射血分数保留心力衰竭的动物模型*

2022-12-01马文瑞邱志华周子华

华中科技大学学报（医学版） 2022年5期

李欣，马文瑞，邱志华，周子华

华中科技大学同济医学院附属协和医院心内科，武汉 430022

射血分数保留心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)是指具有心力衰竭(心衰)的症状和体征，同时左室射血分数(left ventricular ejection fraction，LVEF)≥50%的复杂临床综合征[1]。中国心衰注册中心研究分析我国2017～2018年住院的心衰患者，发现此1年内因为心衰住院的患者比例为32.8%，其中HFpEF患者占总心衰住院患者的43.0%[2]。HFpEF是由一系列的高危因素和合并症作用于心脏而导致，包括衰老、高血压、糖尿病和肥胖等[3]，其病理生理机制和临床特点具有高度异质性，发病机制尚不清楚，可能是由于以上因素引起心脏血管内皮功能异常、氧化应激、炎症等，引起心肌肥厚、心脏纤维化，进而发生心脏顺应性下降、心室舒张功能障碍，最终引起HFpEF[4]。目前临床尚无特异性治疗HFpEF的药物，并且大部分对射血分数降低心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)治疗有效的药物对HFpEF疗效不佳[5]。因此，当前迫切需要适合的动物模型来研究HFpEF的发病机制以及有效的治疗策略。本文综述了目前常用于研究HFpEF的4类动物模型，即高血压模型、肥胖和糖尿病模型、衰老模型及“多重打击”模型，分析其成模效果，并与临床上HFpEF对比，总结其优缺点。

1 高血压模型

高血压是HFpEF发生的主要危险因素之一，是我国心衰住院患者最常见的病因，占比54.6%[2]。血压升高引起心脏后负荷增加，通过肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)、交感神经系统、细胞外/细胞内信号转导通路改变等造成心肌肥厚、心脏纤维化，从而导致心脏舒张功能障碍，最终引起HFpEF[6]。

1.1 主动脉缩窄模型

主动脉缩窄(TAC)模型是一种通过外科手术结扎主动脉弓慢性诱导左室压力超负荷，进而引起心肌肥厚的HFpEF模型。该模型的疾病进展过程取决于所选的实验动物品种、年龄、性别以及结扎的程度，TAC小鼠模型最早可在造模后7 d出现心肌肥厚[7]，造模4周后出现失代偿性心衰[8]；TAC大鼠模型中这个过程则更缓慢一些，但最终都会进展为HFrEF。TAC模型缓慢刺激心脏使其从代偿性心肌肥厚进展到HFpEF[9]，虽然这个过程与人类HFpEF的发生相似，但是其晚期从HFpEF进展到HFrEF的过程在人类HFpEF中是不典型的[10]。因此，在选择该模型进行HFpEF研究时，应注意实验动物的选择和实验时机。

1.2 血管紧张素Ⅱ模型

血管紧张素Ⅱ(ANGⅡ)是RAAS的主要效应分子，可使全身小动脉收缩而升高血压[11]。目前已有许多实验在不同时间内(2～8周)[12-13]对6～8周龄的雄性小鼠皮下渗透泵注射不同剂量[0.2～3.2 mg/(kg·d)][13-14]的ANGⅡ，心脏超声和压力容积曲线均提示舒张功能障碍。通过比较以上不同实验周期和不同给药剂量的ANGⅡ模型，发现血压升高与否与ANGⅡ的给药剂量有关，但心脏舒张功能的降低并不依赖于血压的升高。由于该模型使用的ANGⅡ剂量、造模周期以及造模的效果有较大的差异，因此实验者需根据实验目的去选择适合的剂量和周期。此外，该模型中使用的ANGⅡ的剂量远超循环中ANGⅡ的生理水平。因此，该模型是否可以模拟临床HFpEF还需要进一步证实。

