心肌纤维化和肥大小鼠模型在心脏研究中的相关性

摘要

介绍

心脏病是美国最主要的死亡原因。缺血/再灌注（IR）诱导的细胞死亡是心脏病患者发病和死亡的主要原因[1,2]. 心肌梗死（MI）患者的生存率和生活质量可以通过减少IR引起的事件来提高。MI和充血性心力衰竭（CHF）的发病率、患病率和死亡率以及经济成本由于预期寿命的增加和此类事件后死亡率的降低，人口数量正在增加。中年人CHF的患病率为1–2%，65岁以上和75岁以上人群CHF的发病率分别为2–3%和5–10%[三]. 目前在美国，心力衰竭的流行率超过580万例，每年诊断出55万以上的新病例[4]. 2013年，在美国，每20例死亡中有1例是由中风引起的，每7例死亡中就有1例由冠心病引起，每9例死亡中也有1例因心力衰竭引起[5]. 冠心病（CHD）是CHF的主要病因，在20世纪80年代占67%[6]，可能导致高达73%的心力衰竭病例[7]. CHF的其他原因是瓣膜性心脏病（10%）；原发性心肌疾病以扩张型心肌病为主（20%）；以及动脉高压（HTN）（57%）。Framingham研究发现，男性心力衰竭（HF）后的总体5年生存率为25%，女性为38%[6]. CHF后患者的死亡原因是猝死（约40%的患者）、心衰恶化（约40%）和其他因素（20%）[8]. 疾病的持续时间和严重程度、患者性别和治疗策略决定了心衰患者的生存率。

心脏缺血损伤导致心脏重塑和纤维化，最终导致心力衰竭。晚期心力衰竭综合征表现复杂，包括心肌功能紊乱、心室重塑、血流动力学改变、神经肿瘤激活、细胞因子过度表达、血管和内皮功能障碍[8]. 深入了解心脏重塑、纤维化和HF的复杂病理生理学可能有助于理解这种疾病，并有助于开发更好的治疗方法。心血管研究人员正在朝着这个方向努力，实验动物模型对理解正在进行的疾病过程有很大帮助。动物模型也有助于了解干预对疾病过程的影响，这反过来有助于开发更好的治疗方法。小鼠模型可用于研究心力衰竭的过渡过程；新的药理学策略对血流动力学、神经肿瘤激活和某些临床前条件下生存率的影响；疾病潜在的分子改变；疾病发展的病理生理学；用于纠正衰竭心脏亚细胞过程的分子技术；以及研究基因转移的后果。这篇综述的重点是心血管研究中使用的各种小鼠模型。

心脏正常心肌

为了了解损伤后心肌的变化，了解正常心肌的结构非常重要。心脏的结构支持归功于其细胞外基质（ECM）网络。心脏的泵送作用是由于心肌细胞产生的力。ECM网络主要由I型胶原和少量III型胶原组成。这种胶原网络促进收缩力的传递。拉伸强度由主要为I型胶原（占心肌总胶原的85%）的厚纤维提供。III型胶原蛋白（占心脏总胶原蛋白的11%）形成细纤维，并负责基质网络的弹性[9].

形态学上，心脏基质网络可细分为三种成分：肌表膜、肌周和肌内膜[10] (图1). 整个心肌被肌膜包裹，位于心内膜和心外膜表面，为内皮细胞和间皮细胞提供支持。肌周膜起源于肌外，围绕着肌纤维群。单个肌肉纤维被肌内膜包裹，肌膜是肌周的最终树枝状结构。肌内膜支柱将肌纤维结合在一起，形成营养微血管。它们还充当跨质膜与心肌细胞细胞骨架蛋白连接的位点。肌周胶原沉积增加导致间质纤维化，壁内冠状动脉血管系统的介入导致纤维化心脏的血管周纤维化。除胶原蛋白外，糖蛋白、糖胺聚糖（透明质酸）和蛋白聚糖也形成心脏ECM。心脏ECM中的潜在生长因子和蛋白酶可能通过其在损伤后的激活触发纤维化反应[11].

