HFD+L-NAME诱导的小鼠HFpEF模型

发布时间：2025-07-01 08:01:52 阅读量：1 作者：生物检测中心

HFD+L-NAME诱导的小鼠HFpEF模型：机制与构建

摘要：
射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）已成为全球重大健康挑战，其病理生理机制复杂且缺乏有效疗法。建立可靠的动物模型是深入研究的关键。高脂饮食（HFD）联合一氧化氮合酶抑制剂Nω-硝基-L-精氨酸甲酯（L-NAME）诱导的小鼠模型是目前广泛应用的HFpEF模型之一，能有效模拟人类HFpEF的核心病理特征。本文将系统阐述该模型的建立方法、病理机制、表型特征、验证指标及其应用价值。

一、 引言
HFpEF以左心室舒张功能障碍、左心室肥厚或僵硬增加、射血分数正常（≥50%）为特征，常伴随肥胖、高血压、胰岛素抵抗、慢性肾脏病等合并症。其异质性高，传统心衰药物疗效不佳，亟需深入理解其机制。动物模型是连接基础研究与临床转化的桥梁。HFD+L-NAME模型通过同时诱导代谢紊乱（肥胖、胰岛素抵抗）和血管功能障碍（高血压、系统性炎症、内皮功能障碍），较好地模拟了人类HFpEF的“多重打击”学说。

二、 模型建立方法

  1. 实验动物： 通常选用8-10周龄雄性C57BL/6J小鼠。雌性小鼠因雌激素保护作用可能对HFpEF诱导有一定抵抗，研究较少。
  2. 高脂饮食（HFD）： 给予小鼠60%脂肪供能的高脂饲料喂养，持续整个诱导周期（通常12-20周）。该饮食旨在诱导肥胖、血脂异常、胰岛素抵抗及轻度脂肪组织炎症。
  3. L-NAME给药： 将L-NAME溶解于小鼠日常饮用水中。常用浓度为 0.5-1.0 mg/mL（最终饮用浓度）。通过每日监测饮水量计算实际摄入剂量（通常约为 40-100 mg/kg/天）。给药起始时间点可与HFD同步开始，或在HFD喂养几周后开始（如在HFD喂养4周后开始给予L-NAME）。持续给药至实验结束。
  4. 对照组设置：
    • 正常对照组： 常规啮齿类维持饲料 + 普通饮用水。
    • HFD对照组： 60%脂肪饲料 + 普通饮用水（评估单纯代谢紊乱影响）。
    • L-NAME对照组： 常规饲料 + L-NAME饮用水（评估单纯NOS抑制影响）。
  5. 饲养条件： 标准SPF级动物房环境（温度22-25°C，湿度40-60%，12小时明暗循环），自由饮食饮水。
  6. 诱导周期： 12-20周 是形成稳定HFpEF表型的常用时间窗（多在16周后进行功能表型检测）。前期（如8周）可出现代谢异常和高血压，但心功能改变尚不完全。
 

三、 诱导机制与病理生理
该模型通过两条主要途径协同作用模拟HFpEF：

  1. HFD诱导的代谢功能障碍：
    • 肥胖及脂肪组织功能障碍： 促进脂肪组织炎症（巨噬细胞浸润，TNF-α, IL-6等促炎因子释放），导致系统性低度炎症状态。
    • 胰岛素抵抗： 损害骨骼肌和肝脏糖摄取，升高血糖，损害心肌细胞能量代谢和钙处理能力。
    • 血脂异常： 游离脂肪酸增多，可能诱发心肌脂毒性。
  2. L-NAME诱导的血管功能障碍：
    • 抑制eNOS活性： 减少一氧化氮（NO）生成。NO是关键的血管舒张因子，具有抗炎、抗增殖、抑制血小板聚集等多重心血管保护作用。
    • 高血压： NO缺乏导致阻力血管收缩，外周阻力增加，诱发持续性高血压。高血压是左心室肥厚和心肌纤维化的重要驱动因素。
    • 内皮功能障碍： 减少NO生物利用度，增加内皮素-1合成，促进血管炎症和氧化应激。
    • 微血管稀疏： 慢性NOS抑制和高血压可导致心肌微血管内皮细胞损伤和稀疏，影响心肌灌注和养分交换。
    • 系统性炎症与氧化应激： NO缺乏本身可激活炎症通路（如NF-κB），并减弱抗氧化防御。HFD产生的炎症信号与之协同放大全身炎症和ROS水平。
 