1.3 醛固酮+单侧肾切除模型

醛固酮+单侧肾切除模型采用皮下渗透泵注射醛固酮联合单侧肾切除，并用1%的氯化钠饮水喂养实验动物4周造成血压升高；此外，该模型动物还有肺淤血和运动耐量下降的表现[15]；超声提示舒张功能相关指标异常，LVEF正常[16]。与临床情况相比，动物模型中的醛固酮的上升水平与人类HFpEF上升水平相仿[17]。同时单侧肾切除可以使实验动物处于慢性肾脏病(CKD)的状态[18]，而CKD是HFpEF常见的非心脑血管疾病合并症[2]。该模型通过模拟临床中HFpEF的两种常见合并症来诱导HFpEF的产生，更符合疾病的发展规律，但目前该模型用于HFpEF研究的周期都比较短，该模型长期的稳定性和变化尚不清楚。

1.4 Dahl盐敏感大鼠模型

Dahl盐敏感大鼠(DSSR)是Sprague-Dawley大鼠的一个突变品系，对盐高度敏感。用高盐(8%氯化钠)喂养6～8周龄的DSSR可诱导其血压升高，并伴有肺淤血和运动耐量下降的表现；超声和压力容积曲线提示舒张功能障碍以及心室肥厚，LVEF正常[19]。高盐饮水喂养7周龄和8周龄的DSSR则会分别建立不同的心衰模型，高盐喂养7周龄的DSSR，其血压急剧上升、左室进行性肥厚，并在19周有显著的HFpEF表现；而高盐喂养8周龄的DSSR，其血压升高较平缓、左室进行性肥厚较轻，并在26周发展为HFrEF[20]。然而，DSSR模型动物有非常高的收缩压(>175 mmHg，即23.275 kPa)，这与人类HFpEF的血压改变不相符，临床上HFpEF患者的血压通常只是轻、中度升高[21]。在利用DSSR建立HFpEF模型时，应注意DSSR的周龄以及干预的时间，否则该HFpEF模型将进展为HFrEF模型。

1.5 醋酸去氧皮质酮-盐高血压模型

醋酸去氧皮质酮(DOCA)-盐高血压模型是一种典型的药物诱发高血压模型。对6～10周龄的实验动物进行单侧肾切除手术，手术1周后通过腹腔注射或者皮下注射DOCA 4周，同时用1%的氯化钠饮水喂养，诱导实验动物产生高血压，但没有肺淤血的表现[22]；超声和压力容积曲线提示舒张功能障碍，LVEF保留[23]。DOCA-盐大鼠有心肌肥厚的表现，但血压无显著变化或者轻度升高[24]，这与其他心肌肥厚的大鼠模型所表现出来的反应不同[25]。因此，DOCA-盐大鼠模型是否能够代表高血压诱导的HFpEF仍待讨论。

1.6 自发性高血压大鼠模型

自发性高血压大鼠(SHR)是一种易患高血压的近交品系，表现出与人类原发性高血压相似的疾病过程[26]；除此之外，SHR模型避免了外科手术和药物诱导带来的一系列并发症。与人类不同的是，高血压可较早出现于SHR(出生后12个月内)；但人类原发性高血压的发生则主要集中在中老年人群[27]。在18～24个月后，超过一半的SHR进展为失代偿性心肌肥厚，同时有左室扩张和LVEF显著下降的表现[28]。因此，除了造模周期长之外，SHR模型最终进展为HFrEF也限制了其在HFpEF研究中的应用。

2 肥胖和糖尿病模型

代谢紊乱是HFpEF发生的另一主要危险因素，主要包括肥胖和糖尿病。我国心衰住院患者中HFpEF患者的平均体重指数在24.2 kg/m2，其中合并有糖尿病者占28.5%[2]。肥胖会增加患高血压、糖尿病、血脂异常的风险[29]。系统性的胰岛素抵抗和高血糖会诱发心脏的胰岛素抵抗和神经内分泌系统、交感神经系统、细胞因子的失衡，从而引起心肌肥厚、心脏纤维化，进而损伤心脏的舒张功能，最终引起HFpEF[30]。

