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心肌肥厚模型建立方法的研究進(jìn)展

2014-12-03 03:07:02趙祎鐳李丹露哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院藥學(xué)部哈爾濱150001
中國(guó)藥房 2014年5期
關(guān)鍵詞:方法模型

趙祎鐳,李丹露(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院藥學(xué)部,哈爾濱 150001)

心肌肥厚過(guò)程中伴隨著心臟結(jié)構(gòu)和功能的改變,其病理變化以室間隔與室后壁中部肥厚最常見,也稱之為非對(duì)稱性肥厚。患者長(zhǎng)期處于此病理狀態(tài)可導(dǎo)致心力衰竭甚至猝死[1-2]。心肌肥厚在普通人群中的發(fā)病率是0.2%,男女性別比例為2∶1,患者的平均年齡為40歲左右,是40歲以下患者主要的死亡原因之一[3]。因此,預(yù)防并及時(shí)治療心肌肥厚成為人們?nèi)找骊P(guān)心和逐漸深入研究的熱點(diǎn)。

為了進(jìn)一步明確心肌肥厚的發(fā)病機(jī)制和作用途徑,國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者分析各種心肌肥厚患者的發(fā)病原因,不斷建立和驗(yàn)證不同的心肌肥厚模型。目前,關(guān)于模型的研究領(lǐng)域主要集中在從動(dòng)物和心肌細(xì)胞水平模擬心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。通過(guò)適宜的心肌肥厚模型,評(píng)價(jià)不同藥物的治療效果,可為臨床上治療心肌肥厚奠定基礎(chǔ)。因此,筆者以“心肌肥厚”等為關(guān)鍵詞,查閱1991年1月至2013年3月中國(guó)知網(wǎng)和PubMed數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于心肌肥厚模型的相關(guān)文獻(xiàn),首次歸納總結(jié)了目前廣泛采用的建立心肌肥厚模型的方法,同時(shí)分析了不同建模方法的特點(diǎn),不僅為試驗(yàn)中適宜建模方法的選擇與評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ),還為藥物干預(yù)肥厚疾病的基礎(chǔ)研究提供了科學(xué)的建模依據(jù)。

1 導(dǎo)致心肌肥厚的因素[4-5]

主要因素是機(jī)械刺激導(dǎo)致心肌肥厚。血流動(dòng)力學(xué)超負(fù)荷,壓力/容量超負(fù)荷均造成心室壁張力增加,從而引起心肌細(xì)胞肥大[6]。同時(shí)血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)可以通過(guò)血管緊張素受體1(AT1)使信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)激活因子(STAT3)活化,參與調(diào)節(jié)核中轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),從而刺激心肌細(xì)胞肥大[7]。兒茶酚胺類物質(zhì)中異丙腎上腺素(ISO)和去甲腎上腺素(NA)能夠分別激動(dòng)β受體和α1腎上腺能受體,導(dǎo)致促進(jìn)原癌基因表達(dá)和心肌細(xì)胞肥大。研究表明,內(nèi)皮素1(ET-1)可以通過(guò)激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大;前列腺F2α(PGF2α)也能啟動(dòng)下游蛋白激酶C(PKC)與肌醇三磷酸(IP3)信號(hào)分子,促進(jìn)心肌細(xì)胞肥大的發(fā)生[8]。此外,缺血、缺氧以及各種炎癥因子均可導(dǎo)致心肌細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng),從而導(dǎo)致心肌肥厚。

2 建立體外、體內(nèi)心肌肥厚模型的方法

目前的肥厚模型主要分成兩種:一種是通過(guò)動(dòng)物模型模擬穩(wěn)定的代償性肥厚發(fā)展到心肌功能衰竭和心室擴(kuò)張的過(guò)程;另一種是在細(xì)胞水平模擬肥大過(guò)程,以此明確人類心肌肥厚的調(diào)控機(jī)制,為更好地緩解或治療心肌肥厚奠定基礎(chǔ)。

