动物心衰模型的建立

心力衰竭的动物模型

[提要]心力衰竭动物模型的建立对心力衰竭的发病机制、病理生理机制研究及临床预防和治疗起到了重要作用，本文综述了近年来心力衰竭动物模型制备的相关进展。

［关键词］心力衰竭模型

心力衰竭是一种复杂的临床综合征,是各种原因引起的心脏结构和功能异常导致心脏泵血不能满足组织代谢需求,或心脏仅在心室充盈压升高情况下才能泵血正常的病理生理状态,包括快速发生的或缓慢进行性心功能受损，其长期心性死亡率、心血管事件发生率和再住院率均很高，患者生活质量差。据美国国立健康统计中心报告，目前，全美约有200～250万心力衰竭患者，每年新增35～40万新病人。一旦诊断心力衰竭，约有半数患者5年内死亡，重症患者的1年死亡率高达50％。近年来，随着有关心力衰竭基础研究的深入和循证医学的开展，人们对心力衰竭的发病机制、病理生理机制及临床预防和治疗有了更深入的认识，而其中心力衰竭动物模型的成功建立为心力衰竭基础研究和临床应用提供了客观保障和积极贡献。本文着重对近年来有关心力衰竭模型制备的进展作一简述。

1后负荷型心力衰竭模型

1.1主动脉缩窄法常选用大鼠、兔、豚鼠、猪、犬等，方法是分离主动脉上升支或肾动脉以上的腹主动脉，用线结扎或套上压缩环使主动脉口径缩小，以加重心脏后负荷,在心肌肥厚模型形成后,部分可发展为心力衰竭。RandhawaAK等[1]利用压缩环套于guinea猪（平均年龄25+/-3天）的升主动脉上，发现术后10周时心室重量指数、左室壁厚度分别增加56%和33%并伴左室收缩末压的显著增加，术后20周时出现心力衰竭的各种临床表现，包括呼吸困难、紫绀、胸腹水。此时，左室收缩末压下降，舒张末压增加，肺、肝湿重／干重比率增加，心脏胶原含量较术前增加140％，标志心力衰竭形成。DesjardinsS等[2]通过心脏重量指数、心肌组织学变化、±dP/dt的指标观察主动脉缩窄法小鼠发现,术后约82-93周时有32%小鼠出现明显的充血性心力衰竭。这类模型适合于研究充心肌肥厚演变为心力衰竭时病理学机制及充血性心力衰竭治疗后病理改变及亚细胞水平改变。

1.2高血压法

1.2.1肾动脉狭窄性高血压致心衰模型常用大鼠、犬和家兔,选用一定直径的银夹或银环套在一侧肾动脉上或用缝线将相应的铁圈绑扎在血管上面,将缝线结扎紧后取下铁圈。如果是单侧肾动脉狭窄，则应在10天后切除另一侧肾,采用此种方法制备心衰模型需要20周左右[3]。

1.2.2盐敏感性高血压致心衰模型①去氧皮质醇-盐负荷法:将含有100mg的醋酸去氧皮质醇(DOCA)的硅胶管至于鼠腹部皮下,术后长期喂1%盐水,并可配合左肾切除[4]，一般在术后10周出现心衰。②DahI-盐负荷法[5]：喂食Dahl盐敏感大鼠（8～9周龄）8％的NaCl高盐饮食，16～30周心衰可形成。该模型较好的反映高血压导致心力衰竭的病理状态。缺点是形成心衰时间长，心衰发生率不易控制。

2前负荷型心力衰竭模型

2.1动-静脉瘘法通常在肾动脉以下的腹主动脉与下腔静脉间、股动脉与同测股静脉或房间隔造瘘，使体循环动脉血液直接进入静脉，回心血量增多，出现神经内分泌激活，引起容量负荷加重产生心力衰竭。犬在腹主动脉与下腔静脉间造瘘4周后，左室呈离心性肥大，左室舒张末容积及压力增高，心排血量增加，符合高心排出量心衰。此模型不太适合小动物，因小动物静脉薄而脆，造瘘手术不易成功，故有人[6]尝试应用外径0.6mm的细针穿刺C57/BL6大鼠近肾动脉腹主动脉段,后继续进针进入相邻的腔静脉造瘘,撤针后用粘合剂粘合主动脉穿刺点，结果显示，围手术期大鼠死亡率为42％，4周后大鼠心脏重量／体重比较对照组明显增加（7.5±0.2mg/100gvs5.1±0.7mg/100g,P<0.001），心脏出现肥厚，左室舒张末压显著增加，左室收缩力明显受损（6331±412vs4170±296mmHg/s，P<0.05），心衰相关神经激素类物质ANP、cGMP和BNP增加。而OzekC等[7]采用股动脉－股静脉瘘法对15只大鼠制作心衰模型，6只在造模48小时内死亡，其余9只成活，6周后均出现心室肥厚和心力衰竭表现。此种方法相对简单，避免开腹手术，手术成功率较高。