2.1 db/db小鼠模型

db/db小鼠编码瘦素受体的基因发生点突变，从而导致瘦素受体缺陷，能自发地产生病态性肥胖同时伴随严重的高血糖、胰岛素抵抗和胰岛素分泌缺陷，与人类2型糖尿病的发病机制相似[31]。随着年龄的增长，12周龄的db/db小鼠开始出现心脏舒张功能障碍，病理表现还有心肌毛细血管密度减低和肺淤血[32-33]。此外，有显著的运动耐量下降表现；在6月龄时，小鼠的心脏收缩功能仍维持正常[34]。在db/db小鼠体内，利钠肽的水平是下降的，这与人类肥胖相关的HFpEF患者循环中的利钠肽水平的改变一致[35]。因此，该模型适用于合并肥胖和2型糖尿病的HFpEF研究。

2.2 链脲霉素大鼠模型

链脲霉素(STZ)是一种对胰岛β细胞具有选择性毒性作用的物质，可导致胰岛素分泌减少和高血糖，进而诱导产生1型或2型糖尿病。STZ诱导糖尿病的类型取决于注射STZ的剂量和持续注射的时间，高剂量的STZ会导致1型糖尿病，多次低剂量注射STZ会导致2型糖尿病[36]。STZ诱导的糖尿病大鼠表现出许多与人类1型和2型糖尿病相似的心血管系统的改变，但血压保持在正常水平[37]。将它用于研究心血管系统疾病和HFpEF的模型有一定的局限性，一是因为现有研究表明STZ诱导的糖尿病模型所产生的心血管系统改变部分是由于STZ药物本身导致[38]；二是因为LVEF的变化在这个模型中并不稳定，有的实验中，LVEF是保留的[39]，但有的实验中，LVEF会随着糖尿病的进展而降低[40]。

3 衰老模型

衰老是人类多种疾病发生的重要危险因素。根据我国心衰住院患者流行病学调查显示，在超过75岁的住院心衰患者中，HFpEF占比47.1%，超过了HFrEF和射血分数轻度降低心衰(HFmrEF)的患者比例[2]。衰老主要在改变心肌的被动张力和心肌细胞的主动舒张能力方面起作用，其机制可能与线粒体氧化应激有关[41]。

3.1 Fisher 344衰老大鼠模型

Fisher 344衰老大鼠模型能够模拟出包括心脏在内的多种器官衰老的病理生理机制。22月龄的Fisher 344衰老大鼠表现出轻微的、进行性的左室舒张功能异常[42]；到25月龄时，出现明显的肺淤血表现，同时左室收缩功能也明显下降[43]。Fisher 344衰老大鼠也有显著的心脏病理表现，如心脏离心性肥厚和左室扩张，但这些病理表现在HFpEF中并不常见，因此也限制了该模型在HFpEF研究中的使用。

3.2 FVB/N小鼠衰老模型

FVB/N小鼠是一种近交系老鼠，超过12月龄的雄性FVB/N小鼠心脏超声E/A比值下降，提示心脏舒张功能异常，但组织多普勒超声E/E’比值正常；而12月龄及以上的雌性FVB/N小鼠心脏超声以上两个指标均正常，提示心脏舒张功能无明显改变[44]。这种心脏舒张功能在性别中的差异与人类相反，人类HFpEF中女性患者比例更高。

3.3 自发性易衰老小鼠(SAMP)模型

SAMP小鼠在10～14月龄即表现出衰老的特征，其中SAMP8最适合用于衰老相关的心血管疾病研究，它在衰老过程中表现出心脏功能异常和心脏重塑，其心脏舒张功能的改变不依赖于血压的升高，同时心脏收缩功能得以保留[45]。但目前运用该模型进行HFpEF相关研究的报道太少，无更多的数据可供参考。

