冠脉结扎诱导的慢性心肌缺血性心衰大鼠模型

发布时间：2025-07-01 08:01:52 阅读量：2 作者：生物检测中心

冠脉结扎诱导的慢性心肌缺血性心力衰竭大鼠模型：构建与应用

摘要：
慢性心肌缺血性心力衰竭（CHF）是心血管疾病的主要死亡原因之一。建立可靠且病理生理特征相似的动物模型对于研究疾病机制和评估潜在疗法至关重要。本文详细阐述采用冠脉结扎术构建大鼠慢性心肌缺血性心力衰竭模型的方法学、模型特征、验证指标及实验设计要点，为相关基础研究提供标准化参考。

一、引言

心肌缺血性心力衰竭源于冠状动脉疾病导致的心肌长期供血不足，引起心肌细胞坏死、心室重构及心功能进行性恶化。大鼠因其心血管系统与人类存在诸多相似性、成本效益高及易于操作等优势，成为广泛应用的模型动物。冠脉左前降支（LAD）永久性结扎术可有效模拟临床心肌梗死后心室重塑及心衰进展过程。

二、材料与方法

1. 实验动物

  • 品系选择： 成年雄性Sprague-Dawley (SD) 或 Wistar 大鼠（体重通常为200-250g）。
  • 饲养条件： 标准SPF级动物房，恒温（22±2℃）、恒湿（50±10%）、12小时昼夜循环，自由摄食饮水。术前适应性饲养1周。
 

2. 主要试剂与仪器

  • 麻醉剂： 水合氯醛（10%，腹腔注射）或异氟烷（吸入麻醉）。
  • 手术器械： 小动物呼吸机、恒温手术台、体视显微镜、显微手术器械（组织剪、持针器、显微镊、缝针、线）、气管插管（14G套管）。
  • 术后护理： 抗生素（如青霉素）、镇痛药（如布托啡诺）。
  • 检测设备： 小动物超声成像系统、血流动力学监测系统、心电图仪、组织处理设备（石蜡包埋机、切片机）、生化分析仪等。
 

3. 模型构建步骤（冠脉结扎术）

  • 术前准备：
    • 大鼠禁食（不禁水）4-6小时。
    • 麻醉诱导与维持（确保足反射消失）。
    • 胸部备皮，仰卧位固定于恒温手术台（37℃）。
    • 连接心电图电极（肢体导联）监测心律。
  • 手术操作：
    1. 气管插管： 切开颈部皮肤，分离气管，插入套管并连接呼吸机（潮气量约2-3ml/100g体重，呼吸频率60-80次/分钟）。
    2. 开胸： 于左侧第4或第5肋间作切口（约1.5-2cm），钝性分离肌肉，小心打开胸腔。
    3. 暴露心脏： 轻压胸壁挤出心脏，必要时剪开心包。
    4. 冠脉定位与结扎： 在体视显微镜下，于左心耳下缘与肺动脉圆锥之间识别LAD主干（通常位于左心室前壁表面）。使用7-0或8-0不可吸收聚丙烯缝线，在LAD起始部下约2-3mm处（靠近左心耳根部下方）进针，深度约1mm，穿过心肌，结扎血管。成功标志： 结扎区域心肌立即变苍白，运动减弱，心电图ST段显著抬高（图1）。
    5. 关胸与排气： 迅速将心脏放回胸腔，逐层缝合肌肉和皮肤。关胸前挤压胸腔排出气体，恢复负压。
  • 术后护理：
    • 撤呼吸机，待自主呼吸恢复后拔除气管插管。
    • 给予术后抗生素（如5万单位/kg青霉素，肌注，连续3天）和镇痛剂。
    • 密切观察24-48小时，注意保温。
    • 假手术组（Sham）： 进行除LAD结扎外的所有相同操作（包括穿线但不结扎）。
 

4. 模型验证与评估（术后4-8周）

  • 存活率监测： 记录术后急性期（24-48小时内，主要因手术创伤、心律失常）及慢性期（心衰进展）死亡情况。成功模型慢性期存活率通常>70%。
  • 心功能评估：
    • 超声心动图 (Echocardiography)： 核心指标。 评估左心室收缩功能（左室射血分数LVEF%、左室短轴缩短率FS%）、心室腔大小（左室舒张末期内径LVIDd、左室收缩末期内径LVIDs）、室壁厚度。CHF大鼠表现为显著降低的LVEF（通常<40%）和FS%，扩大的LVIDd和LVIDs。
    • 血流动力学监测 (Hemodynamics)： 麻醉下，导管经颈动脉/股动脉插入左心室。直接测量左室收缩压（LVSP）、左室舒张末压（LVEDP）、左室内压最大上升/下降速率（±dp/dtmax）。CHF大鼠表现为LVEDP显著升高（>15 mmHg），±dp/dtmax显著降低。
  • 形态学与组织学评估：
    • 心脏大体形态： 处死动物后称全心重（HW）和左心室重（LVW），计算心重指数（HW/BW, LVW/BW），CHF大鼠显著升高。
    • 心肌梗死面积测定： 沿心脏长轴横切心脏（通常5片），氯化三苯基四氮唑（TTC）染色（活心肌呈红色，梗死区呈白色）或苏木素-伊红（HE）染色后图像分析计算梗死面积（通常占左心室面积的30-50%）。
    • 心肌纤维化评估： Masson三色染色（胶原呈蓝色）或天狼星红染色（偏振光下区分I/III型胶原），定量分析梗死区、交界区及非梗死区纤维化程度。CHF大鼠心肌纤维化显著增加。
    • 心肌细胞肥大： HE或WGA染色心肌细胞横截面积。
  • 生化与分子生物学标志物：
    • 血浆/血清标志物： 检测脑钠肽（BNP）或N末端脑钠肽前体（NT-proBNP）、心肌肌钙蛋白I（cTnI）水平，CHF大鼠显著升高。
    • 心肌组织标志物： 检测心衰相关基因（如ANP, BNP, β-MHC）和蛋白的表达水平（qRT-PCR, Western blot）。
 