2.2心瓣膜关闭不全法采用切断二尖瓣腱索、乳头肌或用气囊破坏二尖瓣造成二尖瓣关闭不全[8]，或用主动脉瓣穿孔造成瓣膜返流，产生容量超负荷而致心力衰竭。单纯瓣膜关闭不全形成心衰时间较长，故常联合动－静脉瘘或压缩腹主动脉法促进心衰形成。

2.3下腔静脉缩窄法通常将犬的下腔静脉狭窄50％后，静脉回心血量减少，形成低心排血出量性心力衰竭。本模型特点是心排血量低，水钠潴留，肺肝充血、水肿及腹水，适用于研究心衰时神经内分泌系统的改变及药物评价[9]。

3心肌梗死心衰模型

3.1冠状动脉结扎法1881年Samuelson首先利用家兔结扎左冠状动脉主支，复制了动物实验性心肌梗塞模型，自此以后结扎冠状动脉称为复制心肌梗塞心衰模型经常采用的方法。通常结扎左前降支或回旋支冠状动脉，[10]鉴于结扎冠状动脉主干死亡率高（30～60％），故亦有使用多处结扎的方法[11]，即同时或先后结扎几处的冠状动脉分支，已形成一个梗塞区域；或采用一种遇水膨胀的纤维素环（Ameriod），将这种纤维素环套在欲要闭塞的冠状动脉上，环外以金属圈固定，术后两周后可将冠状动脉逐渐闭塞[12]。经验证明，结扎的冠状动脉，因其分布的心肌范围的大小，以及该区内是否有其他冠状动脉的分布，而决定着心肌梗塞的面积，从而决定心力衰竭模型的成功，一般在术后4周左右左室逐渐扩大，出现心功能不全，CO、LVEF及LVdp/dtmax下降，LVEDP和SVR升高。此种模型多采用哺乳动物，其中最常用的是犬，其他还有兔小牛、猪、羊、豚鼠、大鼠等[13~18]。但犬的冠状动脉与人有较大差异，尤其是冠状动脉变异多，侧支吻合丰富，室间隔动脉特别发达，室颤率高。近年报告，猪的心脏在解剖结构、心脏血管分布和心脏/体重比等方面与人的心脏很相似,特别是两者冠状动脉系统的侧支交叉分布都较少以及不易建立新的侧支循环的特性是大鼠、兔和犬的心脏所不可比拟的。此外也有人采用分次结扎猪回旋支后结合心室起搏（220次／分）制作心衰模型亦取得满意效果[19]。

3.2冠状动脉栓塞法此种制作模型方法多适用于大动物，早期多采用油质、石松子孢或汞等弥散性冠状动脉微栓塞或选择性冠状动脉栓塞，近年来多采用塑料微球及明胶海绵法[20,21]，以其数量的多少或球体的大小，可致不同范围的梗塞区，常以某支冠状动脉为目标，通过导管技术输入微粒样或小球类异物，要求较高的导管技术，且需多次冠脉内注射,一般需3～6周形成心衰。另外也有用气囊充气法闭塞冠状动脉法。该种模型克服了以往开胸结扎法造成创伤大、死亡率高的缺点，手术创伤相对小，定位准确，动物较少出现生理紊乱，死亡率低。

3.3冠状动脉血栓形成法给动物喂食高胆固醇饮食二而致冠状动脉硬化形成，这一模型最接近人类冠心病特点，但对于梗塞范围、粥样硬化发展的程度及死亡率都难以控制，因此有学者采用电流刺激导致冠状动脉内皮的水肿、血栓形成致心肌梗塞形成,一般用成年雄性家兔，麻醉后用定向仪插入两支涂绝缘漆的不锈钢针，以弱、强刺激（弱刺激为0.8～1.6mA，强刺激为4～8mA）交替刺激右侧下丘脑背内侧核，每次刺激5分钟，间隔1～3分钟。也有人采用闭胸法，将心导管插入左冠状动脉的前降支或回旋支，然后通过指引导丝将一段不锈钢管或钢丝绕成的线圈经心导管推进冠状动脉，损伤冠状动脉内皮，使管腔狭窄，冠状动脉血流减少，血栓形成，经6～8小时可出现心肌梗塞的表现。该方法手术操作较复杂，动物早期死亡率高[22]。

