心房颤动动物模型的建立和应用进展

赵成，王坚刚

(首都医科大学附属北京安贞医院心外科，北京100029)

临床常见的心律失常包括心房颤动(房颤)、期前收缩、房室传导阻滞和阵发性心动过速等，其中房颤的发病率和病死率很高，流行病学调查表明，全球大约有3 350 万房颤患者，而全球房颤的总患病率约为0.4%，房颤在发展中国家和发达国家的患病率都在增加，并与全因病死率和卒中的风险增加有关，造成患者医疗费用增加和生活质量下降［1-2］。我国房颤患者约1 000 万，房颤患病率约为0.61%，随着年龄增长患病率增加，80 岁以上人群的房颤患病率高达7.5%［3-4］。脑卒中、心脏骤停及进行性心力衰竭是导致房颤患者死亡的三大主要原因。房颤的发病机制已有多个理论假说，主要包括多发子波折返、局灶激动、转子样激动学说等。目前房颤的治疗主要分为内科治疗和外科手术治疗，内科治疗包括药物保守治疗和导管消融。药物保守治疗包括口服给药和静脉用药，主要通过控制患者心室率和抗凝药预防血栓形成进行治疗，但不作为房颤治疗的最优选择。绝大多数阵发性房颤患者的病灶来源于肺静脉，因此隔离肺静脉已成为所有房颤导管消融的基本策略。目前导管消融的主要方法有冲洗射频消融、冰冻球囊、分割房电图消融等。外科治疗的方法主要有经典迷宫手术、改良迷宫手术、微创房颤消融及杂交手术等。但房颤在临床的治疗效果仍不容乐观，主要原因在于房颤发病机制至今尚未完全阐明。现就房颤动物模型的建立和应用现状予以综述。

1 房颤动物模型

动物模型是指将除人类以外的动物物种应用于疾病或生物学研究，动物模型的建立有助于人类疾病的预测、预防、诊断和治疗等。疾病动物模型是生物医学研究中不可或缺的组成部分。疾病动物模型应具有创建易行性、重现性与经济性的特点。缺乏合适的动物模型是许多重大疾病研究的重要瓶颈。一直以来世界各国都在不断建立和完善各类疾病动物模型，因此，动物模型在医学研究中占有十分重要的地位。

房颤动物模型的建立对房颤机制研究至关重要。目前房颤动物模型主要在大型动物中进行，大型动物模型能够更加宏观地研究房性心律失常，并有助于理解房性心律失常的潜在机制，但应用这些大型动物制备房颤模型需要开胸置入起搏器，操作复杂、费用高;另外，大型动物间也存在着较大的个体差异，影响心电活动对制备条件的反应性，导致研究结论可信度下降。而小动物模型能够为研究心律失常的基本遗传和分子机制提供强有力的工具。小鼠由于其基因序列研究相对清楚而作为主要的小动物模型，并很好地解决了上述的不足。因此，小鼠房颤模型越来越多地被应用于房颤实验的研究。

2 房颤动物模型的制备

2.1 电刺激房颤模型

2.1.1 快速心房起搏房颤模型 快速心房起搏房颤模型是目前研究最多、应用最广泛的房颤动物模型。在房颤发展的整个过程中，心房首先发生电重构，而心房电重构又可促进房颤的延续，因此，房颤电重构被认为是促进房颤的适应性结果［5-6］。犬、羊、猪、鼠等均是研究快速心房起搏房颤模型的良好对象。