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图1

正常心脏心肌：心壁由外向内由心包、心肌和心内膜组成。心包腔位于内脏心包和壁心包之间。心肌由肌表膜、肌周膜和肌内膜组成

梗死后心肌修复

心肌细胞低氧诱导死亡引发的炎症反应激活导致心脏发生术后愈合和瘢痕形成[12]. 心脏修复过程中的三个重叠阶段是炎症期、增殖期和成熟期(图2;表1). 缺氧引起的心肌细胞死亡触发了最初的炎症反应，这些炎症反应通过各种步骤进行调节，包括启动补体级联反应、自由基生成和核因子κB（NF-κB）的激活，释放称为危险相关分子模式（DAMPs）的内源性配体[13]炎症期的类toll受体（TLR）介导的信号通路。中性粒细胞是最先到达损伤区域的细胞；它们释放诱导单核细胞积聚的趋化因子。它们消化受损组织并通过吞噬作用清除细胞碎片[14].

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图2

缺血性损伤后的心肌纤维化：心肌损伤导致心肌细胞死亡和凋亡。心脏修复包括三个阶段：炎症期、增殖期和成熟期。细胞因子、趋化因子和其他炎症介质介导的炎症导致伤口清除和死亡细胞凋亡，随后形成胶原，然后胶原纤维交叉连接导致瘢痕形成。ROS公司活性氧物种；发动机控制模块细胞外基质；TGF公司（转化生长因子）-β；伊利诺伊州-（白细胞介素）-4；TLR公司类toll受体；核转录因子活化B细胞的核因子κ轻链增强子；基质金属蛋白酶基质金属蛋白酶

一旦死亡的心肌细胞和基质被清除，增殖期就开始了。炎症介质表达的抑制发生在愈合的增殖期。及时抑制炎症介质合成对向增殖期过渡很重要。这种机制尚不清楚，但是无1抑制心脏前炎症介质、肥大标记物和NF-κB/AP-1介导的机制的表达第1批已经讨论了基因剂量依赖的方式[15]. 在增殖期，成纤维细胞、淋巴细胞、肥大细胞和内皮祖细胞浸润伤口。在此阶段，血管生成因子（如CXCL12和CXL1）的上调允许内皮祖细胞促进组织血管化。激活的肌成纤维细胞形成ECM，为新形成的微血管提供支持。随后是成纤维细胞和血管细胞的凋亡，以及大多数细胞成分的丢失。成熟期包括形成含有交联胶原束的瘢痕、肌成纤维细胞干细胞和新形成的血管(图2). 与梗死愈合相关的细胞和分子基质事件影响患者左室重构和预后[14,16]. 了解心肌梗死后的细胞和分子过程可能为控制伤口愈合和瘢痕形成提供治疗选择，而小鼠模型可能在此类研究中发挥重要作用。

损伤后心脏重塑、纤维化和调节

左心室的大小、形状和功能随着神经细胞的激活而发生的变化，血流动力学负荷条件的变化，以及改变心肌结构特征的局部介质的诱导，统称为“心室重塑”。尽管主要见于心肌梗死后，心室重构是对各种形式的心肌应激和损伤的反应[17]. 涉及心肌细胞、ECM和成纤维细胞的细胞和分子通路的激活导致心室重构。

转化生长因子-β的作用

转化生长因子（TGF）-β是梗死后心肌炎性和纤维化阶段的关键介导因子，并在重塑过程中调节细胞步骤(图3). 显著诱导和激活的TGF-β在调节成纤维细胞表型和基因表达方面起着关键作用，进而通过上调胶原蛋白和纤维连接蛋白的合成以及通过诱导蛋白酶抑制剂减少基质降解，促进ECM在梗死心肌中的沉积。TGF-β通过抑制TGF-α信号调节的炎性基因合成，抑制巨噬细胞的炎性介质合成，同时通过Smad3依赖途径促进肌成纤维细胞分化和基质沉积[16,18].