3.4直接心肌损伤法1908年Loham首先应用福尔马林浸泡的海绵直接损伤心肌，此外也有应用氯乙胺或液氮冷冻、电烧伤、及直接创伤等方法，这一模型产生的损伤部位和范围可以控制，但由于是有创且和生理性心肌梗塞有较大区别，因此已较少应用。

4心脏快速起搏心力衰竭模型Whipple等在1962年已经提出了慢性快速心脏起搏导致心力衰竭的概念，常用于犬、猪、羊等大型动物。起搏电极常从右颈静脉插至右室心尖部，或用开胸方法将电极缝在右心室或左室心尖部心外膜下进行起搏，将起搏器放置在两肩胛骨之间的皮下，或将临时起搏器固定在体外肩背部，起搏频率一般为240～260次／分，犬快速右心室起搏1周后，在血液动力学上可表现出心脏功能的下降，起搏第3周、第4周心力衰竭程度进一步加重，血浆内皮素升高，同时出现活动减少、食欲下降，气促等症状，病理上出现浆膜腔积液、心脏重量增加，符合充血性心力衰竭的特点。心力衰竭的严重程度随起搏时间延长而呈现出逐步进展的趋势，充分反映出本模型心衰程度可控性的特点。目前认为可能与下述的一些病理生理过程有关：（1）起搏早期心搏出量的急剧下降触发Frank-Starling机制引起心脏扩张；（2）过快的心肌收缩导致心肌耗氧增加、糖原和其他能量储存的耗竭；（3）由于心输出量下降、左心室舒张末压的增加及舒张期灌注时间的缩短等综合因素导致冠状动脉的灌注减少，心肌氧供应下降。快速起搏致充血性心力衰竭动物模型在病程上具有可控性的优点，在心力衰竭病程早期的研究，自然病程发展的观察，心脏组织的获得以及分子生物学的改变等方面是一种较为理想的研究充血性心力衰竭的实验模型。

5心肌损害及抑制药物心力衰竭模型

5.1心肌损害药物①常用蒽类抗癌药物，如阿霉素，机制可能与氧自由基的作用及心肌细胞膜对钙离子通透性增高有关。SchwarzER等给予大鼠静脉内注射阿霉素2.5mg/kg共10周制作非缺血性心力衰竭模型，取得满意效果；也有人[23]对犬采用冠状动脉内注射阿霉素(10mg/wk)共5周，射血分数从0.54+/-0.03下降至0.35+/-0.03,心输出量从5.6+/-0.6to3.9+/-0.5L/min,左室舒张末压从76+/-9to99+/-12mL（P<0.05）,符合充血性心力衰竭指标。此种模型可用于对心肌成形术、心脏机械辅助装置、心脏移植和心室缩容术的评价。缺点是造模死亡率高，与人类心力衰竭有较大差距。②静脉大剂量持续静点肾上腺素，即2周内先后共三次静脉给药，首次5μg/kg/min持续60分钟，第二、三次给药均为4μg/kg/min，各持续60分钟[24]；也可以4%异丙基肾上腺素，给大鼠皮下注射50mg/kg体重；或将药物加入500ml盐水中从家兔耳静脉匀速（4小时）滴入，每公斤体重可分别给药10、20、30mg，或直接将药物注入腹腔均可造型。也可用麻醉犬静脉给予麦角新硷0.2mg/kg体重，造成冠状动脉痉挛和心肌的弥漫性损害，最终导致心力衰竭。

5.2心肌抑制药物常用药物有戊巴比妥、心得安、维拉帕米、丙咪嗪、呋喃唑酮和丙烯胺等[25~29]，其诱导心力衰竭的主要机理包括①对心脏抑制的作用，包括负性频率、负性传导、负性肌力，且为剂量依赖性。②过度扩张血管、血压下降，冠状动脉血流下降，降低心肌供血作用。该方法简便易行，但不能反映临床心力衰竭的病理变化。

