概要

肺体幹バンディングによる圧力過負荷誘発右心室肥大と失敗のマウスモデル

Published: June 14, 2024
doi:

概要

肺体幹バンディングによって誘発される右心室圧過負荷のマウスモデルについて説明します。この論文には、挿管、手術、および心エコー検査による表現型の詳細なプロトコルが含まれています。挿管や手術にはカスタムメイドの器具が使用されるため、モデルを迅速かつ安価に再現することができます。

Abstract

圧力過負荷によって引き起こされる右心室(RV)不全は、多くの心血管疾患および肺疾患の罹患率および死亡率と強く関連しています。RV不全の病因は複雑で、まだ十分に理解されていません。RV不全の治療のための新しい治療戦略を特定するには、堅牢で再現性のある動物モデルが不可欠です。肺動脈幹バンディング (PTB) のモデルは、RV 機能が肺血管系の変化とは無関係に評価できるため、人気を博しています。

この論文では、5週齢のマウスでPTBによって誘発されるRV圧力過負荷のマウスモデルを紹介します。このモデルは、軽度のRV肥大から非代償性RVの故障まで、さまざまな程度のRVの病状を誘発するために使用できます。挿管、PTB手術、および心エコー検査による表現型の詳細なプロトコルが論文に含まれています。さらに、挿管やPTB手術のための器具のカスタマイズ手順も用意されており、PTBモデルを迅速かつ安価に再現することができます。

チタン製の結紮クリップを使用して肺動脈幹を収縮させ、再現性が高く、オペレーターに依存しない程度の肺動脈幹収縮を確保しました。PTB の重症度は、異なるインナーライゲーションクリップ径 (軽度: 450 μm および重度: 250 μm) を使用して等級付けしました。これにより、RV機能が保持された肥大から、心拍出量の減少と心臓外症状を伴う非代償性RV障害まで、RVの病状が生じました。RV機能は、手術後1週間と3週間後に心エコー検査によって評価されました。心エコー画像と結果の例を以下に示します。さらに、右心カテーテル法と心臓組織の組織学的分析の結果が示されています。

Introduction

右心室(RV)不全は、心不全の症状とRV機能障害に起因する全身鬱血の徴候を伴う臨床症候群です1。RV機能障害は、多くの心血管疾患および肺疾患2の罹患率および死亡率と強く関連しています。RV機能障害の病因は複雑であり、その根底にあるシグナル伝達経路と制御は十分に解明されていません。

現在の治療法からの観察によると、RV機能の改善は後負荷の減少と密接に関連しており、肺血管系が主要な治療目標であることが示唆されています3。このことは、現在の治療法がRV機能に直接的な影響を与えるのは最小限であり、肺血管抵抗の改善後も悪化する可能性があることを示しています3。そのため、後負荷低減とは無関係にRV機能を向上させるためのさらなる研究が大いに求められています。

堅牢で再現性のある動物モデルは、新しい治療薬の探索に不可欠です。慢性RV不全のほとんどのモデルでは、根本的な原因は肺血管系の構造変化によって引き起こされる肺高血圧症です4,5,6。十分に特徴付けられたモデルには、慢性低酸素モデル7,8、Sugen-hypoxiaモデル9,10,11、およびモノクロタリンモデル12,13が含まれます。これらのモデルでは、RVの失敗は肺高血圧症に続発するため、肺血管系への介入の影響をRV6への直接的な影響と区別することは不可能です。

肺血管系から独立してRVを研究するために、肺体幹バンディング(PTB)モデルが人気を博し、マウス、ラット、ウサギ、イヌ、ヒツジ、ブタを含むいくつかの動物種で記載されています6,14,15,16,17,18,19,20,21,22,2324252627。PTBモデルでは、肺幹の狭窄は外科的に達成され、RV圧力6の増加を引き起こします。PTBの適用には、結紮糸または金属結紮クリップ18,28による血管の収縮を含む、さまざまなアプローチが存在する。結紮糸を使用するモデルでは、肺動脈幹が針に結び付けられ、針が引っ込められ、結紮糸が所定の位置に残ります。これにより、針のサイズと結び目18,29の張力に依存する血管の収縮が生じます。金属製の結紮クリップを採用しているモデルでは、肺体幹の収縮の程度がより再現性が高い場合があります。変更されたライゲーションクリップアプライヤーは、ライゲーションクリップを事前定義された一定の直径に閉じるために使用されます。これにより、この分析法はオペレーターに依存せず、疾患の表現型15,27,28におけるPTB関連の変動性が減少します。