三、模型特点

  1. 病理生理相似性高： 模拟了临床心肌梗死后的关键病理过程：急性缺血坏死 -> 炎症反应 -> 心肌重构（梗死区扩展、非梗死区肥厚和纤维化）-> 心室扩张变形 -> 收缩/舒张功能障碍 -> 慢性心衰。
  2. 渐进性与稳定性： 心功能在术后4周左右进入相对稳定的心衰平台期（LVEF显著下降并维持低水平），便于进行慢性期干预研究。
  3. 可重复性： 标准化的手术操作和术后管理可保证模型成功率和稳定性。
  4. 终点明确： 可通过多种手段（超声、血流动力学、组织学、生化）客观评估模型成功与否及心衰严重程度。
 

四、实验设计要点

  1. 分组： 必须设置假手术组（Sham）作为对照，排除手术创伤本身的影响。根据研究目的可设置不同时间点组（如术后1d, 1w, 4w, 8w）、不同干预组（药物、细胞、基因治疗等）。
  2. 样本量： 需根据预实验结果和主要观察指标的预期效应量进行统计学估算，考虑手术成功率和可能的死亡率。通常每组有效样本量不少于6-8只。
  3. 随机化与盲法： 动物分组应随机化。进行功能检测（如超声、血流动力学）和结果分析（如组织学评估）的研究人员应对分组情况设盲，减少偏倚。
  4. 人道终点： 制定明确的人道终点标准（如体重急剧下降>20%、严重呼吸困难、活动能力极度低下、濒死状态），及时对濒死动物实施安乐死，避免不必要的痛苦，符合动物福利伦理要求。
 

五、应用

该模型广泛应用于：

  • 心衰机制研究： 探索心肌重构（肥厚、纤维化）、神经内分泌激活、能量代谢障碍、炎症反应、细胞凋亡/自噬等机制。
  • 药物/治疗策略评估： 评价新型正性肌力药、血管紧张素转换酶抑制剂（ACEI）/血管紧张素受体拮抗剂（ARB）、β受体阻滞剂、醛固酮受体拮抗剂、细胞治疗（如干细胞）、基因治疗、器械治疗等对心功能、心室重构及生存率的改善作用。
  • 影像学新技术验证： 测试新型心脏磁共振（CMR）、核素显像、超声新技术等在评估心功能和心肌存活方面的价值。
 

六、总结

冠脉结扎诱导的慢性心肌缺血性心力衰竭大鼠模型是研究心肌梗死后心力衰竭病理生理机制及评估潜在治疗策略的成熟、可靠且具有高度临床相关性的工具。其成功构建依赖于精细的手术操作（特别是精准的LAD结扎位置和深度）、严格的术后护理以及多模态的终点评估（超声、血流动力学、组织学、生化）。严格遵守动物伦理规范、实施随机化和盲法原则是确保研究结果科学可靠的基础。该模型在推动心力衰竭基础研究和转化医学发展中发挥着不可替代的作用。

参考文献： (此处应列出实际引用的关键方法学文献和验证研究文献)

  1. Pfeffer, M. A., Pfeffer, J. M., Fishbein, M. C., Fletcher, P. J., Spadaro, J., Kloner, R. A., & Braunwald, E. (1979). Myocardial infarct size and ventricular function in rats. Circulation Research, 44(4), 503-512. (经典原始文献)
  2. Litwin, S. E., Katz, S. E., Morgan, J. P., & Douglas, P. S. (1994). Serial echocardiographic assessment of left ventricular geometry and function after large myocardial infarction in the rat. Circulation, 89(1), 345-354. (详细超声评估方法)
  3. van den Bos, E. J., Mees, B. M., de Waard, M. C., de Crom, R., & Duncker, D. J. (2005). A novel model of cryoinjury-induced myocardial infarction in the mouse: a comparison with coronary artery ligation. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 289(3), H1291-H1300. (含大鼠模型比较与评估细节)
  4. Jugdutt, B. I. (2002). Ventricular remodeling after infarction and the extracellular collagen matrix: when is enough enough? Circulation, 108(11), 1395-1403. (讨论重构机制与评估)
 

图例说明：

  • 图1： 冠脉结扎术关键步骤示意图：(A) 开胸暴露心脏；(B) 显微镜下识别LAD；(C) 穿针结扎LAD；(D) 结扎后心肌缺血变白区域示意图。心电图显示结扎后ST段显著抬高。
  • 图2： 模型评估代表性结果：(A) 超声心动图对比（Sham vs. CHF，显示左室扩大、室壁变薄、EF降低）；(B) TTC染色显示心肌梗死区域（白色）；(C) Masson染色显示心肌纤维化（蓝色胶原沉积）；(D) 血流动力学曲线对比（Sham vs. CHF，显示LVEDP升高，±dp/dtmax降低）。
 

注意： 实际撰写投稿论文时，需根据具体实验细节、数据结果及目标期刊要求进行内容调整和格式规范。本文旨在提供核心内容框架和方法学要点。