黃淑敏 廖曉倩 范星宇 王梓儀 胡思遠 胡志希



〔摘要〕 目的 構建異丙腎上腺素(isoprenaline, ISO)誘導的慢性心力衰竭(chronic heart failure, CHF)大鼠模型,運用以方測證法反推其中醫證型。方法 采用隨機數字表法將SD大鼠分為正常組及ISO低、中、高劑量組。制備CHF大鼠模型,將成模大鼠按隨機數字表法分為6組:模型組、參附組、丹紅組、參麥組、黃芪組、普萘組。分別于造模結束后、給藥15 d后,檢測各組大鼠心臟質量指數及左心室質量指數;超聲心電圖檢測各組大鼠心功能;ELISA法檢測大鼠氨基末端腦鈉肽前體(N-terminal pro brain natriuretic peptide, NT-pro BNP);HE及Masson 染色方法觀察大鼠心臟組織病理形態以及纖維化狀態改變。結果 不同劑量ISO誘導CHF大鼠模型的制備:與正常組比較,ISO低劑量組各方面均無明顯改變;ISO中、高劑量組大鼠左室射血分數(left ventricular fraction shortening, LVEF)、左室短軸縮短率(left ventricular fraction shortening, LVFS)、體質量降低(P<0.01),左心室舒張末期內徑(left ventricular internal dimension diamete, LVIDD)、左心室收縮末期內徑(left ventricular internal systolic dimension, LVISD)、NT-pro BNP、心臟質量指數、左心室質量指數明顯升高(P<0.01),但ISO高劑量組死亡率低、炎性細胞浸潤及纖維化程度更高。基于“以方測證”理論探討ISO誘導CHF大鼠中醫證型:與模型組比較,參附組LVEF、LVFS、體質量升高,LVIDD、LVISD、NT-pro BNP、心臟質量指數及左心室質量指數降低(P<0.05,或P<0.01);纖維結締組織增生和炎性細胞浸潤明顯減少,膠原纖維沉積減輕,僅見少量膠原纖維。其余組各項指標均有改善,但無統計學意義(P>0.05)。結論 ISO中、高劑量均能制備CHF大鼠模型,但ISO高劑量更優。ISO誘導CHF大鼠模型可能屬于心陽虛證。
〔關鍵詞〕 以方測證;慢性心力衰竭;異丙腎上腺素;動物模型;大鼠;證型
〔中圖分類號〕R256.2 ? ? ? 〔文獻標志碼〕A ? ? ? ?〔文章編號〕doi:10.3969/j.issn.1674-070X.2023.03.002
Preparation of a rat model of chronic heart failure induced by isoprenaline based on
"inferring pattern by the formula" and its pattern types
HUANG Shumin1,2, LIAO Xiaoqian1, FAN Xingyu1, WANG Ziyi1, HU Siyuan1*, HU Zhixi1*
1. Hunan University of Chinese Medicine, Changsha, Hunan 410208, China; 2. The Second People's Hospital Affiliated to
Fujian University of Chinese Medicine, Fuzhou, Fujian 350003, China
〔Abstract〕 Objective To construct a rat model of chronic heart failure (chronic heart failure, CHF) induced by isoprenaline (ISO) and to infer its TCM pattern types based on "inferring pathogenesis by the formula". Methods SD rats were randomly divided into normal group and low-, medium-, and high-dose ISO groups. The prepared CHF rat models were divided