心力衰竭动物建模的进展

游月婷 黄刚 张小刚 张亚丽 邓自刚 屈树新 靳忠民 徐俊波

(1.成都市第三人民医院心内科 西南交通大学附属医院 西南交通大学医学院，四川 成都610031；2.西南交通大学机械工程学院，四川 成都610031；3.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都610031；4.西南交通大学材料科学与工程学院，四川 成都610031)

心力衰竭(心衰)是一种复杂的临床综合征，是各种心脏疾病的严重表现或晚期阶段，其死亡率和再住院率居高不下[1]。发达国家的成人心衰患病率为1%～2%，在中国35～74岁人群心衰患病率约为0.9%[2]。而动物模型作为研究心衰的重要载体，能在研究心衰的潜在病理生理机制和治疗手段中发挥重要作用。现对目前常用的不同病因所致的心衰动物模型做一综述。

1 心衰模型常用动物

心血管研究中常用的动物有大小鼠、家兔、犬、猪和绵羊。常用动物大小鼠和家兔具有价格便宜、安置方便和孕期短的优点；猪、犬和绵羊的心血管系统与人类更相似，是心脏研究的理想模型，但获取、安置困难并且孕期长。

2 心衰建模方法

心衰有多种不同的表型和病因，涉及心肌收缩力异常、血流动力学改变、心室重塑、神经体液激活和细胞因子过度表达等多个方面，研究人员常须根据具体研究来建立不同的动物模型。目前常用的有压力负荷模型、容量负荷模型、缺血性模型、快速起搏模型、药物诱导模型、转基因型和遗传型心衰模型。

2.1 压力负荷心衰模型

主动脉缩窄(transverse aortic constriction，TAC)建立的心衰模型是研究压力超负荷后心脏发生不良重构的常用模型，其原理是将升主动脉或腹主动脉与缩窄环或注射针头捆绑在一起造成主动脉狭窄。Eichhorn等[3]建立一种微创闭胸的TAC术式，在超声协助下经第二肋间外侧手术入路结扎小鼠的主动脉弓，术后21 d小鼠的收缩压、收缩末期容积以及舒张末期容积均显著升高。与传统TAC术式相比，该术式最大的优点在于不切断肋骨进行TAC，将手术创伤降到最低。TAC建立的心衰模型稳定性较好，重复性较高，接近临床上因主动脉狭窄导致的慢性心衰，缺点在于造模周期相对较长[4]。

肺动脉环缩术(pulmonary artery banding，PAB)的原理是手术缩窄肺动脉，使右心室后负荷增加，排血障碍，进而导致右心室肥厚并发展为右心衰。Ukita等[5]通过左肺动脉结扎结合进行性主肺动脉环扎诱导绵羊肺动脉高压和右心室肥厚模型，该方法可根据动物的耐受性来调节右心室后负荷，动物急性死亡率低，模型重复性好，手术创伤小，建模过程持续60 d。

盐负荷法通过模仿高血压心脏病的病理过程来制作心衰模型，使其出现水钠潴留，加重心脏前后负荷，高盐饲料(8% NaCl)喂养大鼠8周可建立射血分数保留性心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)动物模型[6]。该模型呈现慢性心衰的早期病理生理变化，操作简单，价格便宜，缺点在于建模所需时间久。

2.2 容量负荷心衰模型

心脏瓣膜关闭不全和动静脉瘘可致容量负荷(前负荷)增加。动静脉瘘模型常选择在腹主动脉和下腔静脉、股动脉和股静脉及颈动脉和颈内静脉间行造瘘术，使血液从动脉系统分流到静脉系统，以增加回心静脉血量和心脏前负荷，最终导致心力衰竭[7]。腹主动脉-腔静脉分流术是一种简单快速有效的术式，Yamamoto等[8]术中暴露腹主动脉及下腔静脉，从腹主动脉进针，穿透腹主动脉与下腔静脉的相邻壁面，再封闭主动脉穿刺口，肉眼可见下腔静脉内的搏动性动脉血流是分流成功的标志。术后数周内动物出现失代偿性心室肥厚及心功能下降[7]。这种模型的优点在于操作简单，适于研究舒张性心衰[9]，剖腹手术引起创伤性较大。

