姜笑雨 劉夢迪 馬嘉昕董 偉張 旭張連峰呂 丹*
(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心,國家衛(wèi)生健康委員會人類疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100021;2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心,北京市人類重大疾病實(shí)驗(yàn)動物模型工程技術(shù)研究中心,北京 100021;3.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心,國家人類疾病動物模型資源庫,北京 100021)
心肌肥厚,作為一種適應(yīng)性效應(yīng),通常包括病理性和生理性兩種類型,而病理性肥厚是導(dǎo)致心衰的獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素[1-2]。心肌肥厚的主要特征包括心重指數(shù)增大、收縮力增強(qiáng),這些皆是心臟功能及心肌耗氧量增加后的代償效應(yīng),同時,它可以在某種程度上維持相對正常的心輸出量和血液循環(huán)功能。所以,心肌肥厚是一個緩慢發(fā)展且有效的代償進(jìn)程。
盡管心肌肥厚在最初的階段可以獲得心肌功能的代償性適應(yīng)效應(yīng),但長期的病理性心肌肥厚,可以導(dǎo)致基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)異常,誘發(fā)嚴(yán)重的心肌纖維化和心肌功能受損,并最終失代償發(fā)展為心衰,甚至死亡。
動物模型是研究發(fā)病機(jī)制的重要工具,而目前報(bào)道顯示,通過手術(shù)或者藥物皆可誘導(dǎo)建立心肌肥厚動物模型。通過手術(shù)誘導(dǎo),如主動脈縮窄術(shù)(transverse aortic constriction,TAC),對操作技術(shù)要求較高,需要長期反復(fù)的練習(xí),且因手法差異的原因,不同技術(shù)員建立的模型,動物表型一致性較差,實(shí)驗(yàn)室間數(shù)據(jù)變異亦較大。利用藥物誘導(dǎo)建立心肌肥厚模型,包括異丙腎上腺素(isoproterenol,ISO),去甲腎上腺素(norepinephrine,NE)和血管緊張素(angiotensin II,AngII)等藥物[3-5],方法簡易,但造模劑量及給藥方式差異較大,建立的模型動物表型變異范圍廣。
異丙腎上腺素已廣泛應(yīng)用于臨床基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究,包括疾病發(fā)病信號機(jī)制,疾病的代謝調(diào)節(jié)調(diào)控,生理進(jìn)程的應(yīng)激反應(yīng)等等多種生物進(jìn)程。其作為非選擇性Beta 激動劑[6-9],其可誘發(fā)心臟驟停已經(jīng)心肌細(xì)胞傳導(dǎo)障礙等,在這種情況下,增加處理劑量后,可繼而誘發(fā)心肌細(xì)胞的不可逆轉(zhuǎn)的刺激和損傷,進(jìn)而引發(fā)心肌缺血性損傷[10-11]。近年來,隨著研究的深入,其在血管內(nèi)皮生成以及細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷方面有了進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)[7,12]。