into six groups with the random number table method: model group, Shenfu group, Danhong group, Shenmai group, Huangqi group, and propranolol group. The cardiac mass index and left ventricular mass index of each group were respectively detected after modeling, and 15 d after administration. Echocardiogram was used to detect the cardiac function in each group; ELISA was adopted to detect N-terminal pro brain natriuretic peptide (NT-pro BNP); HE and Masson staining were used to observe the histopathological morphology and fibrotic state of rat hearts. Results Preparation of ISO-induced CHF rat models with different doses: Compared with the normal ISO group, there was no significant changes in all aspects of the low-dose ISO group. In medium- and high-dose ISO dosage group, there was decrease in left ventricular fraction shortening (LVEF), left ventricular fraction shortening (LVFS), and body mass (P<0.01). However, there was significant higher left ventricular end-diastolic internal dimension diameter (LVIDD), left ventricular internal systolic dimension (LVISD), NT-pro BNP, cardiac mass index, and left ventricular mass index (P<0.01). The high-dose ISO group had lower mortality, but higher inflammatory cell infiltration and higher degree of fibrosis. TCM pattern type analysis of CHF rats induced by ISO based on "inferring pathogenesis by the formula": Compared with model group, the LVEF, LVFS, and body mass of the Shenfu group increased, and the LVIDD, LVISD, NT-pro BNP, cardiac mass index and left ventricular mass index decreased (P<0.05, or P<0.01); fibrous connective tissue hyperplasia and inflammatory cell infiltration were significantly reduced; collagen fiber deposition decreased, and only a small amount of collagen fibers was seen. All the remaining groups showed improvement without statistically significance (P>0.05). Conclusion Both medium- and high-dose ISO can be used to prepare CHF rat model, but high-dose ISO can do better. The CHF rats induced by ISO may be categorized into the heart yang deficiency pattern.