猪二尖瓣反流(mitral regurgitation，MR)模型是一种常见模型，经心导管介入切断二尖瓣腱索建立MR模型[10]。左心室前负荷突然增加，心脏无法适应突然的血流动力学改变而发生急性心衰[11]。该模型适于研究急性心衰，但不适用于小动物。

2.3 缺血性心衰模型

心肌缺血或心肌梗死是致心衰的常见危险因素，通过结扎冠状动脉左前降支可模拟缺血性心衰[12]。Chinyere等[12]通过左侧开胸手术，将结扎带固定在大鼠左冠状动脉近端以进行闭塞，三周后的超声心动图筛查显示心衰大鼠的左室射血分数降低至40%以下。小动物心脏小、搏动快，肉眼难以辨认左冠状动脉，对操作者的水平要求高。

冠状动脉微栓塞术利用导管介入技术将汞、塑料微球等栓塞物质注入动物冠状动脉，模拟慢性缺血性心衰的病理过程。Abukar等[13]在3周内对绵羊进行连续3次栓塞术，将微球(45 μm，1.3 mL)注入左冠状动脉近端或冠状动脉左降支，12～14周后绵羊的射血分数降低至45%以下。术后有明显的左心室功能障碍、心室扩张、血管阻力增加及神经内分泌系统激活[14]。该模型的优点在于经皮诱导冠状动脉栓塞创伤小，反映心衰的自然病理变化和血流动力学变化；缺点在于确定栓塞冠状动脉的精确长度及部位难度较大，仅适用于大动物，费用较高。

2.4 快速起搏心衰模型

快速起搏使心肌耗氧量增加，破坏钙离子通道和细胞间质结构，导致心室重塑诱发心衰。经静脉将起搏导线插入实验动物的右心室心尖部，连接脉冲发生器，起搏频率为180～240次/min，在3～5周内诱导产生充血性心衰[15]，呈现出与人类心衰相似的血流动力学及神经激素等方面的变化[15]。快速起搏心衰模型适用于大动物，建模方法简单、创伤小、建模过程可控，但难以模拟充血性心衰的全部特点，与缺血性心衰和高血压心脏病引起的组织结构改变截然不同。

2.5 药物诱导的心衰模型

目前常用的造模药物有阿霉素和异丙肾上腺素(isoproterenol，ISO)，注入动物体内会引起心脏损伤或心肌功能异常从而导致心衰。阿霉素是一种蒽环类化疗药物，是治疗多种血液系统肿瘤和实体肿瘤的基础药物，其对心脏的毒性会导致心肌细胞损伤和心脏功能下降[16]。Lódi 等[17]经大鼠尾静脉注射1.5 mg/kg阿霉素，随后大鼠射血分数和心输出量降低，左心室舒张末期和收缩期内径指数增加。左心室功能不稳定是该模型的缺点，易导致致死性心律失常。

ISO是一种β-肾上腺素能受体激动剂，根据给药剂量和时间可建立三种模型：低剂量ISO[0.3～6.0 mg/(kg·bw)]给药1～3周可诱导以心肌纤维化和坏死为特征的心肌肥厚模型；中等剂量的ISO [10～85 mg/(kg·bw)]连续给药两次可建立急性心肌梗死模型；大剂量的ISO[150～300 mg/(kg·bw)]单次给药即可诱导弥漫性的心肌坏死[18]。该方法建立心衰模型操作简单、可重复性高、创伤小。

2.6 转基因型和遗传型心衰模型

转基因动物模型可模拟人类疾病的基因型和表型，使人们能从细胞、组织、器官及全身水平了解疾病特异的心脏功能[19]。自发性高血压大鼠(spontaneously hypertensive rat，SHR)是一种常用的遗传性高血压模型，用于模拟人类高血压引发的心衰，以及研究从心脏重塑到心衰的转变过程[14]。Jiang等[20]删除出生后小鼠心肌细胞中的Rhau(一种具有G4分解酶活性的RNA结合蛋白)，Rhau缺乏的小鼠出现进行性心室重塑、心衰甚至死亡。转基因模型能为心衰的基因治疗提供理论基础，但不能完全真实反映临床患者的病因以及病理情况。