マウスPTBモデルは、RV肥大と故障を誘発することが示されています18,28。PTBモデルを使用する際の大きな課題の1つは、RVの病理の望ましい程度を達成するために適切なPTB直径を選択することです。これは、非補償型RVの故障をモデル化しようとする場合に特に困難です。このためには、収縮は、急性RV不全や手術直後の死亡につながることなく、慢性RV不全を誘発するのに十分なほどきつくなければなりません6。この課題を解決するための1つのアプローチは、離乳期または幼体を使用することです6,15。PTBモデルは、Wistarラット離乳子15,30を使用してRV故障のさまざまな段階を研究するために成功裏に使用されています。これを達成するために、成長可能性が残っている幼若ラットは、チタンライゲーティングクリップを適用してPTB手術を受けました。ラットが成長すると、肺狭窄は徐々に重症化し、PTB15,30の重症度に応じてRV肥大または慢性RV不全を引き起こしました。このモデルに触発されて、私たちは、幼若マウスを使用したマウスPTBモデルでRV病理のさまざまな段階を生成できるという仮説を立てました。軽度から重篤な疾患までの幅広いRV病理を研究することは、疾患の進行とRV肥大からRV不全への移行についての理解を解明するのに役立つ可能性があります。

ここでは、PTBによって誘発されるRVの圧力過負荷のマウスモデルを若年マウスで紹介します。このモデルでは、RV肥大から非代償性RV障害まで、さまざまな程度のRV病理を生成することができます。この研究には、挿管、PTB 手術、および心エコー検査による表現型に関する詳細なプロトコルが含まれています。

Protocol

本試験は、デンマーク動物実験検査局(承認番号:2021-15-0201-00928)によって承認され、国家実験動物法に従って実施されました。この研究では、5週齢の雄C57BL/6Nマウスを使用しました。 1. 挿管・手術用器具のカスタマイズ(図1) 注:このセクションでは、挿管およびPTB手術用のカスタムメイド器具を安価で容易…

Representative Results

C57BL/6Nマウス(雄、5週齢、17-20g)を重症PTB(sPTB、250μm、n=12)、軽度PTB(mPTB、450μm、n=9)、偽手術(sham、n=15)のいずれかに無作為に割り付けた。心機能の評価は、手術の1週間後と3週間後に心エコー検査によって行われました。右心カテーテル法とその後の安楽死は、術後3週間で行われました。臓器の重量を量り、組織学的分析のために心臓組織を調製しました。 手術の1週間後の…

Discussion

この論文では、圧力過負荷によるRV肥大と故障のマウスモデルを紹介します。(i) 幼若マウスの PTB は、軽度の RV 肥大から、代償不全の心臓外徴候を伴う RV 障害や組織学的に確認された RV 線維症まで、さまざまな程度の RV 病理を誘発する可能性があります。(ii) RV 機能障害の兆候は、PTB 手術の 1 週間後と 3 週間後に心エコー検査によって観察および定量化できます。(iii)RV肥大の程度は、PTBの…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、Snedkermester Sophus Jacobsen og Hustru Astrid Jacobsens Fond、Helge Peetz og Verner Peetz og hustru Vilma Peetz Legat、Grosserer A.V. Lykfeldt og Hustrus Legatの支援を受けました。さらに、著者らは、オーフス大学臨床医学科の動物施設のスタッフが実験作業の実行中にサポートしてくれたことに感謝したいと思います。