犬是快速起搏模型中最常用的动物，犬作为大型动物模型寿命较长、便于开胸置入起搏器，从而使研究更加长期宏观。犬的心内膜起搏和心外膜起搏均能得到稳定的房颤模型。Kato 等［7］对8 只健康成年犬进行麻醉固定后，分离右外颈静脉，将双刺激电极经颈静脉深入心脏，双电极分别放在犬的右心室尖端和右心耳，以80 次/min 和400 次/min 频率同时进行电刺激，经过1 周的连续刺激，8 只犬中有6 只成功诱发房颤，其中4 只犬双侧心房发生心肌病变。除上述的心外膜起搏外，胡嘉禄等［8］建立了犬心内膜起搏，对48 只健康成年比格犬进行研究，随机分为频率不同的高频起搏实验组(5 组)和空白对照组(1 组)，随后对高频起搏实验组中的其中2 组进行麻醉固定，经右侧颈外静脉将4 极导管置于高位右心房，记录高位右心房心电图;使用电生理刺激仪以s1s1 起搏模式、500 次/min、1 000 次/min频率分别起搏高位右心房，持续刺激12 h，12 只犬中有10 只成功诱发房颤，并发现1 000 次/min 频率下高位右心房刺激更易引发房颤;另外，对高频起搏实验组中剩余的3 组进行麻醉后开胸暴露心脏，在起搏高位右心房同时分别将4 极导管缝于左上肺静脉、左心耳和左下肺静脉，记录局部的心内膜电位;使用电生理刺激仪以s1s1 起搏模式、500 次/min、1 000 次/min 频率起搏高位右心房，刺激电压为舒张期阈值电压的2 倍，脉宽为2 ms，持续刺激12 h，18 只犬中有14 只成功诱发房颤，并发现以500 次/min频率刺激高位右心房同时刺激右迷走神经干引发的房颤持续时间更长、更稳定。

羊由于心率与人较为接近，也经常作为快速起搏模型的研究对象。Wijffels 等［9］对12 只山羊进行实验，将电极分别缝于山羊左、右心房的心外膜上，再连接到一个能发放房颤电刺激的电刺激仪上，进行2 周的高频房颤电刺激，结果发现，停止电刺激后12 只山羊中有10 只房颤能自发持续超过24 h。这一实验建立了稳定、持久的慢性房颤模型，同时也是“房颤致房颤”的理论来源。Angel 等［10］将电极经羊的右颈静脉置入心房，将起搏频率设置为50 次/s，进行高频电刺激可以诱发房颤，同时发现慢性房颤山羊与对照组相比有更多的阻塞性纤维化，心肌电传导速度也显著低于对照组。由于羊的房颤不会造成心室功能紊乱，且单纯电刺激房颤诱导时间较长，所以急性房颤模型较少［11］。

中年猪的正常心率也与人相近，且猪作为异种器官移植的热门，建立猪的房颤模型有重要的意义。徐晤等［12］将猪麻醉后经颈内静脉置入刺激电极并埋置于右心房，以AOO 模式起搏，频率500 次/min、脉宽0.15 ms 刺激2 周，房颤诱发率100%，且平均时长26 min。Lee 等［13］将猪麻醉后行胸骨正中切开，将刺激电极置于左心耳，将刺激频率设置为200 次/min和8 次/min，并逐渐缩短刺激周期，21 只猪中有18 只可以成功诱发房颤，平均时长3.6 min。这种房颤诱导技术起效快、可复制、房颤可持续，更易于新技术和方法的评估，无需创建慢性动物模型。

小鼠快速起搏模型制备较为简单，Wakimoto 等［14］对14 只正常小鼠进行麻醉，经颈静脉将八级导管插入小鼠右心房内，以20 ～40 次/s 频率刺激右心房心内膜，成功诱发小鼠房颤;同时对部分实验组给予胆碱能神经兴奋剂后进行相同刺激，结果更易诱发房颤，持续时间最长达35 min，但注射阿托品等胆碱能神经抑制剂后房颤不能诱发。

2.1.2 迷走神经刺激房颤模型 局部的心脏自主神经节参与了房颤的发生和维持，迷走神经对心脏节律的调节十分重要，因此刺激迷走神经可制作动物房颤模型。Zhou 等［15］对18 只犬进行研究，将犬麻醉后开胸，将刺激电极置于心房和肺静脉处，使用电生理仪以s1s1 起搏模式，将电压设为2 ～4 V、频率20 次/s、脉宽0.1 ms 分别刺激左右迷走神经干可成功诱发房颤。鼠的迷走神经刺激操作更为简单，可将刺激电极深入食管内进行心房刺激。Guo等［16］将电极放入鼠食管内，以25 ～100 次/s 频率进行起搏刺激，可成功诱发房颤，且老年小鼠房颤诱导成功率显著高于青年小鼠。相对于快速起搏房颤模型和犬迷走神经刺激房颤模型，鼠迷走神经刺激操作对动物的创伤更小，更符合动物福利要求。