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图3

转化生长因子β在心肌纤维化中的作用：转化生长因子-β被基质金属蛋白酶-2、基质金属蛋白酶-9、TSP-1、活性氧激活，并且在梗死愈合、心肌纤维化、细胞外基质形成、血管生成、心脏重塑和心肌肥大中发挥重要作用。基质金属蛋白酶基质金属蛋白酶；TSP公司（血小板反应蛋白）-1；ROS公司活性氧物种；发动机控制模块细胞外基质

TGF-β诱导的结缔组织生长因子（CTGF）可能促进重塑心脏的心肌细胞肥大[19]并可能通过与TGF-β的协同作用增强纤维化。TGF-β1还与肾素-血管紧张素系统（RAS）形成网络，促进心肌细胞肥大、成纤维细胞增殖和ECM蛋白在心脏重塑中的表达[20]. 由于TGF-β介导的广泛作用，使用一种新型口服活性TGF-？I型受体抑制剂（激活素受体样激酶-5）阻断TGF-[21]. TGF-β通过刺激心肌细胞生长和诱导间质纤维化，在肥厚性和扩张性心室重塑的发病机制中发挥重要作用[14]. 术后心室重塑导致心室扩张、肥大和球形增强，并与不良预后相关[22].

成纤维细胞在损伤后心肌修复中的作用

成纤维细胞主要参与纤维化过程，调节组织中胶原的周转，有时通过活化和表型转变而转变为肌成纤维细胞。肌成纤维细胞是纤维化过程中的主要细胞。在正常愈合的伤口中，肌成纤维细胞参与组织修复，但活化的肌成纤维纤维细胞充当纤维化过程的细胞效应器。收缩蛋白，如α-平滑肌肌动蛋白的表达，是肌成纤维细胞表型的特征。循环中的内分泌激素和心肌内形成的自分泌和旁分泌因子调节成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化过程以及肌成纤维母细胞介导的胶原转换。TGF-β1、血管紧张素II和内皮素-1是参与这些过程的主要调节因子[26].

心肌中成纤维细胞的增殖和激活导致纤维化过程中激活的肌成纤维细胞起源；然而，反应性间质纤维化和肥大过程中增殖的成纤维细胞样细胞可能来自血管附近[27]，纤维细胞[28]、内皮细胞、周细胞[29]，循环单核细胞[30]和骨髓祖细胞[31]. TGF-β、血小板衍生生长因子和成纤维细胞生长因子主要刺激成纤维细胞表型的获得[32]. 上皮-间质转化（EMT）和内皮-间质转换（EndMT）主要负责胚胎发育期间上皮细胞和内皮细胞产生心脏成纤维细胞[33] (图4). 命运图研究表明，EndMT在心脏纤维化中的作用表明，在正常成人心脏中，内皮细胞对成纤维细胞没有显著作用[34]，内皮起源可能在受损心肌中贡献多达30%的成纤维细胞[35]. EndMT导致内皮细胞中出现成纤维细胞，成纤维细胞导致ECM过度沉积，导致心肌纤维化，其特征是微血管减少和正常心肌结构破坏。TGF-β1诱导内皮细胞进行EndMT，而骨形态发生蛋白（BMP）-7通过抑制EndMT保护内皮表型[35]. 此外，成纤维细胞的单核起源由连续Th1和Th2诱导介导，促进类似M1（经典激活）和M2（交替激活）巨噬细胞的极化。涉及MCP-1刺激的前显性Th2和M2反应增加了在纤维化中发挥作用的IL-13[36].

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图4

肌成纤维细胞和心脏纤维化的起源：肌成纤维纤维细胞可以起源于循环成纤维细胞、纤维细胞、周细胞、内皮细胞、祖细胞、平滑肌细胞。压力导致肌成纤维细胞结果的来源，电子病历上皮-间充质转化和结束MT内皮-间充质转化。TGF-β有助于前成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化。肌成纤维细胞有助于胶原蛋白合成、ECM形成、纤维化和瘢痕形成

心脏纤维化对心功能的影响

由于心脏的再生能力微不足道，心脏损伤最终导致心脏纤维化的发展。心脏纤维化与心肌基质蛋白沉积增加有关。在没有明显心肌细胞丢失的情况下，心脏间质空间的扩张被称为“反应性间质纤维化”，心肌梗死后瘢痕的形成被称为”修复性纤维化”[37,38]. 肌内和肌外胶原沉积增加导致纤维化心脏间质纤维化(图5). 血管周围纤维化导致壁内冠状动脉外膜胶原沉积增加。在左心室压力超负荷的动物模型中发现了在没有心肌细胞损失的情况下进行的初始反应性血管周围纤维化[26].