〔Keywords〕 inferring patterns by the formula; chronic heart failure; isoprenaline; animal models; rats; pattern types
慢性心力衰竭(chronic heart failure, CHF)是由于多種原因導致心臟結構和(或)功能的異常改變,心室收縮或舒張功能不全的臨床綜合征,是一種嚴重的心臟疾病,發病率與病程、年齡相關且有地區差異[1-4]。CHF動物模型的建立可以很好地模擬人類CHF的病理過程,為CHF的診治提供實驗基礎。“以方測證”是在中醫辨證論治的原則下,依據“有是證,用是方”的對應關系而提出的,是中醫學認識疾病辨別證候的研究方法之一,被廣泛運用在病證結合動物模型的研究中。本課題組前期研究發現,CHF動物模型存在證型的差異且與造模方法有關[5-8],通過“以方測證”法可對不同造模方法建立的CHF動物模型的中醫證型進行有效辨析。
異丙腎上腺素(isoprenaline, ISO)誘導CHF大鼠模型有操作簡單的優點,是CHF研究的理想動物模型之一,但由于不同批動物、藥物及給藥途徑的不同,模型的復制成功率也不同[9-10]。本研究通過對不同劑量ISO制備CHF大鼠的心功能進行評價,再基于“方證對應”理論,分析參麥注射液(益氣養陰)、參附注射液(益氣溫陽)、黃芪注射液(益氣養元)和丹紅注射液(活血化瘀)4種中藥注射液干預后的療效反應,探討ISO誘導的CHF大鼠可能出現的中醫證型,為構建CHF病證結合動物模型奠定基礎,為臨床辨證分型提供實驗基礎。
1 材料與方法
1.1 ?實驗動物
清潔級雄性SD大鼠106只,體質量(180±20) g,購自湖南斯萊克景達實驗動物有限公司,實驗動物許可證號SCXK(湘)2019-0004,動物合格證號:4307272111030871,在湖南中醫藥大學實驗動物中心SPF級實驗室內飼養。研究方案經湖南中醫藥大學實驗動物倫理委員會批準,批準號LLBH-202105180001。
1.2 ?藥物
鹽酸ISO(MedChemExpress,批號:HY-B0468/CS-2582);參附注射液(華潤三九雅安藥業有限公司,批號:201106AK05),丹紅注射液(山東丹紅制藥有限公司,批號:21032003),參麥注射液(正大青春寶藥業有限公司,批號:2012108),黃芪注射液(正大青春寶藥業有限公司,批號:2001081),普萘洛爾(山西云鵬制藥有限公司,批號:D191101);烏拉坦(阿拉丁試劑有限公司,批號:U299635-100)。
1.3 ?試劑
氨基末端腦鈉肽前體(N-terminal pro brain natriuretic peptide, NT-pro BNP)試劑盒(武漢華美生物工程有限公司,批號:G28032936、I15035213);石蠟(Sigma)、中性樹膠(Sigma);蘇木素(Wellbio)、PBS(7.2-7.6)(Wellbio)、伊紅(Wellbio)、Masson染色試劑盒(Wellbio)。
1.4 ?儀器
便攜式小動物超聲(北京益仁恒業科技有限公司,型號:6 LAB);臺式高速冷凍離心機(湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司,型號:H1650R);全自動酶標洗板機(深圳市匯松科技發展有限公司,型號:PW-812);多功能酶標分析儀(深圳市匯松科技發展有限公司,型號:MB-530);電熱恒溫培養箱(北京市永光明醫療儀器有限公司,型號:DHP-500);切片機(浙江金華益迪試驗器材,型號:YD-315);包埋機(常州中威電子儀器,型號:BMJ-A)。
1.5 ?造模方法和模型評價標準