ISO 可引起大鼠和小鼠心肌損傷、壞死、纖維化和心室重構(gòu)。同時,隨著心臟功能的下降,可出現(xiàn)許多類似于人類心肌肥大的形態(tài)及代謝異常改變。目前,已報(bào)道的經(jīng)ISO 建立的心肌肥厚動物模型,有多種給藥途徑,且劑量范圍差異亦較大,如大鼠皮下注射ISO(5 mg/(kg·d),7 d),大鼠皮下注射ISO(1 mg/(kg·d),10 d),微量滲透泵皮下植入小鼠(50 mg/(kg·d),28 d)等。此外,上述方法建立的動物模型病理發(fā)展進(jìn)程也存在不均一的問題[13-16]。目前,心肌肥厚動物模型制備方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),尤其是大鼠心肌肥厚模型的制備。
因此,我們通過總結(jié)已報(bào)道的構(gòu)建方法,并綜合上述方法的先進(jìn)性、模型表型的均一性,方法的穩(wěn)定性及復(fù)制的難易性等因素。通過皮下植入滲透泵給予ISO,經(jīng)低劑量長時程(4 mg/kg,持續(xù)28 d)誘導(dǎo)建立心肌肥厚大鼠模型,從心臟整體形態(tài)及功能改變、心肌細(xì)胞顯微和超微結(jié)構(gòu)的改變以及分子標(biāo)志物3 個水平進(jìn)行評估,結(jié)果顯示模型動物間病理表型均一性好,心肌肥厚表型典型。
綜上所述,本研究建立的大鼠模型具有典型的心肌肥厚表型,動物表型均一性好、方法穩(wěn)定且易于復(fù)制,更適合于基因功能分析及相關(guān)藥物篩選等科學(xué)研究。
雄性SPF 級SD 大鼠7 只(10~12 周齡,體重250~300 g),由中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所實(shí)驗(yàn)動物資源研究中心繁育并提供[SCXK(京)2019-0011],大鼠飼養(yǎng)于中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所屏障環(huán)境動物房內(nèi)[SYXK(京)2019-0014],同時飼養(yǎng)房間,采用每12 h 進(jìn)行交替明暗式照明。同時,動物實(shí)驗(yàn)中涉及的操作已得到中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所實(shí)驗(yàn)動物使用及管理委員會(IACUC,ZLF18003)的許可認(rèn)證。
異丙腎上腺素(I5627,sigma,美國);WGA 抗體(W7024,Invitrogen,美國);磷鎢酸(Innochem,中國);重鉻酸鉀(Innochem,中國);TRIzol 試劑(Solarbio,中國);10%福爾馬林(益利,中國)。小動物超聲影像系統(tǒng)(加拿大,Vevo3100);逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(TaKaRa,PrimeScript RT reagent Kit,美國);切片掃描機(jī)(徠卡TCS SP2,德國);干燥儀(泰斯特,中國);滲透泵(MODEL 2004,ALZET,美國)。
1.3.1 異丙腎上腺素藥物處理
選擇的滲透泵(MODEL 2004,ALZET)腔體容積為200 μL,泵藥容積為6 μL/d。配制好的ISO(I5627,sigma,藥物劑量為4 mg/(kg·d))注入滲透泵,隨后置入無菌生理鹽水中浸泡至少40 h(37℃)方可使用。對照組滲透泵注入生理鹽水,后續(xù)操作相同。
大鼠經(jīng)異氟烷(1.5%~2.0%)麻醉后,俯臥位放置于手術(shù)臺熱墊上,四肢固定,頸部皮膚經(jīng)備皮及消毒后,剪取1 cm 左右縱向切口,滲透泵從切口處植入頸部皮下位置。經(jīng)縫合消毒后,動物解除麻醉。將動物放置觀察籠內(nèi),直至蘇醒并恢復(fù)正?;顒訝顟B(tài),隨后常規(guī)飼養(yǎng),每日記錄動物狀態(tài),于手術(shù)后28 d 時,對大鼠模型的表型,包括整體形態(tài)和功能,心肌細(xì)胞顯微和超微結(jié)構(gòu)的改變以及分子標(biāo)志物3 個水平進(jìn)行評估。