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图5

心脏纤维化的发病机制：由于斑块形成和血液供应减少，冠状动脉疾病导致心脏缺血性损伤。缺血损伤后，由三个重叠阶段组成的级联机制将治愈梗死心脏并导致心脏纤维化。一菌斑形成，b条,c（c）心肌梗死后心脏瘢痕愈合，图像上部心肌细胞正常d日胶原蛋白沉积

在使壁应力正常化的同时保持心输出量的适应性反应包括反应性间质纤维化和初始反应性血管周围纤维化，以及心肌细胞肥大。然而，最终，心肌细胞坏死和凋亡导致修复性纤维化[39]. 心脏间质纤维化在缺血性心肌病的发病机制中起着重要作用，导致收缩和舒张功能障碍。由于收缩功能丧失和心律失常，心脏纤维化可能导致心力衰竭。心房颤动（AF）是入院时最常见的心律失常，心房纤维化在AF的发展中起着重要作用[40]. 一种新的转基因LKB1（心肌特异性肝激酶B1）敲除小鼠模型有助于了解房颤发生过程中心房电解剖重构的机制[41].

心脏研究中的小鼠模型

动物模型用于更好地了解心血管疾病的发病机制，以改进缺血性心脏病的诊断、预防和治疗，并帮助开发和测试新的诊断、防范和治疗程序。复杂的显微外科仪器和显微镜的出现有助于心血管研究从大鼠模型向小鼠模型的转变。此前，由于大鼠体型较大，所以使用大鼠。在心脏研究中使用的小鼠模型越来越受欢迎，这是因为它的妊娠期短，体积小，易于处理和繁殖，产仔数大，维护成本低，基因组特征广泛，对动物保护的批评较少，所以可以使用更多的动物(表2). 小鼠也被用于基因靶向敲除和转基因过度表达实验[42]. 心电图和高分辨率超声心动图可准确评估小鼠的心功能、确定梗死面积和表征梗死后重塑[43,44]. 此外，还可以在Langendorff装置中进行程序，包括检查心律和血流动力学功能的电生理学方面，以及隔离灌注器官（体外）中衰竭或梗死的啮齿动物心肌[44].

用于心血管研究的小鼠模型可以通过手术、药理学或电学方法制作。药理学和电学方法有局限性。研究实验室用于心肌梗死小鼠模型的三种主要手术程序是主动脉缩窄、肺动脉结扎和心肌梗死伴缺血再灌注（I/R）损伤。通过基因过度表达、缺失或突变建立了遗传模型。这些遗传模型克服了对给药因子或其抑制剂的需求，其量化可能会有问题且困难。遗传小鼠模型对延长单克隆抗体治疗的耐受性更好。在研究中使用这些小鼠模型的兴趣增加是因为有大量的转基因小鼠[45]. 通过各种研究，现已确定心脏和血管系统的发育受小鼠和人类中类似基因和信号通路的调控，分子遗传学在心血管疾病的诊断和治疗中可以发挥关键作用[46].

