心力衰竭动物模型研究进展

刘新宾，李 力（综述），张红超（审校）

（中国人民解放军空军总医院心血管外科，北京 100142）

心力衰竭（heart failure，HF）是由于任何原因的初始心肌损伤引起心肌结构和功能的变化，最后导致心室泵血和（或）充盈功能低下。其理论研究经历心肾学说、血流动力学学说、神经激素学说到现代的心室重构学说，但发生机制仍未完全阐明。为进一步研究HF发生发展的分子机制，寻找新的治疗策略和靶点，HF动物模型的应用是不可忽略的环节。目前HF动物模型是根据不同的基础疾病进行制作，如心肌缺血、血流动力学负荷过重、心肌损伤、过度劳累等。不同的造模方式，其研究领域的应用也有差别。现对目前国内外HF动物模型制作方法的选择及其应用进行总结。

1 缺血型心肌病HF模型

缺血区心肌能量代谢发生异常以及心肌细胞膜对离子的通透性改变，导致心肌收缩力降低和心律失常。非缺血区代偿性应激，激活神经内分泌系统，诱发细胞凋亡及促进纤维化，引起心室重构，最终导致HF发生。

1．1 冠状动脉结扎法 常需剖胸结扎左冠状动脉主干或左前降支、左旋支以及对角支复制HF模型，亦有使用多处结扎法。也可在较大动物的冠状动脉上安置缩窄环、液压封堵器［1］控制闭塞程度和时间造模。该类模型模拟心肌梗死演变到HF的病理过程，尤其梗死区周围凋亡细胞的增加，心肌细胞和亚细胞的改变与人类HF相似，用该模型研究梗死后HF心肌线粒体蛋白质表达谱的改变［2］和 JNK 通路介导心肌细胞凋亡［3］取得良好效果。但该方法操作较复杂，结扎部位过高易导致死亡，过低易造模失败，且剖胸后动物病死率高，耗时较长，费用也相对偏高。

1．2 冠状动脉堵塞法运用导管技术输入塑料微球或明胶海绵至某支冠状动脉，以其数量多少或球体大小的不同，致不同范围缺血。也可用球囊扩张法。该法不仅能促发急性冠状动脉综合征以及缺血/再灌注出现局部心肌无复流现象，也可模拟慢性缺血引发HF演变的病理生理变化，多用于研究HF神经内分泌系统变化机制、药物疗效，以及在此基础上进行基因治疗的研究。其中炎性因子氧化修饰肌凝蛋白导致HF心功能降低［4］，心肌细胞凋亡及心肌重构促进HF发生［5］在该模型都得到验证。此法避免开胸风险，手术创伤小，定位准确，可操作性强，较少出现生理紊乱，但多适用于大动物，且经济成本较高，需要心导管的技术以及精密的仪器评价模型的血流动力学改变。

1．3 直接损伤心肌法 应用甲醛、氯乙胺或液氮冷冻、电烧伤等损伤心肌，损伤部位和范围可以控制并且稳定，尤其适用于冠状动脉细小的小动物，但与临床心肌梗死区别较大，现多用于种子细胞或药物治疗效果的研究。Kim［6］和 Ahmet等［7］用液氮冷冻法分别研究了心肌梗死部位接受内皮细胞和干细胞移植后血管再生和心功能恢复情况，取得良好效果。

2 压力负荷型HF

心脏后负荷增加，导致心脏做功与耗氧量增加，心肌内交感神经末梢去甲肾上腺素释放增高，肾素-血管紧张素-醛固酮系统功能活跃，心肌代谢紊乱，左心室重构而导致心肌肥厚，逐渐引发HF形成。

2．1 主动脉缩窄法 缩窄部位多选腹主动脉、主动脉弓［8］。该类模型手术时间短，操作简单，费用低，并且能模拟压力负荷增高导致左心室肥厚演变步骤，还原高血压导致HF的病理生理过程，是基础医学及临床心血管研究较常用的造模方法。适合于研究高血压性心脏病、左心室肥厚演变为HF时的心肌力学特性、病理变化以及心肌肥厚的分子机制。

2．2 盐敏感性HF模型 Dahl-盐负荷法和去氧皮质醇-盐负荷法都通过喂养盐水增加钠水潴留，后者配合单侧肾切除，模拟高血压心脏病发病过程。该类模型操作较简单，费用低廉，能较好地反映HF早期的病理生理变化 ，是研究早期HF防治的较好模型。