1.3.2 超聲影像學(xué)檢查
大鼠于超聲檢查前,需經(jīng)麻醉(異氟烷,濃度為1.5%~2.0%)及備皮(胸前區(qū)脫毛,以降低對超聲波的干擾),動物固定于超聲儀自帶操作臺面上(含加熱板,動物采取仰臥位),對大鼠的四肢進(jìn)行固定,以保持檢查全程圖像的穩(wěn)定性。動物麻醉至其呼吸平穩(wěn)后,利用201 探頭,經(jīng)胸前區(qū)長軸和短軸兩個切面,采集灰階模式和運(yùn)動模式信號,經(jīng)3100 工作站數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),導(dǎo)出超聲參數(shù)。包括左室內(nèi)徑(收縮末期和舒張模型兩個節(jié)點(diǎn));左室容積(收縮末期和舒張模型兩個節(jié)點(diǎn));左心室室壁厚度(收縮末期和舒張模型兩個節(jié)點(diǎn))以及左心室收縮功能等多項(xiàng)超聲參數(shù)。
1.3.3 蘇木素伊紅染色
在觀察終點(diǎn)時,對動物實(shí)施安樂死,開胸腔后摘除心臟,并于0℃~4℃的生理鹽水中將心臟中殘余血液清洗干凈,隨即轉(zhuǎn)入預(yù)冷的福爾馬林固定液中固定過夜。修整固定后心臟組織并脫水后制成蠟塊。
切取厚度為4 μm 石蠟切片,經(jīng)干燥儀制片。HE 染色完成后,將切片掃描成電子文檔,并于專業(yè)工作站進(jìn)行圖像分析并截圖。
1.3.4 Masson 三原色染色
在觀察終點(diǎn)時,對動物實(shí)施安樂死,開胸腔后摘除心臟,并于0℃~4℃的生理鹽水中將心臟中殘余血液清洗干凈,隨即轉(zhuǎn)入預(yù)冷的福爾馬林固定液中固定過夜。修整固定后心臟組織并脫水后制成蠟塊。
切取厚度為4 μm 石蠟切片,經(jīng)干燥儀制片。經(jīng)麗春紅染色、磷鎢酸分化、亮綠染色后,隨后經(jīng)脫水透明。染色完成后,將切片掃描成電子文檔,并于專業(yè)工作站進(jìn)行圖像分析并截圖。
1.3.5 透射電鏡觀察
大鼠經(jīng)安樂死后,摘取心臟,經(jīng)生理鹽水清洗,摘取左室處約2 mm3心肌組織,置于2.5%的戊二醛固定液中固定24 h(4℃)。經(jīng)鋨酸固定、梯度乙醇脫水、環(huán)氧丙烷置換,最后經(jīng)環(huán)氧樹脂Epon812 包埋。經(jīng)透射電鏡觀察心肌組織超薄切片結(jié)構(gòu)變化。
1.3.6 免疫熒光觀察
在觀察終點(diǎn)時,對動物實(shí)施安樂死,開胸腔后摘除心臟,并于0℃~4℃的生理鹽水中將心臟中殘余血液清洗干凈,隨即轉(zhuǎn)入預(yù)冷的福爾馬林固定液中固定過夜。修整固定后心臟組織并脫水后制成蠟塊。
切取厚度為4 μm 石蠟切片,經(jīng)干燥儀制片。經(jīng)抗原修復(fù)、Tritox-100 穿透、羊血清封閉后,孵育抗體,于熒光顯微鏡下觀察并導(dǎo)出圖片。
1.3.7 RNA 提取及實(shí)時熒光定量分析
大鼠經(jīng)安樂死后,摘取心臟,經(jīng)生理鹽水清洗后,摘取約20 mg 心肌組織,于自動破碎儀及TRIzol Reagent 裂解后,經(jīng)氯仿分層、異丙醇沉淀及乙醇清洗,即獲得總RNA 提取物。經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄獲得cDNA。經(jīng) PCR 擴(kuò)增 (ANP 引物序列,F:5 ’-GAGCCTGCGAAGGTCAAG-3 ’,R: 5 ’-GTCTGTCCGTGGTGCTGA-3’;BNP 引物序列,F:5 ’-TAGCCAGTCTCCAGAACAA-3 ’,R: 5 ’-AACAACCTCAGCCCGTCA-3’;GAPDH 引物序列,F:5 ’-TATCGGACGCCTGGTTAC-3 ’,R:5 ’-TGCTGACAATCTTGAGGGA-3’),鑒定ANP 及BNP的表達(dá)情況。.