Materials

Biosyn 6-0, monofilament, absorbable suture Covidien UM-986
Blunt cannula, 27G 0.4×0.25,  Sterican 292832
Bupaq Multidose vet 0,3 mg/ml (Buprenorphinum) Salfarm Danmark VNR 472318
C57BL/6NTac mice Taconic Biosciences C57BL/6NTac
Dagrofil 1, braided, non-absorbable suture B Braun C0842273
Depilatory cream  Veet  3132000
Disinfection Swabs (82% Ethanol + 0.5% Chlorhexidine) Mediq 3340122
Disposable scalpels, size 11 Swann-Morton 11708353
Dräger Vapor 2000 Sevoflurane Dräger M35054
Eye oinment neutral, "Ophta" Actavis MTnr.: 07586 Vnr: 53 96 68
Horizon ligating clips Teleflex Medical 5200 (IPN914931)
Horizon Open Ligating Clips applier, curved, 6" (15 cm) Teleflex Medical 537061
Kitchen roll holder n.a. n.a.
Metal wire of different thickness n.a. n.a.
Microsurgical instruments set Thompson n.a.
MiniVent Ventilator Hugo Sachs Type 845
MS505S transducer  Visual sonics n.a.
Rimadyl Bovis vet. 50 mg/ml (Carprofen) Zoetis MTnr: 34547, Vnr: 10 27 99,
Sevoflurane Baxter 100 % Baxter Medical MTnr: 35015
Silicone tubing n.a. n.a.
Soft plastic sheet n.a. n.a.
Stereomicroscope, "Opmi Pico" Carl Zeiss Surgicals GmbH n.a.
Ultrasonic probe holder/rail Visual Sonics 11277
Varming plate  Visual sonics 11437
Venflon ProSafety, 22G, 0,9 x 25mm Becton Dickinson 393222