采用ISO注射制備CHF大鼠模型[9]。CHF大鼠成模標準:超聲心動圖檢測心功能及ELISA檢查大鼠血清NT-pro BNP的水平,與正常組大鼠比較有統計學意義,則確認CHF大鼠模型制備成功[11]。
1.6 ?分組與給藥
1.6.1 ?不同劑量ISO誘導CHF大鼠模型的制備 ?依據文獻中提及較常用的ISO誘導大鼠CHF方案[9],選擇了3種劑量造模方案。采用隨機數字表法將40只SD大鼠隨機分為正常組及ISO低、中、高劑量4組。詳見表1。
1.6.2 ?ISO誘導CHF大鼠中醫證型的研究 ?采用隨機數字表法將66只大鼠隨機選6只作為正常組。剩余60只將大鼠依據前期實驗(不同劑量ISO誘導CHF大鼠模型的制備)得到的最終結果(5 mg/kg×7 d后適應性喂養14 d),制備ISO CHF大鼠模型。21 d后經眼眶取血檢測NT-pro BNP、超聲心動圖等確認CHF成模,最終死亡18只,未成模6只,成功造模36只,隨機分為6組。通過換算人與動物等效劑量[14],確定給藥方式(詳見表2)。因研究選用的中藥注射液不宜久用,參照本課題組前期給藥方法,確定給藥時間15 d[5-7]。
1.7 ?觀察指標與方法
1.7.1 ?心功能檢測 ?將大鼠用烏拉坦(20%,6.5 mL/kg)腹腔注射麻醉后,應用小動物超聲系統,測量左心室舒張末期內徑(left ventricular internal dimension diamete, LVIDD)、收縮末期內徑(left ventricular internal systolic dimension, LVISD)、左室射血分數(left ventricular fraction shortening, LVEF)、及左室短軸縮短率(left ventricular fraction shortening, LVFS)。
1.7.2 ?ELISA測定血清NT-pro BNP水平 ?大鼠采用烏拉坦麻醉后,腹主動脈采血5 mL,離心機以3000 r/min運行15 min后(離心半徑為17.8 cm),保留上清液,運用ELISA法測定NT-pro BNP含量。嚴格按說明書操作。
1.7.3 ?大鼠心臟質量指數及左心室質量指數測定 ?大鼠稱取體質量,腹主動脈取血后迅速解剖心臟組織,用生理鹽水洗去殘留血液,濾紙吸干后稱量全心濕重量,沿冠狀溝走行分離左心室并稱量,計算心臟質量指數和左心室質量指數。
1.7.4 ?病理組織學觀察 ?大鼠腹主動脈取血后迅速解剖心臟組織,洗去殘留血液,切取心尖組織,放置于4%多聚甲醛固定,行常規HE染色和 Masson染色。
1.8 ?統計分析
結果采用SPSS 24.0軟件進行分析,數據以“x±s”表示。組間比較用單因素方差分析,若方差齊采用LSD法,方差不齊采用Games-Howell法,以P<0.05為差異具有統計學意義。采用GraphPad Prism 8.0軟件繪圖。
2 結果
2.1 ?不同劑量ISO誘導CHF大鼠模型的制備
2.1.1 ?大鼠一般情況和存活率
2.1.1.1 ?一般情況 ?ISO中、高劑量組大鼠在注射ISO后出現活躍、興奮,呼吸加快,飲水量增多的表現。造模結束后ISO中、高劑量組大鼠出現毛色發黃,活動量減少,不欲飲食,體質量增加緩慢,小便量增多的表現,ISO高劑量組部分大鼠出現腹水、便溏及不耐運動等表現。
2.1.1.2 ?存活率 ?ISO低劑量組無死亡,存活率100%;ISO中劑量組分別于第1天、第9天、第12天各死亡1只大鼠,存活率70%;ISO高劑量組分別于第1天、第3天各死亡1只大鼠,存活率80%。在本次研究中發現,大鼠死亡主要發生于ISO注射后30 min,考慮原因為:ISO為β1受體激動劑,可使心肌、血管強烈收縮,導致心功能障礙,易引起惡性心律失常或急性心肌梗死。
2.1.2 ?大鼠超聲心動圖分析 ?造模結束后,與正常組比較,ISO中、高劑量組大鼠LVEF、LVFS顯著下降(P<0.01),LVIDD與LVISD明顯上升(P<0.01);ISO低劑量組LVIDD與LVISD有所上升(P<0.01),但LVEF、LVFS無明顯變化(P>0.05)。詳見圖1—2。
2.1.3 ?血清NT-pro BNP表達 ?造模結束后,與正常組比較,ISO中、高劑量組大鼠血清NT-pro BNP顯著上升(P<0.01);ISO低劑量組無明顯變化(P>0.05)。詳見表3。