2.1 誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大的方法

目前,體外建立心肌細(xì)胞肥大的模型多數(shù)是通過(guò)分離并培養(yǎng)Wistar/SD大鼠的乳鼠心室肌細(xì)胞,在此基礎(chǔ)上給予不同藥物刺激達(dá)到誘導(dǎo)細(xì)胞肥大的目的。例如,通過(guò)ISO誘導(dǎo)心肌細(xì)胞48 h,顯微鏡下觀察心肌細(xì)胞外觀狀態(tài)改變,主要表現(xiàn)在心肌細(xì)胞面積明顯增加,心房利鈉肽(ANP)、腦利鈉肽(BNP)、β-肌球蛋白(β-MHC)等肥大相關(guān)基因的表達(dá)增加,其變化趨勢(shì)與肥厚心臟組織中的改變類似[9-10]。此外苯丙腎上腺素(PE)和AngⅡ都可以刺激心肌細(xì)胞增大,模擬誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大[11-13]。Pan ZW等[14]采用50 μmol/L PE孵育心肌細(xì)胞48 h后,經(jīng)免疫熒光觀察與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,肥大細(xì)胞面積增加至對(duì)照組的1.3倍。Wang S等[15]證明0.1 μmol/LAngⅡ能夠誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大,主要的肥厚Marker蛋白表達(dá)顯著增加。上述試驗(yàn)證明,細(xì)胞水平上給予ISO、PE和AngⅡ均能誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大,此方法具有細(xì)胞專屬性,能夠排除成纖維細(xì)胞的影響,成功地模擬心肌細(xì)胞的肥大過(guò)程。

2.2 動(dòng)物心肌肥厚模型的建立方法

盡管體外可以模擬心肌肥大過(guò)程,但是細(xì)胞水平不能完全替代動(dòng)物水平研究,不是所有的體外試驗(yàn)結(jié)論在活體動(dòng)物中都能得到重復(fù)驗(yàn)證。因此,許多研究者開始探索建立動(dòng)物心肌肥厚模型。根據(jù)導(dǎo)致心肌肥厚的不同誘因,目前建立動(dòng)物心肌肥厚模型的方法有兩種:第一種是皮下或靜脈注射腎上腺素類藥物;第二種是通過(guò)手術(shù)建立心肌肥厚模型。

2.2.1 藥物誘導(dǎo)。該方法主要是采取每天注射ISO、AngⅡ、PE等腎上腺素藥物的方式。胡河等[16]通過(guò)對(duì)新西蘭大耳兔的耳緣靜脈連續(xù)注射0.3 mg/(kg·d)的ISO 7 d,解剖心臟后測(cè)得大耳兔左心室質(zhì)量和心室壁厚度明顯增加,結(jié)果表明心肌肥厚模型成功建立。但是這種給藥方式存在局限性,即不能完全地模擬生理分泌腎上腺素的過(guò)程。在試驗(yàn)操作過(guò)程中,劑量過(guò)大可能導(dǎo)致動(dòng)物的死亡,劑量過(guò)小則不能成功地建立肥厚模型。為了提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生存率,以及盡可能模擬體內(nèi)病理過(guò)程,如今多選擇皮下埋泵方式,即藥物通過(guò)緩釋泵平穩(wěn)注入動(dòng)物體內(nèi)。此方法不僅提高動(dòng)物的成模率[13],還降低了動(dòng)物死亡率[17-18]。Takeshita D等[19]利用埋泵給藥的方式考察不同劑量的ISO對(duì)心肌肥厚的影響。Sun B等[20]皮下埋泵給予AngⅡ,7 d后建立病理性心肌肥厚,肥厚組織中骨形態(tài)發(fā)生蛋白4(BMP4)的蛋白表達(dá)量顯著增加,研究表明BMP4的異常表達(dá)易導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡、間質(zhì)纖維化等現(xiàn)象。此外,AngⅡ[1.4 mg/(kg·d),皮下埋泵]連續(xù)給藥8周,能使C57BL/6J和Balb/c小鼠的心臟、肺臟以及肝臟質(zhì)量明顯增加,并伴隨著間質(zhì)纖維化,其中Balb/c小鼠表現(xiàn)為擴(kuò)張型心肌病[21]。綜上認(rèn)為,藥物誘導(dǎo)動(dòng)物心肌肥厚的模型具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),能夠模擬腎上腺素分泌量增加導(dǎo)致心肌肥厚的病理過(guò)程。