本文數(shù)據(jù)采用GraphPad 軟件(版本Prism 7)統(tǒng)計(jì)處理,獲得數(shù)據(jù)表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(),間采用Student’st分析,且P<0.05 認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
通過總結(jié)已報(bào)道的構(gòu)建方法,并綜合上述方法的先進(jìn)性、模型表型的均一性、方法穩(wěn)定性及復(fù)制的難易性等因素。我們利用植入式滲透泵給予ISO,經(jīng)低劑量長時程(4 mg/kg,持續(xù)28 d)誘導(dǎo)建立了心肌肥厚大鼠模型,并利用超聲影像、病理組織學(xué)觀察、免疫熒光染色及Real-time PCR 等技術(shù),從心臟整體形態(tài)及功能、心肌細(xì)胞顯微和超微結(jié)構(gòu)以及分子標(biāo)志物3 個水平,對模型表型進(jìn)行評估(圖1)。
圖1 基于植入式滲透泵經(jīng)ISO 誘導(dǎo)心肌肥厚大鼠模型及表型評估流程圖Figure 1 Flow diagram of establishment and evaluation of cardiac hypertrophy rat model induced by ISO administered through subcutaneously implanted osmotic pump
首先,超聲影像分析顯示模型大鼠收縮末期前壁和后壁厚度顯著增高(圖2A~2C,LVAWS,P=0.0327,n=3;LVPWS,P=0.0275,n=3),反映心臟收縮功能的射血分?jǐn)?shù)和短軸縮短率(圖2D~2E,EF%,P=0.0206,n=3;FS%,P=0.0188,n=3)亦顯著增高,而模型大鼠左室腔內(nèi)徑?jīng)]有顯著改變,這與臨床上觀察到的心肌肥厚表型一致,即心室壁增厚,心臟收縮功能增強(qiáng),心室腔減少或不改變。
圖2 對照組與處理組大鼠超聲影像分析Note.A,Typical M-mode screenshot of echocardiography.B,LVAWS,Left ventricular(LV)anterior walls thickness at endsystole.C,LVPWS,LV posterior walls thickness at end-systole.D,LVEF,LV ejection fraction.E,LVFS,LV fraction shortening.Compared with control group,*P<0.05.Figure 2 Echocardiographic analysis of rats in control group and treatment group
隨后,我們利用病理組織學(xué)染色觀察模型大鼠心肌組織學(xué)改變,首先,通過模型大鼠心臟長軸整體切片的HE 染色,發(fā)現(xiàn)模型大鼠心臟整體增大,心室壁增厚。同時,大體解剖時經(jīng)心臟濕重獲得的心重/體重比顯著增高(圖3A~3B,HW/BW,P=0.0202,n=3)。這些觀察結(jié)果與超聲影像學(xué)觀察結(jié)果一致。
我們首先通過HE 染色,對模型大鼠心肌顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)模型大鼠心肌纖維發(fā)生不均一性肥大,排列紊亂(圖3C)。
隨后通過Masson 染色觀察模型大鼠心肌膠原沉積情況,發(fā)現(xiàn)模型大鼠纖維化程度顯著增高(圖3D~3E,P<0.0001,n=3)。
圖3 對照組與處理組大鼠心肌病理組織學(xué)檢查Note.A,Whole-heart longitudinal sections with HE staining.B,Ratio of heart weight/body weight.C,Magnification of the whole-heart longitudinal sections with HE staining.D,Magnification of Masson trichrome-stained left ventricle section,myocytes are stained red,and collagen is stained green.E,Quantitative analysis of collagen area. n=3 rats per group and n=9 fields per rat.Compared with control group,*P<0.05,****P<0.0001.Figure 3 Histological analysis in myocardial of rats in control group and treatment group