对不同心衰建模方法优、缺点的比较见表1。

表1 不同心衰建模方法比较

3 不同病因心衰动物模型

3.1 缺血性心肌病

冠状动脉狭窄引起部分心肌细胞缺血坏死，心肌缺血模型能再现冠心病患者心衰的发展过程，冠状动脉结扎术最常用，冠状动脉栓塞术次之，液压封堵器或无氧环缩窄器以及冷冻损伤模型则少见[23]。

3.2 扩张型心肌病

扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)是最常见的遗传性心肌病[24]，快速起搏法常用来建立DCM模型，以研究左室收缩功能障碍、心肌细胞收缩功能障碍和神经激素激活[15]。研究人员利用重组酵母酶D-氨基酸氧化酶，快速、特异、可逆地控制心肌细胞中的氧化还原应激反应，成功建立DCM化学遗传模型[25]。

3.3 糖尿病心肌病

糖尿病使患者发生心衰的风险增加5倍，心血管并发症是糖尿病患者高死亡率的主要原因[26]。链脲佐菌素(streptozotocin，STZ)与葡萄糖结构相似，对胰腺β细胞有毒性作用；腹腔注射后，STZ会被葡萄糖转运蛋白2转运到胰腺β细胞，致其坏死[27]。OVE26小鼠是一种1型糖尿病模型，其胰腺β细胞过度表达钙结合蛋白钙调蛋白，致胰腺β细胞损伤[28]。高脂饮食可诱导肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病的动物模型[29]。

3.4 高血压心脏病

高血压是充血性心衰的相关因素，常将SHR作为研究高血压心衰的动物模型，其病理学类似于人类原发性高血压[30]。

3.5 肥厚型心肌病

肥厚型心肌病的动物模型可通过诱导甲亢性心肌病来建立。甲亢性心肌病是指过多的甲状腺激素直接或间接作用于心脏而引起的心脏增大、心功能不全和心房颤动等一系列心血管疾病。连续腹腔注射100 μg左旋甲状腺素28 d，可建立甲亢性心脏病心肌肥厚动物模型[31]。

3.6 瓣膜性心脏病所致心衰

二尖瓣反流模型可重现二尖瓣关闭不全引起的心衰[10]，主动脉缩窄术可模拟主动脉瓣狭窄导致的心衰[4]。

表2 不同病因心衰模型的选择

4 不同表型心衰动物模型

HFpEF表现为舒张功能障碍，通常是慢病的结果，如高血压、糖尿病、心房颤动、衰老、肥胖或肾功能障碍[32]。高血压脱氧皮质酮-醋酸脱氧皮质酮-盐处理猪是射血分数保持不变的早期心衰模型，在该模型中，醋酸脱氧皮质酮猪出现左心室向心性肥厚和左心房扩张，而安静状态下左室射血分数和心衰症状无明显变化[33]。

射血分数降低性心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)则表现为收缩功能障碍，多种心脏疾病可导致HFrEF，包括冠心病和心肌病[34]。通过诱导这些疾病模型的病程进一步发展则可得到HFrEF模型[35]。

HFrEF和HFpEF模型已建立并优化，但理想的中间范围射血分数心力衰竭模型尚待开发和建立。

5 器械及药物研究中常用的动物模型

近年来，治疗心衰的器械推陈出新，如心肌收缩调节器[36]、迷走神经刺激系统[37]等。在器械研究中，大型动物常作为研究对象，冠状动脉微栓塞术是最常用的造模技术，因其创伤小，能保留动物的胸腔解剖结构，利于后期的设备植入[38]。药物研究更倾向于性价比较高的小型动物，建模方式常根据具体研究选择。

6 小结与展望

心衰的死亡率与再入院率不断攀升，其治疗是现在心血管领域的研究焦点和难点。而心衰动物模型作为研究心衰的重要载体，在研究治疗心衰的药物和器械方面是不可或缺的。不同心衰动物模型的心功能改变及机制各有不同，选择合适的心衰模型是研究成功的前提，本文综述了国内外的多种用于研究心衰的动物模型，为各位同道提供参考。在研究目前常用的心衰动物模型时，也应该发展更符合临床需求的模型，来进一步探索心衰的发病机制以及病理生理学，并为研究心衰的新疗法提供更好的平台。