心力衰竭动物模型建立方法的研究现状

王 洁 ，段坤坤，王亚峰

(1.青海大学 医学院，青海 西宁 810000；2.青海省人民医院 药学部，青海 西宁 810000)

心力衰竭(Heart failure,HF)是指各种因素引发的心脏结构和心功能改变，并导致一系列临床表现的综合征.HF是全世界死亡率最高的疾病，约有50%的患者在初始诊断后5年内死亡，死亡率超过大多类型的癌症[1].心力衰竭的主要临床症状表现为呼吸困难、咳嗽、疲劳等，被称为心血管领域最终的战场[2].2016年欧洲心力衰竭指南根据左室射血分数(Left ventricular ejection fraction，LVEF)将HF分成3种类型：LVEF<40%为射血分数下降的心力衰竭(HFrEF)，LVEF≥50%为射血分数保留的心力衰竭(HFpEF)，LVEF40%～49%为射血分数中间范围的心力衰竭(HFmrEF)[3].每个阶段的射血分数都有其不同特征，HFrEF的特征在于静止期喷射分数(EF)<40%，传统上称为收缩性HF.HFpEF的特征在于静止期喷射分数(EF)≥50%，传统上称为舒张性HF.HFmrEF的特征在于静止期喷射分数范围为40%～50%[4].但HF的临床治疗效果并不理想，发病机制较为复杂，因此有必要建立HF动物模型对心力衰竭进行进一步研究[5].目前用于制备HF模型的小型动物主要为小鼠、大鼠、豚鼠，大型动物主要为猪、狗、羊等.制备HF模型的方法也较多，如常用的药物诱导、手术及转基因小鼠或斑马鱼，但不同物种及不同方法的适用情况和成模率也大不相同，本文就此作一简要综述.

1 实验动物的选择

建立HF动物模型的关键之一是物种的选择.物种的选择不仅要考虑其科学性，也要考虑研究成本和持续时间等因素.一般来说，和人类体型大小相近的物种，其心功能和人类就越接近，研究的影响因素也越少，如对猪、狗、绵羊的研究结论通常可以应用于人类，但这些大型动物价格昂贵且实验持续时间长等缺点限制了其在动物模型中的应用[6].小型哺乳动物妊娠时间短，可以在一年内产生几代，价格相对大型动物来说便宜，且操作方便，但也有其局限性，如啮齿动物具有相同或相似的遗传背景，不能反映出患者的遗传异质性.另一个局限性是压力源的快速诱导，这与患者典型的慢性疾病进展相反[7]，因此要根据相似性、可模型化、经济性和可重复性等原则选择实验动物.大鼠因电生理特性与人类相似且价格经济适用、便于操作[8]、成模时间短、模型复制稳定等而被广泛应用.目前常用的大鼠有SD大鼠、Wistar大鼠，除此之外，C57BL/6小鼠也被广泛应用.

2 HF模型建立方法

2.1 药物诱导建立HF模型

HF分为急性心力衰竭(Acute heart failure，AHF)和慢性心力衰竭(Chronic heart failure，CHF)两种.建立AHF模型常用的药物有戊巴比妥钠、维拉帕米、普罗帕酮等[9]；建立CHF模型主要用到的药物有阿霉素[10]、异丙肾上腺素[11]、美托洛尔[12]等.

2.1.1 阿霉素诱导CHF模型

阿霉素(Doxorubicin，Dox)是一种广泛应用于临床的非特异性周期性抗肿瘤化疗药物，其主要副作用具心脏毒性，并增加心肌病和HF发生的风险[13].Dox的心脏毒性源于其诱导氧化应激并促进自由基的产生，当活性氧簇(Reactive oxygen species，ROS)的产生速度大于抗氧化防御系统的清除速度时，会促进心肌细胞凋亡、坏死和自噬，因此Dox被用作HF动物模型的诱导药物[14].目前研究发现，Dox诱导法可以建立稳定、可靠、经济的HF动物模型，但给药剂量、给药周期、给药方式、实验动物等不同，病死率也各不相同.

Dox诱导的HF具有不可逆性和渐进性.由表1、表2、表3可知，多次低浓度给药的方案居多.单次给药剂量、累积剂量、给药周期、给药方式和实验动物的不同都会导致动物模型病死率产生差异.单次给药剂量大、给药周期长都会使病死率增加，同时由于Dox具有剂量依赖性，短期内大剂量的腹腔注射给药，也会使动物的死亡率增加，导致成模率较低.因此要确定造模周期和剂量需要先做预实验，建议使用小剂量、低浓度、多次给药的方法.