参考文献

  1. Voelkel, N. F., et al. Right ventricular function and failure: Report of a national heart, lung, and blood institute working group on cellular and molecular mechanisms of right heart failure. Circulation. 114 (17), 1883-1891 (2006).
  2. Haddad, F., Doyle, R., Murphy, D. J., Hunt, S. A. Right ventricular function in cardiovascular disease, part ii: Pathophysiology, clinical importance, and management of right ventricular failure. Circulation. 117 (13), 1717-1731 (2008).
  3. Van De Veerdonk, M. C., et al. Progressive right ventricular dysfunction in patients with pulmonary arterial hypertension responding to therapy. J Am Coll Cardiol. 58 (24), 2511-2519 (2011).
  4. Gomez-Arroyo, J., et al. A brief overview of mouse models of pulmonary arterial hypertension: Problems and prospects. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 302 (10), L977-L991 (2012).
  5. Maarman, G., Lecour, S., Butrous, G., Thienemann, F., Sliwa, K. A comprehensive review: The evolution of animal models in pulmonary hypertension research; are we there yet. Pulm Circ. 3 (4), 739-756 (2013).
  6. Andersen, A., et al. Animal models of right heart failure. Cardiovasc Diagn Ther. 10 (5), 1561-1579 (2020).
  7. Voelkel, N. F., Tuder, R. M. Hypoxia-induced pulmonary vascular remodeling: A model for what human disease. J Clin Invest. 106 (6), 733-738 (2000).
  8. Rabinovitch, M., Gamble, W., Nadas, A. S., Miettinen, O. S., Reid, L. Rat pulmonary circulation after chronic hypoxia: Hemodynamic and structural features. Am J Physiol. 236 (6), H818-H827 (1979).
  9. Taraseviciene-Stewart, L., et al. Inhibition of the VEGF receptor 2 combined with chronic hypoxia causes cell death-dependent pulmonary endothelial cell proliferation and severe pulmonary hypertension. Faseb j. 15 (2), 427-438 (2001).
  10. Ciuclan, L., et al. A novel murine model of severe pulmonary arterial hypertension. Am J Respir Crit Care Med. 184 (10), 1171-1182 (2011).
  11. Nicolls, M. R., et al. New models of pulmonary hypertension based on VEGF receptor blockade-induced endothelial cell apoptosis. Pulm Circ. 2 (4), 434-442 (2012).
  12. Hessel, M. H., Steendijk, P., Den Adel, B., Schutte, C. I., Van Der Laarse, A. Characterization of right ventricular function after monocrotaline-induced pulmonary hypertension in the intact rat. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 291 (5), H2424-H2430 (2006).
  13. Gomez-Arroyo, J. G., et al. The monocrotaline model of pulmonary hypertension in perspective. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 302 (4), L363-L369 (2012).
  14. Janssen, W., et al. 5-ht2b receptor antagonists inhibit fibrosis and protect from RV heart failure. Biomed Res Int. 2015, 438403 (2015).
  15. Andersen, S., et al. A pulmonary trunk banding model of pressure overload induced right ventricular hypertrophy and failure. J Vis Exp. (141), e58050 (2018).
  16. Axelsen, J. B., et al. Effects of 6-mercaptopurine in pressure overload induced right heart failure. PLoS One. 14 (11), e0225122 (2019).
  17. Egemnazarov, B., et al. Pressure overload creates right ventricular diastolic dysfunction in a mouse model: Assessment by echocardiography. J Am Soc Echocardiogr. 28 (7), 828-843 (2015).
  18. Wang, Q., et al. Induction of right ventricular failure by pulmonary artery constriction and evaluation of right ventricular function in mice. J Vis Exp. (147), e59431 (2019).
  19. Kojonazarov, B., et al. The peroxisome proliferator-activated receptor β/δ agonist gw0742 has direct protective effects on right heart hypertrophy. Pulm Circ. 3 (4), 926-935 (2013).
  20. Kojonazarov, B., et al. P38 MAPK inhibition improves heart function in pressure-loaded right ventricular hypertrophy. Am J Respir Cell Mol Biol. 57 (5), 603-614 (2017).
  21. Rai, N., et al. Effect of Riociguat and Sildenafil on right heart remodeling and function in pressure overload induced model of pulmonary arterial banding. Biomed Res Int. 2018, 3293584 (2018).
  22. Sydykov, A., et al. Genetic deficiency and pharmacological stabilization of mast cells ameliorate pressure overload-induced maladaptive right ventricular remodeling in mice. Int J Mol Sci. 21 (23), 9099 (2020).
  23. Andersen, S., et al. Effects of combined angiotensin ii receptor antagonism and neprilysin inhibition in experimental pulmonary hypertension and right ventricular failure. Int J Cardiol. 293, 203-210 (2019).
  24. Andersen, S., et al. Pressure overload induced right ventricular remodeling is not attenuated by the anti-fibrotic agent pirfenidone. Pulm Circ. 9 (2), 2045894019848659 (2019).
  25. Labazi, H., et al. Sex-dependent changes in right ventricular gene expression in response to pressure overload in a rat model of pulmonary trunk banding. Biomedicines. 8 (10), 430 (2020).
  26. Sun, X. Q., et al. Increased mao-a activity promotes progression of pulmonary arterial hypertension. Am J Respir Cell Mol Biol. 64 (3), 331-343 (2021).
  27. Axelsen, J. S., et al. Effects of Empagliflozin on right ventricular adaptation to pressure overload. Front Cardiovasc Med. 10, 1302265 (2023).
  28. Mamazhakypov, A., Veith, C., Schermuly, R. T., Sydykov, A. Surgical protocol for pulmonary artery banding in mice to generate a model of pressure-overload-induced right ventricular failure. STAR Protoc. 4 (4), 102660 (2023).
  29. Boehm, M., et al. Delineating the molecular and histological events that govern right ventricular recovery using a novel mouse model of pulmonary artery de-banding. Cardiovasc Res. 116 (10), 1700-1709 (2020).
  30. Andersen, S., et al. Effects of bisoprolol and losartan treatment in the hypertrophic and failing right heart. J Card Fail. 20 (11), 864-873 (2014).
  31. Hirata, M., et al. Novel model of pulmonary artery banding leading to right heart failure in rats. Biomed Res Int. 2015, 753210 (2015).
  32. Vildbrad, M. D., et al. Limitations and pitfalls in measurements of right ventricular stroke volume in an animal model of right heart failure. Physiol Meas. 36 (5), 925-937 (2015).
  33. Boehm, M., et al. Maintained right ventricular pressure overload induces ventricular-arterial decoupling in mice. Exp Physiol. 102 (2), 180-189 (2017).
  34. Cheng, H. W., et al. Assessment of right ventricular structure and function in mouse model of pulmonary artery constriction by transthoracic echocardiography. J Vis Exp. (84), e51041 (2014).
  35. Luitel, H., et al. Pressure overload leads to an increased accumulation and activity of mast cells in the right ventricle. Physiol Rep. 5 (6), e13146 (2017).
  36. Mamazhakypov, A., et al. Novel therapeutic targets for the treatment of right ventricular remodeling: Insights from the pulmonary artery banding model. Int J Environ Res Public Health. 18 (16), 8297 (2021).

Play Video

記事を引用
Nielsen-Kudsk, A. H., Schwab, J., Sørensen Axelsen, J., Andersen, A. A Murine Model of Pressure Overload-Induced Right Ventricular Hypertrophy and Failure by Pulmonary Trunk Banding. J. Vis. Exp. (208), e66851, doi:10.3791/66851 (2024).

View Video