2.2.2 手術(shù)建立。隨著壓力負(fù)荷的不斷增加,高血壓和主動(dòng)脈狹窄的患者出現(xiàn)心肌肥厚現(xiàn)象[10]。模擬上述情況建立了手術(shù)模型,其中胸主動(dòng)脈縮窄法的使用率較高,這種方法能夠模擬血管狹窄導(dǎo)致的血壓升高,以及血壓長(zhǎng)期升高引起的心室壁厚度的增加[22-24]。胸主動(dòng)脈縮窄法的操作步驟如下:對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)施腹腔麻醉,氣管插管后聯(lián)通呼吸機(jī);隨后沿胸骨中線開胸并剝離暴露出胸主動(dòng)脈,將26 Gauge針頭平行于主動(dòng)脈弓放置,選擇7~0號(hào)線進(jìn)行結(jié)扎;最后抽出針頭,逐層縫合胸骨與皮膚,術(shù)后肌肉注射2 d青霉素鈉預(yù)防感染。大量研究表明,小鼠經(jīng)胸主動(dòng)脈結(jié)扎縮窄2~4周后,小鼠心臟質(zhì)量明顯增加,經(jīng)蘇木精-伊紅(HE)染色觀察心肌細(xì)胞面積明顯增加,在mRNA和蛋白水平上都能檢測(cè)到ANP、BNP、β-MHC等肥厚Marker指標(biāo)的表達(dá)增加[25-26]。胸主動(dòng)脈縮窄法能夠模擬心肌肥厚,當(dāng)小鼠動(dòng)脈結(jié)扎超過(guò)8周,心臟射血分?jǐn)?shù)將顯著降低,呈現(xiàn)心力衰竭的狀態(tài)。

除了結(jié)扎胸主動(dòng)脈,國(guó)內(nèi)外研究人員還采用腹主動(dòng)脈縮窄法建立心肌肥厚模型。該方法需要翻轉(zhuǎn)并移動(dòng)腹腔內(nèi)臟器官,暴露腹主動(dòng)脈,手術(shù)具有一定難度。與胸主動(dòng)脈縮窄法比較,雖然可以降低開胸操作造成的損傷,但是此手術(shù)對(duì)動(dòng)物內(nèi)臟腸胃的牽拉較強(qiáng),某種程度上影響了建模的成功率。術(shù)后2周,大鼠體質(zhì)量明顯增加,壓力測(cè)定顯示心率和壓力顯著升高(P<0.01)。通過(guò)病理學(xué)觀察,大鼠結(jié)扎4周后細(xì)胞核變大、細(xì)胞排列混亂,呈現(xiàn)肥大狀態(tài)[27-28]。研究表明,縮窄血管的方法主要是經(jīng)過(guò)緩慢的病理變化模擬心肌肥厚,更接近肥厚疾病的真實(shí)病理進(jìn)程。

此外,結(jié)扎腎動(dòng)脈血管也可以造成血壓的升高,模擬由腎性高血壓誘發(fā)的心肌肥厚過(guò)程[12]。根據(jù)臨床上容量超負(fù)荷引起心肌肥厚的原理,對(duì)大鼠動(dòng)靜脈進(jìn)行造瘺,造瘺后由于動(dòng)脈血流入下腔靜脈,使得心臟回心血量增加,進(jìn)而心臟容量負(fù)荷增加,最終導(dǎo)致心肌肥厚。手術(shù)操作主要是用血管夾阻斷下腔靜脈的血流,然后用針頭刺穿靜脈壁、靜-動(dòng)脈聯(lián)合壁,退出針頭后縫合靜脈壁的傷口,松開血管夾,下腔靜脈變紅則表明造瘺成功。

3 各種肥厚模型建立方法的比較

大量試驗(yàn)證明,體外、體內(nèi)均能成功地建立心肌肥厚模型。上述心肌肥厚模型分別存在著優(yōu)點(diǎn)和局限性,其中動(dòng)物水平模型可以通過(guò)增加壓力負(fù)荷刺激心室壁增厚,并且伴隨著心臟功能的改變;而細(xì)胞水平肥大模型是以心肌細(xì)胞為載體研究肥厚的作用機(jī)制以及藥物干預(yù)細(xì)胞肥大的調(diào)控通路。心肌肥厚模型建立方法的特點(diǎn)分析見圖1。

綜上認(rèn)為,需要根據(jù)試驗(yàn)研究的不同側(cè)重點(diǎn),選擇適宜的建模方法。

4 心肌肥厚模型建立方法的評(píng)價(jià)