四、 模型核心表型特征

  1. 代谢异常：
    • 显著体重增加（尤其体脂含量增高）。
    • 空腹血糖升高和/或胰岛素抵抗（通过胰岛素耐量试验ITT或葡萄糖耐量试验GTT评估）。
    • 血脂异常（总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白升高）。
  2. 心血管系统变化：
    • 高血压： 尾套法或植入式遥测法可检测到显著升高的收缩压和舒张压。
    • 左心室肥厚： 心脏超声（Echocardiography）测量显示室间隔厚度（IVSd）和后壁厚度（LVPWd）增加；心脏称重（HW）及计算心体比（HW/BW）显著增高；组织学（Masson三色或WGA染色）显示心肌细胞横截面积增大。
    • 舒张功能障碍（核心特征）：
      • 超声心动图：E/A比值降低或假性正常化（晚期可能逆转），E/e’比值显著升高（反映左室充盈压增高），等容舒张时间（IVRT）延长（早期指标），心房收缩期肺静脉逆向血流速度（Ard-A）增加及持续时间延长（反映左房功能代偿）。
      • 侵入性血流动力学：左心室导管压力测量显示左室舒张末期压力（LVEDP）显著升高，反映舒张功能不全的核心指标。dP/dtmin（等容舒张期压力下降速率减慢）和Tau（左室压力下降时间常数延长）也是重要指标。
    • 收缩功能正常： 超声心动图显示左心室射血分数（LVEF）和缩短分数（FS）保持正常（≥50%）。左心室收缩末期和舒张末期内径无明显扩大。
    • 心房扩张与功能障碍： 左房容积指数（LAVI）增大（超声心动图），提示心房储备功能降低，常继发于LVEDP升高和舒张功能不全。
    • 心肌纤维化： 心脏组织Masson三色或天狼星红染色显示间质和血管周围胶原沉积增多（主要在左心室），是心肌僵硬度增加的结构基础。心肌纤维化相关基因（如TGF-β, Collagen I/III）表达上调。
  3. 系统性炎症与内皮功能障碍：
    • 血浆或血清中促炎因子（TNF-α, IL-6, IL-1β等）水平升高。
    • 循环内皮功能障碍标志物（如内皮素-1, ICAM-1, VCAM-1）可能升高。
    • 血管NO生物利用度降低（乙酰胆碱诱导的血管舒张反应受损）。
 

五、 模型验证指标（关键）
诊断小鼠HFpEF需满足以下核心条件：

  1. 存在明确的舒张功能障碍证据（如：LVEDP显著升高 和/或 E/e'比值显著升高）。
  2. LVEF正常（≥50%）。
  3. 存在至少一项HFpEF相关的合并症或病理特征（在本模型中通常包括：高血压、左心室肥厚、肥胖、胰岛素抵抗、心肌纤维化、系统性炎症）。
 