2.1.4 ?大鼠心臟質量指數及左心室質量指數分析 ?造模結束后,與正常組比較,ISO中、高劑量組大鼠體質量下降,心臟質量指數及左心室質量指數升高(P<0.01);ISO低劑量組體質量、心臟質量指數及左心室質量指數無明顯變化(P>0.05)。詳見表4。
2.1.5 ?心肌組織病理檢測 ?HE病理檢查提示:與正常組比較,ISO高劑量組大鼠心肌細胞體積縮小,結構模糊,間質可見明顯纖維結締組織增生并伴有炎癥細胞浸潤;ISO中劑量組出現部分纖維結締組織增生并伴有炎癥細胞浸潤,程度較輕;ISO低劑量組無明顯改變。詳見圖3。
Masson檢查提示:與正常組比較,ISO高劑量組大鼠心肌細胞中有大量的膠原蛋白沉積,心肌纖維化程度較重;ISO中劑量組出現部分膠原纖維沉積,心肌纖維化程度較ISO高劑量組輕;ISO低劑量組出現少量膠原纖維沉積,心肌纖維化程度最輕。詳見圖4。
2.2 ?ISO誘導CHF大鼠中醫證型的研究
2.2.1 ?大鼠存活率情況 ?造模期間第1天死亡8只大鼠,第2天死亡5只大鼠,第3天死亡3只大鼠,第4天、第5天各死亡1只大鼠,共計死亡18只大鼠,存活率70.0%。成模后大鼠采用隨機數字表法分為6組,經藥物干預15 d后,各組大鼠均無死亡。
2.2.2 ?大鼠超聲心動圖分析 ?藥物干預結束后,與正常組比較,模型組大鼠LVEF、LVFS顯著下降(P<0.01),LVIDD與LVISD明顯上升(P<0.01);與模型組比較,參附組大鼠LVEF、LVFS上升,LVIDD、LVISD下降,普萘組LVEF、LVFS上升,LVISD下降(P<0.05,P<0.01),其余各組心功能指數無明顯變化(P>0.05)。詳見圖5—6。
2.2.3 ?血清NT-pro BNP表達 ?藥物干預結束后,與正常組比較,模型組大鼠血清NT-pro BNP顯著上升(P<0.01);與模型組比較,參附組NT-pro BNP顯著下降(P<0.01),參麥組輕微上升,黃芪組、丹紅組、普萘組有所下降,差異無統計學意義(P>0.05)。詳見表5。
2.2.4 ?大鼠心臟質量指數及左心室質量指數分析 ?藥物干預結束后,與正常組比較,模型組大鼠體質量下降,心臟質量指數及左心室質量指數增大(P<0.01);與模型組比較,參附組及普萘組體質量上升(P<0.01),參附組心臟質量指數及左心室質量指數降低(P<0.01或P<0.05);其余各組體質量、心臟質量指數及左心室質量指數有改善但無統計學意義(P>0.05)。詳見表6。
2.2.5 ?心肌組織病理觀察 ?藥物干預結束后,HE病理檢查提示:正常組心肌細胞形態正常,結構清晰,無變性、壞死及間質炎癥細胞浸潤,未見明顯纖維組織增生;與正常組相比,模型組大鼠心肌細胞體積縮小,結構模糊,間質可見明顯纖維結締組織增生并伴有炎癥細胞浸潤;參附組的間質纖維結締組織增生和炎性細胞浸潤相比模型組明顯減少,普萘組、丹紅組、參麥組、黃芪組仍有較多炎癥細胞浸潤,間質纖維結締組織增生明顯。詳見圖7。
Masson染色檢測提示:正常組的心肌組織中未見明顯膠原蛋白沉積,與正常組相比,模型組心肌組織中有大量的膠原蛋白沉積,心肌纖維化程度較重;與模型組相比,參附組心肌組織中的膠原蛋白明顯減少,纖維化程度明顯減輕,普萘組、丹紅組、參麥組、黃芪組仍有較多膠原沉積。詳見圖8。
3 討論
CHF是各種心臟疾病的最終階段,動物模型是基礎實驗的重要組成部分,能夠很好地為科研工作服務,促進該疾病相關機制及藥物防治研究的發展,其中,最常見的動物是大鼠、小鼠[15]。現階段大部分疾病在中醫研究中缺乏公認的病證結合動物模型制備方法,因此,疾病的證候本質研究受到阻礙。故當前建立符合中西醫特點的病證結合動物模型是本團隊努力的方向。
通過皮下多點注射ISO可誘導心臟抑制型CHF大鼠模型的建立[16]。ISO是β受體激動劑,可使心率加快,心肌收縮力增強,心肌耗氧量增加,從而誘導心肌細胞壞死、纖維化,使心臟負荷增加,導致CHF發生。此方法具有操作簡單,模型穩定性、重復性高,能較好地反映CHF的病理發展過程,與臨床診斷標準吻合度較高的優點[15]。但其仍然存在問題:不同批次、類型的模型動物對于ISO的耐受不同,不同廠家批號的ISO也對造模結果有影響。目前,ISO誘導制備CHF大鼠模型的劑量尚無統一標準,依據參考文獻[12,17-18],本研究分別選擇3種不同劑量ISO制備CHF大鼠模型,以期選擇出最佳造模劑量。