3 容量前负荷型HF模型

容量超负荷使舒张期室壁与肌节应力增高，心肌细胞内肌节增多，肌节以串联形式相连，肌细胞长度增加。按Frank-Starling定律，舒张期心肌纤维长度增加，必然引起收缩力的增加，故扩张也可导致肥厚，表现为心腔扩大，出现离心性肥厚。

3．1 动静脉瘘法 多选腹主动脉与下腔静脉间、股动脉与股静脉间造瘘形成动静脉短路，使回心血量大量增加，引发容量超负荷。常用于研究HF时体内神经内分泌机制的改变、水电解质失衡和肾功能异常，但评价抗HF药物疗效时作用有限。

3．2 心脏瓣膜关闭不全法 通过手术破坏房室瓣腱索、乳头肌或心导管介入穿插二尖瓣、主动脉瓣造成瓣膜关不全，多适用于大动物，用于房室瓣关闭不全、某些类型的充血性心脏病、高输出状态（甲状腺毒症）等疾病的研究。单独的瓣膜关闭不全不易诱发HF，联合压力负荷造模［9］已经得到公认。先做腹主动脉狭窄导致的压力负荷增加，再做主闭导致的超容量负荷增加，这与临床慢性HF的病理生理过程更为相似。

4 药源性动物HF模型

4．1 损害心肌药物 常用蒽环类抗癌药物损害心肌，如阿霉素。阿霉素与心肌组织的亲和力高于其他组织，并引起心肌自由基的产生，导致生物膜脂质过氧化反应，使心肌细胞及亚细胞结构和功能的改变，导致HF。阿霉素HF模型与心肌炎、某些心肌病等所致慢性HF和扩张性心脏病类似，适合于研究衰竭心脏心肌超微结构改变、神经内分泌异常及血流动力学变化。阿霉素造模后用脂多糖再次打击模拟慢性HF急性应激反应［10］，研究失代偿HF时心脏的病理生理状态以及分子学机制。利用阿霉素制作动物HF模型是目前公认的廉价、简单、实用的方法。

4．2 抑制心肌药物 长期或大剂量应用心肌抑制药物可引起HF的发生，利用具有负性频率、负性传导及负性肌力作用的维拉帕米，导致快速心率及心肌持续强烈收缩的异丙肾上腺素［11］，对心脏传导系统抑制作用的普罗帕酮，以及对心肌收缩功能起抑制作用的β受体阻滞剂等长期刺激，都能制备出有效HF的动物模型。该类模型制作简单，药物种类、剂量及注射途径可依研究需要选择。适用于以心肌病变为原发病的HF研究，尤其对抗HF药物研究更为适用。

此外，也可运用野百合碱［12］制作充血性右侧HF，野百合碱以肺血管内皮细胞为靶细胞，刺激其释放多种生物活性物质，导致肺动脉高压，引起右侧HF。该模型可基本反映临床充血性右侧HF的右侧心功能变化，可作为其相关研究的一种有效、可靠的动物模型。

5 心脏快速起搏HF模型

过快的心肌收缩导致心肌耗氧增加，心室舒张期明显缩短，引起心肌缺血;快速起搏致肌浆网Ca2+通道改变，心肌收缩能力下降;激活神经内分泌系统，导致细胞外间质结构发生破坏，最终引起心室重构HF的发生。该模型制作周期短，可控性好，起搏频率以及起搏部位可依研究需要、动物种类及其心电生理特点设置，停止起搏一定时间后血流动力学、心功能和神经内分泌水平可基本恢复到正常水平，从而模拟可逆的心脏扩张和变化的心壁肥厚，且模型制作中动物能保持清醒状态，适用于HF的多方面研究，为扩张性心肌病HF研究的金标准模型［13］。因易逆转使造模条件难掌握，且缺乏稳定性，起搏器固定技术要求高，限于在大动物中应用。

6 基因技术与HF模型

分子生物学技术的发展，使改变实验动物的基因成为现实。小鼠基因与人类接近，并易被改变，改变后的基因表达相对稳定，常被用来作为基因研究的动物模型。现运用基因转入、剔除及干扰技术，使心脏特异基因表达改变，从而研究某些基因在心脏发生、发育以及HF中的作用及机制。

6．1 基因技术制备HF模型

6．1．1 基因剔除法 利用基因技术剔除基因多处位点都可能导致HF发生，位点的选择可通过文献报道或设计。如:肌肉LIM蛋白（muscle LIMprotein，MLP）调节肌肉分化，剔除MLP基因的纯合子小鼠将发展为扩张性心肌病，伴心肌肥大、间质细胞增生和纤维化，到成年发展为HF;扩张型及肥厚型心肌病患者心肌组织中常见多种线粒体DNA缺失突变，线粒体超氧化物歧化酶或线粒体转录因子基因剔除小鼠均可导致肥厚性心肌病致HF。剔除心肌乙酰胆碱敏感钾通道基因建立小鼠HF模型［14］，用于研究HF时钾通道的分子机制。