2.2 药物诱导房颤模型

2.2.1 乙酰胆碱房颤模型 乙酰胆碱可以缩短心房的有效不应期，易于折返的形成。心房有效不应期的长短和可连续激动的心房肌数目同时决定了房颤折返环的大小，缩短有效不应期可使参与折返所需要的心房肌数目减少，从而降低房颤发生的条件［17］。此外，乙酰胆碱使窦房结自律性降低，相对地使异位起搏点的自律性上升，从而解除了窦房结对异位兴奋的抑制，增加房颤发生的可能［18］。杨诏旭等［19］将成年健康比格犬麻醉后以乙酰胆碱持续泵入犬的右侧股静脉，并在犬上腔静脉与右心房交汇处和右心耳缝置一对电极，连接电生理刺激仪，刺激后可成功诱发房颤;同时发现心房触发刺激诱发房颤的时间随着乙酰胆碱浓度增大而延长，当浓度增加到(18 ±8)μmol/L 时，所有犬(10 只)均可诱发持续性房颤。曾财武等［20］将不同浓度的氯化钙和乙酰胆碱混合液经尾静脉注入健康成年小鼠体内，建立了小鼠房颤模型，结果发现，房颤通常会出现在刚给药之后的数分钟内，持续时间短暂，持续给药会提高房颤诱发率和持续时间，房颤持续时间达平台期后继续给药会增加致死率。

2.2.2 乌头碱房颤模型 乌头碱直接作用于心肌可使局部相邻心肌间电活动失去同步性，促进钠通道开放，加速离子内流，使细胞膜去极化，使心房传导组织和房室束-浦肯野纤维系统等快反应细胞的自律性提高，从而易于心房内形成多源折返环，进而有利于房颤的发生、发展［21］。李玉光等［22］在犬右心耳或左肺静脉口任意处以0.03%乌头碱5 μL 局部注射，随后在注射部位附近进行5 次持续5 s 刺激，均成功诱发持续性房颤，验证了局灶触发可启动房颤的观点［23］。Sakisaka 等［24］在无麻醉的情况下建立了大鼠的乌头碱房颤模型，27 只大鼠中有21 只成功诱发房颤。

2.2.3 氯化铯房颤模型 氯化铯可阻断心肌内向整流钾通道，钾离子内流减少使心室复极延长，能够在去极化早期产生类似尖端扭转的多形性室性心动过速，并可在心房中产生类似作用，诱发房性心动过速转化为房颤［25］。Satoh 和Zipes［25］对犬麻醉后开胸，向窦房结动脉依次注射5 mL 递增剂量(0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mmol/mL)的氯化铯，9 只犬中有6 只可诱导房性心动过速转化为房颤，成功建立了氯化铯房颤模型，但此模型易造成窦房结动脉缺血。

2.3 创伤性房颤模型

2.3.1 二尖瓣反流房颤模型 房颤的发生与瓣膜病密切相关。Verheule 等［26］将13 只健康成年犬纳入研究，经股动脉插入导管，将导管尖端钩到二尖瓣腱索并拉回以使腱索断裂，并且在经食管超声心动图上观察到急性左心房扩张，直至产生中度至重度二尖瓣关闭不全，造成中至重度的二尖瓣反流，随后将刺激电极植入犬的右心房;数周后给予心房短阵快速刺激，结果发现，52.6%的犬出现持续性房颤，模型犬的左心房增大并出现间质纤维化。这一房颤模型可用于瓣膜病合并房颤的研究，与风湿性心脏病的原理非常相似。

2.3.2 无菌性心包炎房颤模型 心包炎被认为是开胸手术后发生房颤的重要原因，有学者认为单折返环伴颤动样传导是本型房颤发生的可能机制［27］。Pagé 等［28］首次建立了犬无菌心包炎房颤模型，在全身麻醉下，在心包切开术后，将心脏置于心包中，并将三对不锈钢丝电极分别缝合到右心房的窦底部、心房间带和冠状窦附近左心房的后下方，这些电极通过胸壁引出，并在靠近中线的颈部向后外露;然后用无菌滑石粉均匀撒在心房表面，在右心房和左心房壁上放置单层纱布，缝合心包与胸壁;术后行快速心房起搏可成功诱发房颤，25 只实验犬中有23 只成功诱发房颤，且17 只持续时间超过5 min。

