心肌缺血大鼠、兔模型 - 中析研究所生物检测中心

心肌缺血大鼠和兔模型的构建与应用

一、前言

心肌缺血是冠心病的主要病理生理基础，严重威胁人类健康。为了深入研究其发病机制、病理生理变化以及探索新的防治策略，建立稳定、可靠的心肌缺血动物模型至关重要。大鼠（Rattus norvegicus）和兔（Oryctolagus cuniculus）因其相对完善的循环系统、适中的体型、成本可控以及生理病理过程与人类具有一定相似性，成为构建心肌缺血模型最常用的实验动物之一。本文将系统阐述这两种动物模型的构建方法、评价指标、模型特点及适用场景。

二、心肌缺血大鼠模型

模型构建方法
- 冠状动脉左前降支（LAD）结扎术（经典开胸法）：
  1. 术前准备： 选用体重250-300g的健康成年SD或Wistar大鼠。禁食不禁水过夜。腹腔注射戊巴比妥钠或其他合适麻醉剂诱导麻醉。气管插管连接小动物呼吸机进行机械通气（参数通常为：潮气量约2.5-3ml/100g，呼吸频率60-80次/分）。
  2. 手术操作：
    - 胸骨左侧或左前外侧区备皮、消毒。
    - 沿第3或第4肋间逐层切开皮肤、肌肉。
    - 钝性分离肋间肌，撑开肋骨暴露胸腔。
    - 小心剪开心包，显露心脏及主要冠状动脉（LAD通常沿前室间沟下行）。
    - 在左心耳下缘水平（约肺动脉圆锥下方1-2mm处），用6-0或7-0不可吸收缝合线穿过LAD下方心肌浅层。
    - 准确结扎LAD主干。成功结扎后，肉眼可见结扎远端心肌颜色迅速变苍白（缺血区），心电监测ST段可显著抬高。部分研究者在结扎前会短暂阻断LAD观察心电图变化以确认位置。
    - 迅速排气并逐层缝合关闭胸腔。停止呼吸机支持，待动物恢复自主呼吸后拔除气管插管。
  3. 术后护理： 给予保温、吸氧（必要时）、抗生素预防感染及镇痛处理。密切观察动物状态。
- 药物诱导法（异丙肾上腺素模型）： 大剂量腹腔或皮下注射异丙肾上腺素（通常剂量范围为50-150 mg/kg，连续2-5天）。该法通过过度激动β受体，显著增加心肌耗氧量并可能引起冠状动脉痉挛，导致相对性心肌缺血及心肌细胞坏死。优点是操作简便、无需开胸；缺点是缺血程度相对较弱、个体差异大、损伤机制与临床冠脉阻塞不完全相同。
模型评价与验证
- 心电图（ECG）： 术中心电监测ST段显著抬高（>0.1mV）或降低、T波倒置是结扎即时成功的标志。术后动态监测可观察心律失常发生情况。
- 心脏超声（Echocardiography）： 术后24小时至数周内进行。可评估左心室结构和功能变化，包括左心室射血分数（LVEF）、左心室缩短分数（LVFS）降低，左心室舒张末期内径（LVEDD）和收缩末期内径（LVESD）增大，以及局部室壁运动异常（RWMA）。
- 血清学标志物： 术后6小时、12小时、24小时检测血清中心肌损伤标志物肌钙蛋白I（cTnI）或肌钙蛋白T（cTnT）、肌酸激酶同工酶（CK-MB）显著升高。
- 组织形态学：
  - 大体染色（伊文思蓝/TTC双染色）： 结扎后一定时间（常用24小时或更久）处死动物，经主动脉逆行注入1%伊文思蓝染料，心脏离体后切片，置于1-2%氯化三苯基四氮唑（TTC）溶液中37℃避光孵育10-20分钟。正常心肌染为蓝色（有血流区域），缺血危险区未染蓝（白色），梗死区因酶失活不着色（苍白色），存活心肌染红。计算梗死面积占危险区面积或左心室面积的百分比。
  - 组织病理学（HE染色等）： 显微镜下观察心肌细胞坏死、炎性细胞浸润、纤维化等病理改变。
- 血流动力学（如导管法）： 可测量左心室收缩压（LVSP）、左心室舒张末压（LVEDP）、左心室内压力最大上升/下降速率（±dp/dt max）等指标，评估心功能受损程度。
- 死亡率： 记录术后急性期（如24小时内）及后续存活率，反映模型严重程度。
模型特点
- 优点：
  - 与人类急性心肌梗死（AMI）病理生理过程高度相似（冠脉阻塞）。
  - 技术相对成熟，可重复性较好（熟练操作者成功率较高）。
  - 大鼠成本低、易于饲养管理、样本需求量大便于统计学分析。
  - 遗传背景清晰品系多，便于转基因等研究。
- 缺点：
  - 开胸手术创伤大，对麻醉和呼吸管理要求高，术后死亡率相对较高（尤其在早期）。
  - 大鼠侧支循环较发达，个体间梗死面积差异可能较大。
  - 心脏体积小，进行某些精细操作（如介入）难度大。
  - 心率快（约300-600次/分），某些生理参数与人类差异较大。