6．1．2 转基因法 人工分离和修饰过的基因导入动物基因组中使该基因过度表达，引起HF发生。利用肌球蛋白重链基因启动子使转基因鼠在心脏中过度表达1-氨基环丙烷基-1-羧酸合成酶1，建立代谢性心肌病鼠模型。代谢性心肌病鼠中神经酰胺合成增加，而神经酰胺具有直接促细胞凋亡的作用，DNA的断裂及细胞色素C的释放也参与心肌细胞凋亡途径［15］。该模型可作为脂质代谢异常的HF模型［16］，有助于阐明脂质毒性HF的细胞机制，为药理学实验和基因挽救策略提供研究模型。

6．1．3 基因干扰 微 RNA（microRNA，miRNA）可以通过与特定mRNA结合，调控基因表达影响HF的发生、发展。miRNA-208通过抑制甲状腺素受体相关蛋白1（THRAP1），调节主要组织相容性复合体的表达，进而导致心肌细胞在应急刺激下出现肥厚，有报道［17］miRNA-208转基因小鼠在发育过程中出现心肌肥厚。

6．2 基因技术逆转动物HF的尝试 随着对HF分子机制深入了解，运用基因技术逆转HF也成为可能，抑制心肌肥厚和细胞凋亡是当今热点。从分子水平上讲，心肌肥厚是细胞表型的改变，与胚胎基因表达有关，信号转导在胚胎基因表达中起关键作用，其中钙调神经磷酸酶、G蛋白、糖原合酶激酶3、过氧化物酶体增生激活受体、小G蛋白、亚细胞器成为干预信号转导的靶点;细胞凋亡在心脏代偿性肥厚到HF的转变过程中起关键作用，减少心肌细胞凋亡可抑制HF的进展。

6．2．1 钙调神经磷酸酶 钙调神经磷酸酶可通过对转录因子活化T细胞核因子3结合调节心脏中心钠素、肌球蛋白等基因的特异性表达［18］。Cain/Cabin可抑制钙调神经磷酸酶亚基而抑制其活性，Cain/Cabin过度表达的转基因动物可抑制压力负荷、异丙肾上腺素引起的心肌肥厚;钙调神经磷酸酶-Aβ基因靶向剔除的动物对激素、压力应激性心肌肥厚也有明显下调作用［19］。

6．2．2 G蛋白耦联受体激酶2 G蛋白耦联受体激酶 2（G protein-coupled receptor kinase 2，GRK2）是心脏发育过程中关键性亚型［20］，心脏过度表达GRK2可激活Gαs，增加心脏收缩性能导致心肌肥厚和纤维化［21］。将GRK2的抑制剂βARKct用腺病毒转导入自发性高血压HF大鼠的心肌内，可抑制心肌肥厚，心肌的收缩和舒张功能明显改善［22］。

6．2．3 Toll样受体 4 TLR-4 是 Toll样受体家族的一员，其主要功能是作为脂多糖的信号转导受体，参与促炎反应、促进免疫细胞成熟分化及调节免疫应答。Oyama等［23］用TLR-4缺陷型小鼠建立心肌梗死模型，与对照组相比，可降低小鼠I/R期间的心肌梗死面积。

6．2．4 生长分化因子15 是转化生长因子β超家族成员的一个远支，是一个重要心血管保护因子。在小鼠缺血-再灌注模型中，生长分化因子15基因剔除组比野生型小鼠心肌梗死面积大，心肌细胞凋亡多，病死率也明显增加［24］。Xu 等［25］将生长分化因子15通过腺病毒介导转染MLP基因剔除HF小鼠引起生长分化因子15的过度表达能改善HF，左室扩张明显减轻。

HF发病的分子机制错综复杂，其原发病多种多样，而从HF发生、代偿到失代偿的过程中涉及的细胞结构变化繁多，从病理生理到细胞水平、基因水平，其研究层次多，很难用单一的机制来解释HF的形成和发展。现有的动物HF模型和临床HF还有一定差别，随着对HF深入认识及新技术开发，预计会有越来越多更稳定、更贴近临床的动物HF模型出现，以便能更全面地了解HF的发病机制，把握其规律、特点，并针对不同病因和类型的HF建立新的治疗策略。

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