窄小鼠
高血压
是
是
是
是
是
疲劳/运动不耐受
是
N/A
是
N/A
是
肺充血
是
N/A
是
N/A
是
向心性肥厚或左室质量增加
是
是
是
是
是
主动舒张受损
是
是
是
是
是
被动充盈受损
是
是
是
是
是
左心房增大
N/A
N/A
是
N/A
是
心肌肥大
是
是
是
是
是
心肌纤维化
是
是
是
是
是
心肌内毛细血管密度降低
N/A
是
是
是
N/A
生物标志物增加，如NT-proBNP,BNP和肌钙蛋白
是
是
是
是
是
a、20多年前，输注醛固酮和单侧肾切除小鼠的开创性研究报告称，联合使用单肾切除术、醛固酮输注和1%氯化钠（NaCl）可诱导大鼠血压升高、心肌肥大和纤维化。这种效应在小鼠身上也有描述。在这个HFpEF模型中，循环醛固酮水平为～6.0到7.5ng/ml，与人类急性心衰中的循环醛固酮水平（平均18ng/ml）相当。小鼠接受单肾切除术和醛固酮输注4周，同时摄入1%氯化钠，出现中度高血压、向心性左室肥厚、肺充血和舒张功能障碍的超声心动图证据，同时维持正常/保留的LVEF。这些老鼠也表现出运动损伤。在分子水平上，这些小鼠的左心室组织显示利钠肽增加，心脏大小增加，以及titin转录变体n2ba和n2b的表达增加。Titin在hfpef和细胞外基质中起着关键作用。除了增加心肌氧化应激外，心肌细胞蛋白的表达也发生改变，这些蛋白在心脏的兴奋-收缩耦合过程中参与钙的动员。肌浆网Ca（2+）-腺苷三磷酸酶表达降低，蛋白激酶A（PKA）依赖性和钙调素依赖性蛋白激酶II（CAMKII）依赖性磷酸化作用也降低。有趣的是，在这个模型中，血清肌酐轻度增加，同时肾小球大小和尿蛋白增加，表明肾功能受损，这在人类HFpEF中可见。因此，该模型概括了HFpEF的临床表型，同时也描述了分子变化。
b、血管紧张素II在小鼠中，以不同的时间段（1到8周）给药血管紧张素II会导致心脏肥大和重构，无论是否在高血压患者中，提示血管紧张素Ⅱ输注下的心脏重构是由血压依赖性和非依赖性因素引起的。很明显，观察到的血压升高取决于使用的血管紧张素II的剂量。然而，超生理循环血管紧张素Ⅱ水平在人类疾病中的相关性受到了质疑。此外，尽管很难从不同物种的研究中推断，但由于大多数血管紧张素II输注动物研究没有测量或没有报告循环血水平，任何潜在的比较都很复杂。此外，心肌肥大表现为应变特异性。C57BL/6J小鼠对血管紧张素II产生代偿性向心性肥大和纤维化，而Balb/c小鼠表现出严重的左室扩张，这在HFpEF中不常见，更具扩张型心肌病的特征。尽管血管紧张素II灌注的小鼠模型显示舒张功能不全，但它显示收缩功能和LVEF均缺乏变化，且这些不一致的结果可能是剂量依赖性的。肺充血和运动不耐受是明显的，似乎与血管紧张素II引起的骨骼肌异常有关，包括线粒体功能受损和骨骼肌萎缩。综上所述，如果优化菌株和剂量以反映人HFpEF表型，血管紧张素II输注似乎是相关的HFpEF模型。
c、Dahl（达尔）盐敏感大鼠（DSS大鼠）斯普拉格-杜勒鼠的突变株具有盐敏感性增加的特点，并且只有通过肾素基因的多态性与Dahl耐盐大鼠进行基因区分。当在6周龄至8周龄，Dahl盐敏感大鼠被置于高盐饮食（8%）时，血压急剧升高，进行性向心性左室肥厚，在大约14至19周时诱发HFpEF。心衰的症状包括呼吸急促、呼吸困难、活动不活跃以及死后肺水肿和腹水的证据。然而，随着持续暴露于高盐饮食（～26周）或在较大年龄时引入饮食，这些动物会出现HFrEF。因此，这个模型被用来研究代偿性心肌肥大向HFrEF的转变，这在人类HFpEF中是罕见的。达尔盐敏感大鼠也有肾功能不全和代谢紊乱，包括胰岛素抵抗和血脂异常。Dahl盐敏感大鼠的一个相对强项是其心脏表型是由盐和水潴留引起的，相当能反映临床情况。HFpEF中常见的人口统计学特征和共病与血压盐敏感性密切相关。同样，盐敏感型高血压HFpEF患者的钠限制可降低全身血压、动脉僵硬和氧化应激。然而，这个模型缺乏作为HFpEF模型的临床适用性，因为与通常只看到中度高血压的人类相比，发展为非常高的收缩压值（mmhg）。此外，随着食盐管理的持续进行，这种HFpEF模型将发展为HFrEF。