在CHF動物模型評價中,LVIDD、LVISD、LVEF、LVFS及血清NT-pro BNP是評價和衡量CHF模型是否制備成功的重要指標[9]。研究顯示,干預結束后ISO低劑量組大鼠無死亡,ISO中劑量組大鼠死亡率最高,考慮原因可能為ISO長期使用相較于短期大劑量使用更容易引起大鼠惡性心律失常。超聲心動圖提示:ISO中、高劑量組大鼠LVEF、LVFS均下降,LVIDD、LVISD增加,ISO低劑量組LVIDD、LVISD增加,但LVEF、LVFS與正常組比較無意義,考慮與心臟功能處于代償期有關。血清NT-pro BNP提示:隨著ISO劑量增加,各組大鼠血清NT-pro BNP水平逐漸上升。病理染色提示:ISO高劑量組出現明顯纖維結締組織增生并伴有炎癥細胞浸潤,心肌纖維化程度最重。綜上所述,本次研究發現ISO中、高劑量組均能成功誘導CHF大鼠模型,但ISO高劑量組死亡率較低,病理檢測效果最為理想,故ISO誘導CHF大鼠模型最優方法為:5 mg/kg×7 d后適應性喂養14 d。
“以方測證”是中醫辨證論治的常用方法,是中醫認識疾病的一種手段,更是中醫方證現代研究的重要邏輯依據。其主要原理為依據藥物構成的屬性及功效來觀察服用該方劑后的反應,從而反向推測其中醫證型,現已在中醫證本質及病證結合動物模型的研究中廣泛應用[19-20]。課題組前期運用“以方測證”法對不同造模方法誘導CHF大鼠的中醫證型進行了推測,成功對3種經典CHF大鼠模型的中醫證型及其證候的生物學基礎進行了研究。本研究也采用“以方測證”的方法,成功運用ISO誘導復制了CHF大鼠模型,并在課題組前期研究的基礎上進行了改良:(1)依據《慢性心力衰竭中西醫結合診療專家共識》[21]。CHF本以氣虛為主,標以血瘀為主,隨著病情逐漸發展可兼有陽虛和陰虛,故在方藥選擇上選用益氣、溫陽、養陰、活血四類代表方劑;(2)選用中藥注射液。中藥注射劑具有藥力專、藥性穩定、療效明確的優點,可避免傳統湯劑因中藥劑量、質量、炮制、熬制等差別而引發的誤差。(3)結合現代生物學指標進行驗證。
在本次研究中,藥物分別選用黃芪注射液、參附注射液、參麥注射液和丹紅注射液。從藥物組成來看,黃芪注射液由黃芪提取而成,主要功效為益氣養元,養心通脈;參附注射液由人參、附子提取而成,主要功效為回陽救逆、益氣固脫;參麥注射液由人參和麥冬提取而成,主要功效為益氣固脫、養陰生津;丹紅注射液由丹參、紅花提取而成,主要功效為活血化瘀。4種注射液臨床上均廣泛用于治療心力衰竭、冠心病、心絞痛等疾病。本研究中黃芪注射液對應心氣虛證,參附注射液對應心陽虛證,參麥注射液對應心氣陰兩虛證,丹紅注射液對應心血瘀阻證。依據《慢性心力衰竭中西醫結合診療專家共識》中提及這4種證型是CHF的基本證型,故對比觀察這4種中藥注射液改善心功能的作用效果,可明確CHF大鼠的基本中醫證候。本研究發現,經4種中藥注射液干預后,參附組能有效改善大鼠超聲心動圖的各項指標,恢復心肌組織病變,改善心臟及左心室質量指數,降低血清NT-pro BNP水平,其他3組注射液療效無明顯改變。由此,本研究證實益氣、養陰、活血法對ISO誘導的CHF模型大鼠無明顯改善作用,溫陽法則表現出較好療效。
4 結論
以ISO(5 mg/kg)皮下注射7 d后適應性喂養14 d制備CHF大鼠模型效果最為理想。依據“以方測證”理論,本團隊推測:ISO誘導CHF大鼠模型可能屬于心陽虛證。
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〔收稿日期〕2022-11-17
〔基金項目〕國家自然科學基金項目(82274412);湖南省自然科學基金項目(2020JJ4062,2020JJ5408);廣東省重點領域研發項目(2020B1111100001);湖南省教育廳項目(21A0230,21B0361);湖南省學位與研究生教育教改項目(2020JGZX012);湖南省教育改革課題(HNJG-2021-0594);湖南省研究生培養創新基地(2019-45);湖南省學位辦研究生導師團隊項目(2019-111);湖南省學位辦中醫診斷研究生案例庫建設項目。
〔第一作者〕黃淑敏,女,博士,研究方向:心血管疾病本質與生物學基礎研究。
〔通信作者〕*胡志希,男,醫學博士,教授,博士研究生導師,E-mail:515800272@qq.com;胡思遠,男,博士,講師,E-mail:6484808@qq.com。