2.3.3 慢性心力衰竭房颤模型 慢性心力衰竭是临床上引发房颤的最常见原因之一。Li 等［29］在18 只犬的颈部皮下植入心室起搏器，并将起搏电极附着于右心室，起搏器被编程为以频率240 次/min刺激右心室3 周，然后以频率220 次/min 刺激2 周;房颤诱导是在360 ms 的间期处进行多达3 次连续的额外刺激，然后进行心房短阵快速刺激起搏;结果发现，18 只犬中有10 只能成功诱发出房颤。郭成军等［30］将健康成年杂种犬麻醉后，切开颈部皮肤，经颈内静脉插入起搏电极，起搏电极位于右心室心尖处和高位右心房、右心室侧壁和右后房间隔，行心室起搏，起搏频率为200 ～500 次/min，持续3 ～7 周;起搏后心脏超声示左心室射血分数降低，右心房增大，发生充血性心力衰竭，建立了犬心力衰竭房颤模型。

2.4 基因工程房颤模型 小鼠实验操作相对简单且费用较低，而且人类对小鼠的基因研究相对透彻，是制作基因模型的良好物种。调控基因的表达可以增强或降低房颤的易感性。

在房颤导致的心肌变化中，心肌纤维化被认为尤其重要，心肌纤维化有可能引起心房传导不均匀。虽然导致纤维化发展的潜在分子机制是复杂的，但研究表明，转化生长因子-β1信号通路可能在心房纤维化的发展中起到重要作用［31］。戴友平等［32］将成年比格犬麻醉后植入心室起搏器，以频率230 次/min起搏7 周，建立犬持续性房颤模型;随后将其处死取心房组织进行免疫组织化学染色，结果发现，心房组织中Ⅰ型胶原纤维明显增加，转化生长因子-β1高表达，更容易发生房颤。

此外，Aschar-Sobbi 等［33］的研究结果表明，房颤与激烈的耐力锻炼有关，激烈的耐力锻炼在增加心泵功能和降低心率的同时，也增加炎症、纤维化等发生的机会，而肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)参与诱导心房重构，TNF-α 基因的消融可防止心房重构和运动引起的房颤易感性。Ruibin 等［34］研究认为，以血清TNF-α 升高为标志的炎症状态与房颤本身有关，TNF-α 可能是房颤发生的一个弱修饰因子，而不是一个独立的危险因素。

长期的离子失衡也可诱发房颤。钙电流是支撑动作电位平台期的主要电流，若钙离子通道开放减少，钙离子内流减少，可导致动作电位平台期缩短、动作电位时长缩短，有效不应期也随之缩短，心房肌细胞钙稳态异常，进而导致房颤的发生［35］。肌质网钙通道2 型雷尼丁受体(ryanodine receptor 2，RyR2)稳定性下降是发生心房钙稳态异常的主要因素之一，心肌细胞中的钙离子主要通过肌质网RyR2 通道释放，RyR2 在心肌的舒张期保持关闭，对细胞内钙稳态具有重要作用;RyR2 在心肌舒张期的异常开放会导致钙泄漏增多，进而导致细胞内钙离子浓度异常升高，钙离子向细胞外转移的同时与细胞外的钠离子进行比例交换，产生净内向阳离子移动，导致心肌细胞滞后除极，当达到心肌细胞的兴奋阈值时，触发局部电活动，进而发展为局部折返环的形成，使房颤持续［36］。Xie 等［37］制作RyR2-S2808D+/+转基因鼠，使鼠细胞内外的钙离子失衡随年龄增长而增加，经食管迷走神经刺激可诱发房颤。环腺苷酸应答元件调节蛋白(cAMP responsive element modulator，CREM)是心脏基因表达的重要调节因子，Li 等［38］制作的CREMΔC-X 转基因小鼠成功诱发房颤，亦与RyR2 在心肌舒张期异常开放导致的钙泄漏有关，并发现随年龄增大，钙泄漏更加严重，更容易发生房颤。

3 小 结

房颤动物模型的建立和应用为探索房颤的发病机制和指导临床提供了重要的基础。但目前房颤动物模型尚无完善的评估方法，其选择的实验动物和干预措施也有较大的差异，使房颤模型的可靠性、稳定性和适用性等受到质疑。因而，制作可靠性好、稳定性高、适用范围广的房颤模型是今后的努力方向;提高房颤持续时长、简化操作方法是房颤动物模型的进一步追求。与此同时，房颤致病基因的发现也使研究者能够通过调控基因的表达增强或降低房颤的易感性。基因工程房颤模型的建立为房颤的临床治疗提出了新的策略。