6遗传型及转基因心力衰竭模型

6.1SH-HF大鼠同种交配18个月前就发生心衰的SHR(SH-HF)，有facp(corpulent)基因的SH-HF大鼠心衰发生较早。该基因编码一个有缺陷的Leptin受体(SH-HF/Mcc-facp)。这些动物的血浆肾素活性、ANP和醛固酮水平随年龄逐渐增高，肾素血浆活性与心肌肥厚独立相关。Gomez等最近用SH-HF做试验结果提示ryanodine受体功能和密度、钙电流密度和SR的钙摄取均正常。但钙电流密度与引起一个Spark的机遇降低，提示钙的内流使SR释放钙的功效减弱，推测这些改变可能与L型钙通道和ryanodine受体之间的空间重塑有关。

6.2基因打靶法基因打靶断裂小鼠肌肉LIM蛋白(MLP)是一种新的心力衰竭模型。MLP是肌组织发生或形成分化的调节剂。MLP敲除的纯合子小鼠发生扩张性心肌病，并有心肌肥厚、间质细胞增殖和纤维化。成年小鼠有与人心衰近似的血液动力学和临床体征。由于两者间的近似，所以提示学者们，造成MLP功能低下的分子机制可能参与人扩张性心肌病的发生。敲除myogenic因子5的小鼠亦发生心肌病

6.3转基因法一种扩张性心肌病的小鼠模型是刺激性心脏G蛋白α亚单位(Gs2)的过度表达。研究提示，这种心肌病模型的病因是慢性交感神经刺激。鼠龄高的小鼠表现出心室扩张，心室功能低下和死亡率增高。过度表达β肾上腺受体激酶或G蛋白-偶联受体激酶5的转基因小鼠，使β肾上腺受体脱偶联，收缩力减弱，但无明显的CHF临床体征。过度表达胰岛素样生长因子-1基因和神经生长因子(NGF)基因的动物亦发生心肌细胞增生和扩张性心肌病。Tropomedulin过度表达模型和表达Epstein-Barr病毒抗原-leader蛋白或多瘤病毒大T-抗原的转基因小鼠亦观察到心肌病。Tropomodulin是决定肌节-肌动蛋白丝长度的薄丝蛋白的一个组成成分。最近报告过度表达tropomodulin的转基因小鼠出生后2-4周即出现扩张性心肌病，心肌收缩减弱和心衰。

7离体法心力衰竭模型离体Langendorff和工作心脏能建立心力衰竭模型，乏氧灌注使心脏缺氧，结扎冠状动脉或停灌使心肌缺血，或用异丙肾上腺素等药物损害心肌可使离体心脏心室功能最后处于心力衰竭状态。可用于评价某些影响心肌代谢的强心药物。

8细菌或病毒心肌炎心力衰竭模型GrandelU等[30]采用葡萄球菌α毒素以0.25~0.5μg/mL灌注离体雄性Wistar大鼠,导致冠状动脉灌注压增高,心肌收缩力下降,水肿形成。也有接种脑心肌炎M变异株发生心肌炎，急性期过后发生充血性心衰。接种后7～14天病毒血症阶段出现心肌细胞坏死、双心室扩张和充血性心力衰竭的体征、心肌功能改变和神经内分泌活化。参与充血性心力衰竭进展的机制可能有：病毒RNA持续存在于心肌、病毒-介导的细胞因子生成，心肌细胞继续溶解，长期免疫反应、继续纤维化及微循环功能异常。肿瘤坏死因子(TNF)升高，用外源性TNF抗体能改善生存率，减少心肌病变，提示TNF在发病中有重要作用。

另一种应用广泛的模型是基于实验性自价免疫性心肌炎[31]。曾用于多种动物种系，它似人的巨细胞心肌炎。用心脏肌球蛋白免疫大鼠21天内出现心肌炎及血流动力学恶化。同时有iNOS表达和活性。各种细胞内抗原亦曾造成自价免疫性心肌炎。用单克隆抗体SR免疫CAF1/J小鼠，发生Ca2+-ATPase抗体心肌炎，用分离的ADP/ATP携带蛋白免疫豚鼠亦发生心肌炎，心肌功能减退。最近，有人通过敲除编码干扰素调节因子的基因成功建立一种小鼠的心肌炎模型，此因子在调节干扰素表达中起重要作用。使小鼠此基因失去活性，小鼠对柯萨奇病毒性心肌炎十分易感。敲除小鼠TGFβ1基因，造成的心肌周围炎与病毒性心肌炎和自价免疫病近似。