与转基因模型相比，由于手术过程的可变性，手术模型可能会有更多的生物变异。因此，将实验可变性降至最低，以使所需的独立生物复制次数和实验成本降至最低至关重要。生物变异受遗传和/或环境因素的影响。限制实验可变性将提高再现性[46,47]. 这些小鼠模型有助于理解心脏纤维化的机制(表3)并为新疗法的发展铺平道路。

心脏纤维化小鼠模型

了解心肌细胞肥大的机制是越来越多的研究领域，因为心肌肥大是心脏猝死的主要原因，而参与心肌肥大的信号通路仍在不断涌现。心脏纤维化是心脏重塑的一个特征，也是ECM过度沉积的结果，也是各种心肌病中常见的组织学表现[77–79]. 小鼠模型（体内或体外）在理解这些信号通路方面发挥着重要作用。体外模型有助于理解心肌成纤维细胞的形态、特征和表型变化、ECM合成、胶原合成、细胞增殖、细胞-细胞相互作用的自分泌和旁分泌效应以及成纤维细胞的来源，并用于药物开发。体内模型有助于理解和测试基因变化、药物、信号通路对肥大和纤维化的影响，最适合研究特定疾病[77].

心力衰竭和肥大小鼠模型

心力衰竭和肥大的动物模型在了解CHF的病理生理学和治疗方面发挥了重要作用。研究实验室中使用了各种动物模型（冠状动脉结扎模型、主动脉环扎模型、Dahl盐敏感性大鼠模型、自发性高血压大鼠模型和自发性高血压伴心力衰竭），并在文献中进行了讨论，每种模型都有其独特的优缺点。在心脏研究中应该使用哪种模型和物种来产生CHF取决于各种因素，例如模型的再现性和可获得性、伦理和经济考虑以及正在处理的问题。这个科学问题决定了该模型在模拟人类CHF综合征方面的接近程度[8]. 用于心衰心血管研究的各种模型有大鼠、狗、猪、兔、豚鼠、叙利亚仓鼠、猫、火鸡、牛和羊。肥大动物模型包括大鼠、兔子、狗、猪、猫、仓鼠、雪貂、绵羊、狒狒、豚鼠、小鼠和转基因（基因过度表达、基因突变和敲除基因）动物。除了伦理关注外，心血管研究（纤维化、心力衰竭和肥大）中动物模型的使用取决于以下因素：（1）动物的可行性（2）与人体解剖和生理学的相似性（3）疾病与动物疼痛和不适的关联性（4）动物研究的结果是否可以很容易地转移到人类的心力衰竭情况。还必须考虑更换、减少和改进[8,80].

压力和体积过载鼠标模型

心脏纤维化是重构的一个特征，而心肌肥大是压力或容量过载导致心肌细胞增大的一种生理反应。采用微创横贯主动脉带（MTAB）压力/容量超负荷小鼠模型研究心肌肥厚[78]. 同样，压力超负荷的横向主动脉收缩（TAC）小鼠模型已被用于研究在心脏肥大中起作用的基本信号传导过程[81]，升主动脉和腹主动脉收缩也会导致压力过载。升主动脉缩窄会导致极度快速的超载，而腹主动脉缩窄则会导致代偿。同样，肺动脉高压可导致右心室压力超载，继而导致右心室衰竭以及左心室收缩和舒张功能障碍[82,83]. 肺动脉结扎（PAB）模型治疗肺动脉高压具有持续超载、固定收缩、无任何全身或毒性影响的优点。然而，PAB模型中的系统效应取决于收缩的紧密性[84]. PAB导致左右心衰竭和心脏功能障碍可能导致心脏纤维化[85,91,92] (表4).

表4

心脏研究中的外科小鼠模型（心肌梗死、压力超负荷和容量超负荷）[85,86]

手术模型	方法	优势
心肌缺血模型	冠状动脉结扎术	有助于确定冠状动脉事件的准确时间、位置和范围
	缺血再灌注模型（开胸和闭胸）	提高再现性
	无再灌注缺血模型	允许研究衰竭或梗死心肌的血流动力学功能和心律的电生理学方面
	慢性缺血模型
	缺血预处理模型的缺血再灌注
	朗格多夫模型
压力过载模型	横行主动脉缩窄（TAC）[86]	TAC模型手术存活率高，对研究左心室肥厚有效
	升主动脉缩窄	模拟人主动脉狭窄
	腹主动脉缩窄	心力衰竭（压力过载）的刺激在发病时是渐进的
	肺动脉结扎术	补偿的进度
	TAC伴左前冠状动脉远端结扎[69]	失代偿性心力衰竭的肥大模拟了人类心力衰竭进展的临床相关性
		心脏结构和功能特性的渐进性恶化
体积过载模型	主动脉腔瘘模型[87–89]	单纯容积超载（如孤立MR和AR），主动脉压或心率无伴随性增加
	主动脉瓣关闭不全模型[90–92]	双心室肥厚