d、脱氧皮质酮醋酸酯（DOCA）-盐性大鼠和小鼠DOCA盐性高血压大鼠模型于年首次被描述。DOCA通过腹腔注射或皮下颗粒植入给药4周，并伴有单侧肾切除术（DOCA前1周，6-10周龄）和1%NaCl饮用水。这种联合手术会导致高血压、心肌肥大和血管周围纤维化。在这个模型中，有关HFpEF发育的信息是有限的，但是在DOCA后28天，在LVEF保留的情况下，左心肥厚伴严重的限制性舒张功能不全。最近，DOCA已被用于小鼠。DOCA盐鼠发生心肌肥大，而血压要么没有变化，要么只是轻微升高。因此，目前尚不清楚是否为高血压HFpEF模型。心肌肥大和纤维化增加与血管稀疏有关。心肌氧化应激增加，一氧化氮合酶依赖的超氧化物以及一氧化氮产生减少。DOCA盐小鼠表现为舒张功能障碍，收缩功能保持，伴有运动不耐受，但无肺充血或心衰。
e、自发性高血压大鼠（SHR）这种近交系的大鼠被预先处理为高血压，具有高血压前期、发展期和持续期的证据，类似于人类的原发性高血压。SHR的心血管文献非常丰富，它与人类的情况相似，而且这种菌株相对缺乏个体差异，这使得它成为一个有吸引力的模型。在一岁时，它发展为代偿性向心性左心室肥大，同时保持收缩性，但随后发展为明显的HFrEF，其特征是左室扩张伴舒张功能障碍，这在人类HFpEF中很少见。到18个月至24个月大时，超过一半的SHR出现心脏失代偿，呼吸急促，LVEF严重下降。然而，一些SHR群体在20个月时LVEF没有下降，尽管有舒张功能障碍、向心重构和肺充血。在SHR中，心肌力学异常，如应变和心肌速度，与T-小管紊乱和Ca（2+）循环受损一起发生，这些都发生在心脏纤维化、心功能不全和HF发生之前。虽然SHR中的HF发生在2岁左右，类似于人类疾病的某些方面，HFpEF在老龄人口中高度流行，但这是一个耗时且昂贵的模型。重要的是，尽管心衰的发展需要很长的时间，但是在这个模型中关于LVEF保存的数据是有限的和令人困惑的，这使得它对HFpEF的研究不那么有吸引力。基础研究人员应该系统地确定哪些特定的SHR群体更有可能产生HFpEF，并将这些动物用于研究。重要的是，SHR从代偿性心肌肥大到HFrEF的转变限制了其作为HFpEF模型的应用。如前所述，从HFpEF到HFrEF的转变（通过降低LVEF）在人类HFpEF中并不常见。
f、小鼠主动脉缩窄胸主动脉缩窄引起的压力超负荷是一种公认的诱导左室慢性压力超负荷的手术方法。年首次被描述，此后被广泛用于研究心肌肥大。在这个模型中，一条带被放置在一只年轻老鼠的主动脉周围，随着老鼠的成长，该条带变得阻塞，导致心肌肥大，心肌细胞大小和胶原体积分数增加。胸主动脉缩窄可以靠近主动脉起点（升主动脉缩窄，AAC），也可以位于头臂动脉和左颈动脉之间的主动脉弓（横向主动脉缩窄，TAC）。AAC在技术上更具挑战性，通常用于研究早期压力超负荷的急性效应，与高血压无关，因为小鼠没有表现出血压升高。此外，舒张功能不全是继发于压力超负荷的，取决于收缩的严重程度和迅速发作。因此，AAC更接近于主动脉瓣狭窄的模型，而不是HFpEF的模型，在这种情况下，通常不会观察到后负荷急剧增加的临床情况，也就是说，主动脉狭窄是导致HFpEF的一个不常见的原因，并且可能直接进入HFrEF。相比之下，TAC导致左室压力逐渐升高，并向心肌肥厚和心衰的方向发展。在临床前文献中，TAC通常被用作舒张功能障碍的模型。AAC和TAC的特点是初始代偿期，左室向心性肥大，随后心腔扩大和偏心性左室重构，导致左室收缩功能进一步恶化，包括LVEF下降。根据束带收缩的严重程度、手术时小鼠的年龄，以及更重要的随访时间的长短，程序上存在差异。一般来说，AAC和TAC都会导致LV压力负荷的急性施加。因此，心衰的迹象，包括左心室向心性肥大，舒张功能不全，肺充血在收缩2到3周后是明显的。然后发展为HFrEF，在≥4周后出现左心室扩张和收缩功能受损。然而，从HFpEF到HFrEF的进展在人类中是不典型的。在分子水平上，心脏对结构压力的反应，细胞重塑。这种重构的特征包括胶原沉积增加导致心肌僵硬和胎儿基因程序的重演，如肌球蛋白重链β-异构体的表达增加。此外，与醛固酮灌注模型相似，在TAC后2周，压力超负荷降低了肌浆网Ca（2+）-腺苷三磷酸酶的表达和磷蛋白表达的下调。
2、代谢表型：肥胖与糖尿病模型
对于肥胖或糖尿病的试验结果显示，超重是主要的危险因素。肥胖导致LV结构的显著变化，HFpEF患者更容易肥胖。体重指数35kg/m2与死亡率和住院率增加有关。肥胖症有多种可能导致HFpEF的机制。肥胖增加会促进炎症、胰岛素抵抗和血脂异常，还会损害动脉、骨骼肌和身体功能，所有这些在HFpEF患者中都是异常的。直到最近，很少有人