針對(duì)不同的建立心肌肥厚模型的方法,通常選擇適宜的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前,廣泛認(rèn)可的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:觀察動(dòng)物心臟、左心室質(zhì)量的變化情況,計(jì)算不同建模方法的質(zhì)量指數(shù);心臟超聲檢查分析心臟結(jié)構(gòu)的改變情況;通過(guò)免疫染色分析細(xì)胞面積的改變;測(cè)定心肌肥厚過(guò)程中Marker基因的mRNA及蛋白水平的變化。評(píng)價(jià)的具體方法如下。

4.1 全心質(zhì)量指數(shù)和左心室質(zhì)量指數(shù)

圖1 心肌肥厚模型建立方法的特點(diǎn)分析

在動(dòng)物心肌肥厚模型中,隨著建模時(shí)間的延長(zhǎng),動(dòng)物心臟的質(zhì)量會(huì)逐漸增加,而且以左心室質(zhì)量的變化為主。通常以動(dòng)物的全心質(zhì)量指數(shù)(Heart weight/body weight,HW/BW)和左心室質(zhì)量指數(shù)(Left ventricular weight/heart weight,LVW/HW)作為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)心肌肥厚模型。根據(jù)建立心肌肥厚模型的不同方法,全心質(zhì)量指數(shù)和左心室質(zhì)量指數(shù)的平均增加比例在15%~40%[24-26]。

4.2 心臟超聲檢查

評(píng)價(jià)動(dòng)物心肌肥厚模型時(shí),需要對(duì)各組的心臟功能及形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行心臟彩超檢查。分別測(cè)定小鼠的心率、射血分?jǐn)?shù)、短軸收縮分?jǐn)?shù)、左室后壁厚度、室間隔期厚度的變化。如果模型動(dòng)物的心室后壁、室間隔厚度明顯增加,則證明此方法能夠成功地建立肥厚模型。

4.3 免疫組化分析

選取典型的心臟置于多聚甲醛中固定,組織切片經(jīng)蘇木精和HE染色觀察各組細(xì)胞面積與排列的變化。結(jié)果表明,HE染色后觀察到細(xì)胞面積明顯增加、排列紊亂,表明建模方法適宜。

4.4 心肌肥厚Marker蛋白的分析

ANP是一種參與調(diào)節(jié)血壓的肽類激素,具有強(qiáng)大的利尿活性。BNP主要來(lái)源于心室,其結(jié)構(gòu)與功能與ANP類似。當(dāng)心室壓力明顯增加時(shí),可以檢測(cè)到血漿中BNP也顯著升高。目前許多國(guó)家都推薦使用BNP作為評(píng)價(jià)心血管疾病的重要檢測(cè)指標(biāo)之一[29-31]。另有研究表明,β-MHC基因的表達(dá)參與心臟發(fā)育、壓力負(fù)荷、心肌肥厚等過(guò)程,在左心室壓力增加的時(shí)候,能夠刺激β-MHC基因再次表達(dá)[32-33]。目前,ANP、BNP和β-MHC是公認(rèn)的心肌肥厚過(guò)程中的Marker蛋白,因此可依據(jù)上述3種基因在mRNA或者蛋白水平的改變來(lái)評(píng)價(jià)心肌肥厚模型的建立效果。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)報(bào)道,本文總結(jié)了建立心肌肥厚模型的方法,即胸/腹主動(dòng)脈縮窄法、靜脈造瘺法、皮下注射腎上腺素能藥物、藥物誘導(dǎo)心肌細(xì)胞等方法。其中主動(dòng)脈縮窄建立肥厚模型的方法能夠模擬臨床上動(dòng)脈瓣狹窄及腎性高血壓患者伴隨的心肌肥厚疾病,而體外ISO等藥物誘導(dǎo)細(xì)胞肥大的模型則是模擬體內(nèi)腎上腺素類物質(zhì)異常分泌引起的心肌肥厚。上述建模方法都是經(jīng)典的且被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛認(rèn)可的。研究表明,只有接近臨床肥厚患者實(shí)際患病過(guò)程的模型,才具有更高的研究?jī)r(jià)值,在此基礎(chǔ)上才能深入發(fā)現(xiàn)心肌肥厚疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制,最終為減少和改善心肌肥厚及相關(guān)治療藥物的研發(fā)和應(yīng)用奠定科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

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