9特殊类型心力衰竭模型

9.1右心衰竭模型通常用右冠状动脉结扎术造成右心心肌梗塞，导致右心收缩功能降低造成右心衰竭；亦可用肺动脉缩窄法建立压力超负荷行右心衰竭。此种模型适于肺动脉高压、肺心病、三尖瓣病变和肺梗塞疾患的研究。

9.2舒张性心力衰竭模型国内钟明等[32]通过腹主动脉缩窄建立心肌肥厚动物模型,认为术中关键是确立腹主动脉缩窄范围,若缩窄范围过大则术后易发生ＳＨＦ,若缩窄范围过小则短时间内不易形成心肌肥厚。他们术前应用超声心动图测量腹主动脉内径,以确定缩窄范围。结果显示,在腹主动脉内径减少>50%的手术组兔,围术期死亡率高,术后超声心动图检查亦发现手术组存活兔发生了不同程度的左室扩大、ＬＶＥＦ<50%及心包积液,提示其发生了不同程度的ＳＨＦ;另一方面,腹主动脉内径减少为40%～50%的手术组,兔术后系列超声心动图检查发现左室解剖结构和舒张功能有明显的动态变化。此种舒张性心力衰竭动物模型为研究ＤＨＦ的发病机制提供了可靠的实验对象;在动物模型建立的过程中,超声心动图检查技术为心肌肥厚时左室收缩和舒张功能的监测提供了无创性手段。

9.3中医心力衰竭模型

9.3.1气虚血瘀型心力衰竭模型气虚血瘀为充血性心力衰竭最主要的病理机制,研究气虚血瘀型充血性心力衰竭的发病和治疗具有重要意义。据此,曹雪滨等[通过反复多次大剂量静脉滴注去甲肾上腺素(1ｍｇ/ｋｇ),间日一次,连续应用15次,结果证实模型组动物在发生心肌形态学改变的基础上有显著的血流动力学异常,符合充血性心力衰竭的特点。同时模型组动物具有符合中医理论气虚血瘀证的表现,存在血瘀证的客观指标。

9.3.2心肾阳虚型心力衰竭模型在切除大鼠双侧甲状腺1周后,持续注射阿霉素(ADR),连用2周，结果显示反映虚证的动物外观分值,反映肾阳虚的尿量减少和血清甲状腺素水平下降,反映心气、心阳受损的心肌酶谱等指标均非常突出，心功能检测及病理学检查显示充血性心力衰竭。

参考文献

1

RandhawaAK，SingalPK.JAmCollCardiol,1992;20(7):1569~1575

2

DesjardinsS,MuellerRW,CauchyMJ.CardiovascRes,1988;22(10):696~702

3

NortonGR,WoodiwissAJ,GaaschWH,etal.JAmCollCardiol,2002;20;39(4):664~671

4

TiritilliA.EurJHeartFail2001;3(5):545~551

5

MoriiI,KiharaY,InokoM,etal.Hypertension,1998;31(4):949~960

6

Scheuermann-FreestoneM,FreestoneNS,LangenickelT,etal.EurJHeartFail,2001;3(5):535~543

7

OzekC,ZhangFLineaweaverWC,,etal.CardiovascRes,1998;37(1):236~238

8

AsanoK,MasudaK,OkumuraM,etal.JVetMedSci,2001;63(3):243~250

9

UnderwoodRD,AarhusLL,HeubleinDM,etal.AmJPhysiol,1992;263(3Pt2):H951~955

10

tsuT,AraiY,SudohK,etal.GenPharmacol,1998;30(5):733~737

12

Litraik,J.etal.AmheartJ,1976;53:505

13

MacFarlaneNG,TakahashiS,WilsonG,etal.PflugersArch,1999;438(3):289~298

14

VanKerckhovenR,vanVeenTA,BoomsmaF,etal.EurJPharmacol,2000;397(1):113~120

15

TsutsuiH,IdeT,HayashidaniS,etal.Circulation,2001;104(2):134~136

16

delMonteF,WilliamsE,LebecheD,etal.Circulation,2001;104(12):1424~1429

17

GouldKE,TaffetGE,MichaelLH,etal.AmJPhysiolHeartCircPhysiol2002;282(2):H615~621

18

MihaylovD,ReintkeH,BlanksmaP,etal.IntJArtifOrgans,2000;23(5):325-330

19

ShenYT,LynchJJ,Sh