三、心肌缺血兔模型

模型构建方法
- 冠状动脉结扎术：
  1. 术前准备： 选用体重2.0-3.0kg的新西兰大白兔。麻醉（常用戊巴比妥钠或氯胺酮/赛拉嗪组合）、气管插管、机械通气（潮气量约10-15ml/kg，呼吸频率35-50次/分）。
  2. 手术操作：
    - 通常采用左侧第3或第4肋间开胸。
    - 切开心包，暴露左心室及冠状动脉。
    - 目标血管通常是左冠状动脉主干（LMCA）或其主要分支（如LAD旋支）。LMCA结扎可造成大面积前壁梗死，但死亡率极高。更常用的目标是结扎LAD近端（通常在距离其起始部约1/3至1/2处），或结扎其第一主要分支（如对角支或边缘支）。
    - 用5-0或6-0不可吸收缝线进行结扎。确认缺血区域颜色变化和ECG改变。
    - 关胸、恢复自主呼吸、拔管。
  3. 术后护理： 同大鼠，需特别注意保温、镇痛及呼吸道管理。
- 球囊闭塞/栓塞法（介入法）：
  1. 血管通路： 常选择股动脉切开或经皮穿刺置管。
  2. 导管操作： 在X线或超声引导下，将指引导管送入主动脉根部，选择性插入左冠状动脉开口。
  3. 闭塞/栓塞：
    - 球囊闭塞： 将球囊导管送至目标冠脉（如LAD）预定位置，充盈球囊阻断血流一定时间（模拟短暂缺血）或永久闭塞（模拟AMI）。
    - 栓塞： 注入自体血栓、微球（如塑料或明胶微球）或其他栓塞剂至目标冠脉。此法可避免开胸，模拟血栓栓塞性心肌梗死。
  4. 评价： 造影确认闭塞/栓塞成功及TIMI血流分级改变。
模型评价与验证
- 评价方法与大鼠模型类似（ECG、超声、血清标志物、大体染色、组织病理学、血流动力学、死亡率）。
- 兔心脏体积比大鼠大得多，更便于进行超声心动图（分辨率更高）和某些介入操作。
- 由于心脏较大，TTC染色评价梗死面积更为直观和准确。介入模型可通过冠脉造影直接评价血管通畅性。
模型特点
- 优点：
  - 心脏较大（约是大鼠的10倍以上），便于进行超声心动图、心导管术、介入操作（如支架置入）、心肌活检等精细检查和干预。
  - 冠脉解剖结构相对清晰，侧支循环不如大鼠发达，结扎后心肌梗死面积相对稳定且可预测性较好。
  - 心率（约150-250次/分）、血压等生理参数更接近人类。
  - 血管相对粗大，有利于介入模型的操作。
- 缺点：
  - 成本远高于大鼠，饲养管理要求更高。
  - 开胸手术创伤同样巨大，术后护理要求高，死亡率较高。
  - 遗传背景不如大鼠清晰，转基因模型构建相对困难。
  - 对麻醉和手术应激较为敏感。

四、大鼠模型与兔模型的比较与选择

选择依据：

研究目的：
- 侧重于分子机制、高通量筛选、初步药效学评估且预算有限：优选大鼠模型。
- 侧重于影像学（尤其是心脏超声）精准评估心功能、模拟介入治疗（PCI）、需要较大样本组织进行分析、评估器械效果：优选兔模型。
- 模拟血栓栓塞性心梗：兔介入栓塞模型是较好选择。
技术条件与资源： 考虑实验室现有的手术、麻醉、监护、影像设备和技术专长。介入模型需要导管室设备和技术。
伦理与成本： 考虑动物福利、经费预算及样本量需求。

五、结论

心肌缺血大鼠和兔模型是心血管基础与转化研究不可或缺的工具。经典的冠状动脉结扎术能在两种动物上成功模拟急性心肌梗死的关键病理生理过程。大鼠模型以其低成本、遗传背景清晰和样本量大等优势，在机制探索和初步筛选研究中发挥重要作用。而兔模型凭借其更大的心脏尺寸、更接近人类的生理参数以及便于进行介入操作和精细影像学评估的特点，在介入治疗研究、精确心功能评价等方面具有独特价值。药物诱导（如大鼠异丙肾上腺素模型）和介入栓塞（如兔模型）提供了不同的补充选择。

研究者需根据具体的研究目标、技术平台、预算限制以及对模型特定属性的要求（如梗死面积稳定性、介入可行性、影像分辨率），在伦理框架内审慎选择最合适的动物模型，并严格规范建模操作程序和术后护理，以确保模型的有效性、可靠性和可重复性，从而为深入理解心肌缺血和探索有效防治策略提供坚实可靠的实验基础。

重要注意事项：

动物福利： 所有实验操作必须严格遵守相关实验动物管理和使用的法律法规及伦理准则，获得相关伦理委员会的批准。手术过程必须保证充分的麻醉和镇痛，术后护理需到位，最大限度减轻动物痛苦。
操作规范： 建模成功的关键在于规范、精细的手术操作和围术期管理（尤其是呼吸管理和无菌操作）。操作者需经过严格培训。
模型验证： 必须使用多种方法（特别是心电图、血清标志物和最终的组织学检查）对模型进行充分验证，确保心肌缺血/梗死的成功建立。
标准化： 尽可能控制实验条件（如动物品系、性别、年龄、体重、环境、手术者、结扎位置等）的一致性，以提高模型的可重复性和实验结果的可比性。
局限性认知： 充分认识动物模型与人类疾病存在的固有差异（如物种差异、自发疾病背景差异、共患病状态差异等），谨慎解读实验结果并外推到人类。