為進(jìn)一步觀察模型大鼠心肌細(xì)胞形態(tài)并對肥大細(xì)胞進(jìn)行定量分析,我們利用模型大鼠心肌切片進(jìn)行細(xì)胞膜標(biāo)志物WGA(Wheat Germ Agglutinin Conjugate)免疫熒光染色。結(jié)果顯示模型大鼠心肌細(xì)胞不均一性肥大、排列不齊、細(xì)胞膜不連續(xù)、膜結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重,經(jīng)心肌細(xì)胞橫截面積定量分析,顯示模型大鼠心肌細(xì)胞顯著增大(圖4A~4B,P<0.0001,n=3)。
圖4 對照組與處理組大鼠心肌細(xì)胞形態(tài)觀察及定量分析Note.A,Immunofluorescence detection of WGA in the heart tissues.B,Quantitative analysis of cross-sectional area of cardiomyocyte. n=3 rats per group and n=18 fields per rat.Compared with control group,****P<0.0001.Figure 4 Morphological observation and quantitative analysis of cardiomyocytes in control group and treatment group rats
隨后,我們通過透射電鏡觀察了模型大鼠心肌組織超微結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變,我們發(fā)現(xiàn)模型大鼠心肌纖維斷裂,部分區(qū)域出現(xiàn)心肌溶解,并被肌漿網(wǎng)代替,心肌線粒體出現(xiàn)脊消失,甚至空泡化,心肌Z 線、M 線以及閏盤出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲模糊等(圖5)。
圖5 對照組與處理組大鼠心肌超微結(jié)構(gòu)觀察Note.Ultrastructural analysis in left ventricular of heart tissues.Red arrow,Myocardial fiber rupture and myolysis.Blue star,Myocardium was occupied by the sarcoplasmic reticulum.Red star,Mitochondria swelling.Yellow arrow,Ridge smear in the Z-Line and M-line.Green arrow,Leap disk distorted.Figure 5 Ultrastructural observation of heart tissue in control group and treatment group rats
我們隨后利用實(shí)時熒光定量PCR 技術(shù),分析模型大鼠心肌組織內(nèi)心肌肥厚標(biāo)志物心鈉肽(atrial natriuretic peptide,ANP)和腦鈉肽(brain natriuretic peptide,BNP)的表達(dá)變化,從而在分子水平,觀察模型大鼠心肌肥厚表型.結(jié)果顯示模型大鼠心肌組織內(nèi),這兩個分子標(biāo)志物的表達(dá)水平顯著增高(圖6A~6B,P<0.001,P<0.001,n=3)。
圖6 對照組與處理組大鼠心肌肥厚標(biāo)志物分析Note.Quantitative analysis of markers of cardiac hypertrophy,ANP (A)and BNP(B),which determined by Real-time PCR. n=3 rats per group and 3 repeats per rat.Compared with control group,*P <0.05,***P<0.001.Figure 6 Level of markers of cardiac hypertrophy from heart tissues in control group and treatment group rats