表1 雄性Wistar大鼠HF模型病死率情况

表2 Dox诱导动物HF模型病死率情况

表3 雄性Wistar大鼠HF模型病死率情况

2.1.2 异丙肾上腺素诱导CHF模型

异丙肾上腺素(Isoproterenol，ISO)是一种非选择性β受体激动剂，广泛应用于大鼠HF模型的建立[27].ISO可使机体心率加快，同时促进心肌持续收缩，加重心脏负荷，进而引起左心HF[28].慢性ISO模型表现出晚期HF的症状特征，儿茶酚胺水平长期升高[29]，其优点为提供了慢性肾上腺素能刺激.模拟晚期HF，且无创伤、易于重复、诱导时间短，但动物批次、给药途径及给药剂量的不同都会影响模型制备效果.

由表4可知，给药剂量、给药方式、给药频率以及给药周期不同对病死率均有影响.单次给药剂量大、给药周期长都会使病死率增加，所以研究前期有必要先进行预实验，再确定最终的实验方案，建议使用小剂量、低浓度、多次给药的方法.

表4 ISO诱导雄性SD大鼠HF模型病死率情况

2.2 手术方法建立HF模型

2.2.1 冠状动脉结扎法

结扎动物的左冠状动脉或左前降支、左旋支，可模拟心肌梗死后的HF，建模时间为 4～8 周，一般用于制作低输出量的HF模型.该方法优点是建立的HF模型与人类充血性HF的病理生理学演变过程接近.HF模型效果较好，收缩功能及舒张功能下降效果明显，缺点是手术操作困难，且术后实验动物病死率较高[33].

2.2.2 腹主动脉缩窄术

用于诱发急性压力超载，形成高血压HF模型.这种方法虽然可以测量压力梯度，使肥厚分层，但高血压急性发作缺乏直接的临床相关性[27].腹主动脉缩窄法的主要机制是通过腹主动脉结扎法来增加心脏的后负荷，进而增加心脏的耗氧量及做功，会影响到血流动力学、内分泌和细胞因子等，最终导致心室重构，形成CHF.有研究表明，不同型号的注射针头可造成腹主动脉不同程度缩窄:其中7号注射针头造成约70%～80%缩窄，8号注射针头造成约50%～ 60%缩窄，而使用9号针头可造成约35%～50%程度缩窄[34].其优点是易于成模、可重复性高，且建立模型的HF症状同临床压力超负荷HF机制十分相似;主要缺点是操作难度大、造模时间久，需要3到5个月左右，但动脉缩窄程度与诱导时间息息相关.

2.2.3 动静脉瘘法

朱彤莹等[35]认为,动、静脉造瘘使心脏前负荷过载，增加了心血管流量，最终导致高输出量的HF,一般表现为全心衰竭.该方法的优点是建立的模型可用于HF神经内分泌激活机制、水电解质失衡、肾功能异常和代偿机制的研究，缺点是术后动物存活率降低[36].

由表5可知，即便是同种手术方法或同种大鼠，但病死率却具有显著差异，可见外科专业的操作难度较大，有很多操作技术等不可预测因素存在.左冠状动脉结扎术、主动脉造瘘以及腹主动脉缩窄术模型都需要高水平的外科专业操作能力，因此不建议使用外科手术方法建立HF动物模型.

表5 手术方法建立CHF模型

2.3 转基因小鼠制备CHF方法

转基因法是将经过特殊加工处理过的基因转入到实验动物的基因组中诱导HF，使用的转入基因是一种与实验动物HF相关的基因，这些基因能使某些因子在心肌中过度表达.除此之外，还可以利用基因敲除技术敲除某些与心肌收缩能力密切相关的碱基对，引起实验动物HF的发生.转基因法的主要优点是可用来研究疾病发病机制、新药研发、新治疗位点；缺点是造模成本高、时间周期较长.基因剔除法可通过剔除基因中的多处位点引起HF[35]，但对实验条件和操作者的要求较高，且造模时间长.

3 总结与展望

HF是各种心血管疾病要面临的最终阶段.近几年HF的住院率和死亡率逐年增加，5年内死亡率高达50%.动物实验是临床研究之前的重要环节，可通过HF动物模型对其病理生理学过程进行完整的观察，并为HF的发病机制、新药研发和治疗措施提供相应的理论依据[45].但目前并没有一种模型能完全模拟HF的自然发展进程，每一种制备方法均有其独特的优势与局限性，研究人员应依据研究目标、研究条件等因素来选择合适的模型.相对于外科手术来说,建立HF模型，药物诱导方法操作简便、病死率低，与转基因小鼠相比，价格便宜、周期较短、操作方便，且小剂量、低浓度、多次给药的方法成模率较高，适合大多数研究中HF模型的建立.斑马鱼可以作为未来研究HF的理想生物，其胚胎透明，能在体外发育，繁殖能力强，较易观察基因和药物等对其干预后的活体器官变化，相对来说具备许多基因敲除鼠等动物所没有的优点[46]，而且斑马鱼模型的早期心血管发育过程与人类十分相似[47]，因此也可以用斑马鱼模型来研究人类的心血管系统发育过程.