4 “多重打击”模型

HFpEF患者常合并以下几种疾病：高血压、糖尿病、肥胖、高脂血症，并且衰老也是HFpEF的高危因素之一[46]。因此，心室舒张功能障碍且同时存在一种或者多种合并症才是最契合临床HFpEF的动物模型[47]。“多重打击”(multi-hit)模型即在一个实验动物体内，同时建立多种疾病模型，如高血压、肥胖、糖尿病，通过多种疾病和危险因素的联合作用导致心脏的舒张功能障碍，最终引起HFpEF。

4.1 Zucker自发性高血压肥胖大鼠模型

Zucker自发性高血压(ZSF1)大鼠是雌性Zucker糖尿病肥胖大鼠和雄性自发性高血压心衰大鼠的一个杂交品系[48]。其中ZSF1-肥胖大鼠在10周龄后有高血压和心室肥厚的表现，同时有2型糖尿病和代谢紊乱的表现，在14～18周龄出现舒张功能障碍加重伴肺淤血，心脏收缩功能保留[49]。目前国内使用ZSF1大鼠用于相关实验研究的报道很少[50]，该品系的实验动物在国内较难获得，因此要开展ZSF1相关的HFpEF研究的成本和难度也会相应增加。

4.2 “两重打击”模型

“两重打击”模型(“2-hit”model)是最近研究报道的一种无创的非转基因HFpEF模型。Schiattarella等[51]根据人类HFpEF的常见合并症，研究出一种同时有高血压和肥胖的动物模型。通过不限量给予高脂饮食和一氧化氮合酶抑制剂饮水，5周后超声和压力容积曲线均表明小鼠心脏的舒张功能障碍，同时伴随肺淤血和运动耐量下降；15周后，HFpEF的症状和体征明显进展。除此之外，该“2-hit”模型还能诱导出心脏的炎症、纤维化、心肌细胞肥厚、能量代谢重构，很好地模拟出人类HFpEF的病理表现，并且Schiattarella等也做了该模型的长期(50周)观察，模型组与对照组LVEF的差异无统计学意义。因此，该模型作为研究HFpEF的动物模型，有较强的可操作性和较好的稳定性且造模成本低。

4.3 “三重打击”模型

“三重打击”模型(“3-hit”model)，是在高血压和代谢紊乱的基础上，将衰老这一因素应用到模型中。邓燕等[52]通过高脂饮食喂养3月龄的小鼠13个月，在喂养的最后1个月腹腔注射去氧皮质酮新戊酸酯(DOCP，75 mg/kg)加重高血压和系统性炎症，从而建立“3-hit”的HFpEF模型。该模型很好地模拟出了HFpEF的多种病理特点，并且有运动耐量下降的表现，同时超声和压力容积曲线都表明存在舒张功能障碍，且LVEF正常。相比于“两重打击”模型，该模型将衰老这一高危因素运用到模型中，更加接近临床HFpEF，但造模周期长可能会限制该动物模型的应用。此外，Withaar等[53]创立了一种“multi-hit”HFpEF模型，连续高脂喂养18～22月龄的雌性C57BL/J小鼠12周，在高脂喂养8周后，通过皮下微型泵注射4周ANGⅡ[1.25 mg/(kg·d)]建立“multi-hit”HFpEF模型，成功建立起同时具有高血压、肥胖、2型糖尿病以及衰老的HFpEF模型，与邓燕等建立的“3-hit”模型[52]相比，该模型使用雌性小鼠，纳入了人类HFpEF中女性这一危险因素，因此更加接近HFpEF的临床特点。

5 总结和展望

本综述根据HFpEF合并的不同疾病，列举了4类模型并总结了各自的特点(表1)。但由于HFpEF是一种具有高度异质性的复杂疾病，目前尚无能够完全模拟出人类HFpEF的动物模型。动物模型不仅是认识疾病发病机制的渠道，并且能够提供相关治疗手段或者干预措施对于疾病进展、预后和相关并发症影响的信息。目前对于HFpEF的研究，既要根据实验目的选择已有的合适模型进行发病机制的研究以及有效治疗药物研发，也要创造出更多更加契合临床HFpEF的动物模型。