已有研究報(bào)道顯示,ISO 作為腎上腺素能激動劑,其可誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣分布紊亂,并導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平異常增高,進(jìn)而引發(fā)心室收縮期縮短耗氧量增大,長期誘導(dǎo)下的心肌細(xì)胞可發(fā)生缺血性梗死[17]。同時,其在代謝過程中產(chǎn)生的氧化應(yīng)激損傷,可繼發(fā)磷脂的過氧化損傷,對心肌細(xì)胞造成損害。研究表明,異丙腎上腺素可引起心肌肥大,心肌纖維化增高,心肌炎癥,長期誘導(dǎo)可引起心室重構(gòu)等不可逆轉(zhuǎn)性損傷[18-22]。
目前,國內(nèi)外心肌肥厚動物模型應(yīng)用最廣泛的誘導(dǎo)方式,包括手術(shù)誘導(dǎo)和藥物誘導(dǎo)兩種。手術(shù)誘導(dǎo)方式對技術(shù)人員的操作要求較高,因技術(shù)水平及操作手法差異等因素,不同課題組建立的手術(shù)誘導(dǎo)模型,動物表型的一致性較差,實(shí)驗(yàn)室間數(shù)據(jù)變異亦較大。利用藥物誘導(dǎo)建立心肌肥厚模型,包括異丙腎上腺素,去甲腎上腺素和血管緊張素等藥物[3-5],雖然誘導(dǎo)方法簡易,但造模劑量及給藥方式差異極大,同時建立的動物模型表型變異也較大,從急性心肌缺血,心肌肥厚到心肌重度纖維化,建立的動物模型病理表型特點(diǎn)也存在明顯差異。如,腹腔注射ISO(2 mg/(kg·d))連續(xù)10 d 可引起大鼠心肌纖維化[23],皮下注射ISO(85 mg/(kg·d))連續(xù)2 d 可誘導(dǎo)大鼠急性心肌缺血[24],皮下注射ISO(0.25 mg/(kg·d)7 d 可誘導(dǎo)大鼠心肌肥厚[25],Chowdhury 等[26]發(fā)現(xiàn)皮下注射ISO(5 mg/(kg·d))連續(xù)14 d 可誘導(dǎo)心肌肥厚,Ardjmand 等[27]發(fā)現(xiàn)每24 h 皮下注射ISO(0.25 mg/(kg·d))連續(xù)2 d 誘導(dǎo)心肌損傷。
總結(jié)已報(bào)道方法,ISO 藥物用量差異大,誘發(fā)的病理表型發(fā)展變異性大。目前,利用ISO 誘導(dǎo)建立的包括心肌肥厚在內(nèi)的多種心血管疾病動物模型,特別是大鼠心肌肥厚模型,尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
滲透泵給藥系統(tǒng),在疾病機(jī)理研究、藥物篩選、藥理及藥物代謝調(diào)控等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,被認(rèn)為是目前較為先進(jìn)的給藥系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)依據(jù)滲透原理輸送靶藥物,并且給藥速度可控[28]。滲透泵植入動物皮下,由于泵內(nèi)滲透壓的作用,當(dāng)達(dá)到平衡后,藥物以恒定的速率輸送到靶部位[29]。
與傳統(tǒng)給藥方式相比,可連續(xù)給藥及給藥劑量準(zhǔn)確,為該系統(tǒng)的優(yōu)勢。所以模型表型的穩(wěn)定性和均一性可大大提高。在藥物篩選和發(fā)病機(jī)制研究中,可以大大減少使用的動物數(shù)量,提高動物福利,降低成本,同時,獲得的數(shù)據(jù)離散程度更小,結(jié)果更可信。
因此,綜合以往方法的先進(jìn)性、模型表型的均一性,方法穩(wěn)定性及復(fù)制的難易性等因素,我們通過皮下植入滲透泵經(jīng)ISO 建立心肌肥厚大鼠模型,并采用低劑量長時程的給藥方案。獲得的模型表現(xiàn)出典型的心肌肥厚表型,包括整體功能和結(jié)構(gòu)形態(tài),心肌細(xì)胞和分子標(biāo)志物,3 個層面的表型分析。
此外,以往關(guān)于ISO 誘導(dǎo)心肌肥厚模型的報(bào)道,主要集中在整體和顯微結(jié)構(gòu)層面的變化分析,對其超微結(jié)構(gòu)的觀察研究較少。本研究中,我們利用透射電鏡技術(shù),發(fā)現(xiàn)了明顯的超微結(jié)構(gòu)變化,包括心肌纖維紊亂、斷裂和肌溶解,肌漿網(wǎng)擴(kuò)張,線粒體嵴消失和空泡化,Z 線、M 線和閏盤結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重扭曲和模糊,這些都為進(jìn)一步理解心肌肥大的組織學(xué)特征提供了證據(jù)和線索。
總結(jié)以往的報(bào)道和我們的研究發(fā)現(xiàn),本文建立的大鼠模型具有典型的心肌肥厚表型,方法穩(wěn)定且易于復(fù)制,更適合于基因功能分析和相關(guān)藥物篩選等科學(xué)研究。