六、 模型优势与局限性

  • 优势:
    • 较好地模拟了人类HFpEF常见的肥胖、代谢综合征、高血压、系统性炎症等危险因素和病理生理特征。
    • 操作相对简便，成本可控，适用于大规模的机制研究和药物筛选。
    • 诱导的表型（舒张功能障碍、肥厚、纤维化等）较为稳定和显著。
    • 可研究不同病理因素（代谢vs血管炎症）在HFpEF发生发展中的相互作用。
  • 局限性:
    • L-NAME的肾脏效应： L-NAME可引起显著的肾血管收缩和肾功能损害（蛋白尿、肾小球硬化），这可能部分独立于心脏效应，混淆对心脏特异性机制的解释。需谨慎解读肾脏相关结果。
    • 年龄因素缺失： 人类HFpEF主要发生于老年群体。该模型通常在相对年轻的小鼠上诱导，缺乏衰老这一关键因素。老年小鼠联合HFD/L-NAME可能更接近临床。
    • 表型异质性： 不同研究组报告的诱导成功率、表型严重程度和出现时间可能存在差异，受品系、性别、具体HFD配方、L-NAME剂量/浓度/起始时间、饲养环境等多种因素影响。严格标准化操作和充分的对照组设置至关重要。
    • 性别差异： 雌激素对心血管系统的保护作用使得雌性小鼠较难诱导出显著的HFpEF表型。多数研究使用雄性。
    • 人类HFpEF复杂性的不完全模拟： 无法完全人类HFpEF的所有方面（如合并的肺高血压、心房颤动、冠脉微血管功能障碍的深度特征等）。
 

七、 应用
HFD+L-NAME模型广泛应用于：

  1. HFpEF发病机制研究： 深入探讨代谢紊乱、炎症、氧化应激、心肌纤维化、内皮功能障碍、钙稳态失调等在HFpEF发生发展中的作用及相互关系。
  2. 潜在治疗靶点探索与验证： 评估新型药物（如抗炎药物、抗纤维化药物、改善代谢药物、NO通路调节剂、SGLT2抑制剂等）对HFpEF病理特征（舒张功能、纤维化、炎症、代谢）的治疗效果和作用机制。
  3. 病理生理学研究工具： 研究心脏-其他器官（如肾、肝、肺、脂肪组织）在HFpEF中的交互作用（心肾综合征等）。
  4. 诊断标志物发现： 寻找与HFpEF表型相关的循环或影像学生物标志物。
 

八、参考文献（示例）

  1. Schiattarella, G. G., et al. (2019). Nitrosative stress drives heart failure with preserved ejection fraction. Nature, 568(7752), 351–356. (经典文献，阐述了NOS失调在HFpEF中的核心作用及类似模型的机制)
  2. Franssen, C., et al. (2016). Myocardial Microvascular Inflammatory Endothelial Activation in Heart Failure With Preserved Ejection Fraction. JACC: Heart Failure, 4(4), 312–324. (涉及微血管炎症)
  3. Sorop, O., et al. (2018). Multiple common comorbidities produce left ventricular diastolic dysfunction associated with coronary microvascular dysfunction, oxidative stress, and myocardial stiffening. Cardiovascular Research, 114(7), 954–964. (阐述多重打击学说及模型机制)
  4. Withaar, C., et al. (2021). The effects of liraglutide and dapagliflozin on cardiac function and structure in a multi-hit mouse model of heart failure with preserved ejection fraction. Cardiovascular Research, 117(9), 2108–2120. (应用该模型进行药物研究)
  5. Valero-Munoz, M., et al. (2016). Heart Failure With Preserved Ejection Fraction Induces Beiging in Adipose Tissue. Circulation: Heart Failure, 9(9), e002724. (研究心外组织变化)
  6. Gevaert, A. B., et al. (2018). Endothelial Senescence Contributes to Heart Failure With Preserved Ejection Fraction in an Aging Mouse Model. Circulation: Heart Failure, 11(8), e004973. (结合衰老因素的研究)
 

结论：
HFD联合L-NAME诱导的小鼠模型是研究HFpEF病理生理机制和探索潜在治疗策略的重要工具。它通过模拟代谢综合征和血管炎症/内皮功能障碍的双重打击，成功诱导出包括左心室肥厚、心肌纤维化、舒张功能障碍（LVEDP升高/E/e’升高）而收缩功能保留的核心HFpEF表型，并伴随肥胖、高血压、胰岛素抵抗和系统性炎症等关键合并症特征。虽然存在L-NAME肾脏副作用及缺乏衰老因素等局限性，但通过严谨的实验设计（明确HFpEF诊断标准、设立严格对照组、综合多指标评估）和不断优化（如结合衰老模型），该模型将继续为破解HFpEF复杂机制和开发有效疗法提供强有力的支持。