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先生二尖瓣返流，应收账主动脉瓣返流

心脏纤维化转基因小鼠模型

心脏纤维化和肥大通常在心肌病中并存，了解它们的作用是很有挑战性的。然而，随着转基因小鼠的出现，可以详细研究心力衰竭和纤维化的病理生理学。这些模型也有助于确定导致充血性心力衰竭和纤维化的各种基因和机制。ECM和ECM-心肌细胞黏附在收缩力的传递、心肌细胞的结构排列、细胞内信号传递、细胞生长、肥大和存活中分别起着重要作用。为了响应物理和化学刺激，心脏成纤维细胞通过基质金属蛋白酶和金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）将其表型改变为心肌成纤维细胞，从而重塑ECM。此外，心脏成纤维细胞增加TIMP的分泌，以应对心脏损伤后损伤相关分子模式的增加[93]. TIMP1表达上调与人类和小鼠模型中胶原沉积导致的心脏纤维化增加有关[94–96]. TIMPs对细胞生长和肥大有影响，在缺乏TIMP2和TIMP3的小鼠中，发现压力过载导致严重的心肌纤维化和肥大。TIMP2公司^−/−和TIPM3^−/−小鼠有助于独立研究心肌肥厚和纤维化以及对心脏功能障碍的影响[79].

一种新的MLP敲除小鼠扩张型心肌病（DCMP）和HF模型，其心肌肥厚、间质细胞增殖和纤维化的症状和体征与人类相似[97]. 类似地，肌原因子-5的敲除，心脏刺激G蛋白α亚基的过度表达[98]以及肌钙蛋白的过度表达[99]在小鼠中也可导致心肌病的发展。

胶原蛋白突变小鼠模型

细胞外基质的增殖和胶原沉积在心脏纤维化中起主要作用。如前所述，MMPs和TIMPs调节胶原蛋白沉积以及心脏成纤维细胞活性，从而调节纤维化，而MMPs与胶原蛋白之间的平衡对于ECM的完整性至关重要。涉及小鼠模型（TIMP基因敲除、MMP-9基因敲除，TGFβ-1敲除，p53敲除，ACE2敲除，db/db Smad3缺失小鼠）的研究表明，这种平衡的破坏将导致心脏重塑、纤维化和功能障碍[16,18,74,100,101]. 带有的鼠标模型胶原蛋白1a1-GFP公司转基因以识别受伤野生型小鼠和肌营养不良蛋白基因位点突变的野生型小鼠中产生胶原蛋白I基质的细胞(中密度纤维板)作为杜兴肌营养不良（DMD）的模型，已被用于阐明导致纤维化的细胞和分子机制。据报道，在损伤/修复过程中，胶原蛋白-I+成纤维细胞中有条件地表达组成活性PDGFRαD842 V突变，导致纤维化增加和修复期减弱，使PDGFRβ途径成为治疗进展性DMD的潜在新靶点[102].

糖尿病突变小鼠模型

糖尿病增加心肌梗死和肥厚的风险。糖尿病-心肌病相关并发症是糖尿病发病率和死亡率的主要原因。糖尿病不仅影响非冠心病、高血压和高脂血症引起的糖尿病性心肌病，还加重心肌梗死或IR后的心脏损伤。文献中讨论了心肌纤维化、肥厚和心肌细胞凋亡的相关性。糖尿病小鼠模型已被用于心脏研究，以阐明纤维化和肥大的潜在细胞和分子机制[103]. 糖尿病患者左室壁高血糖刺激心脏重塑并破坏收缩功能，从而通过降低心脏的收缩和舒张功能损害心脏功能[104]. 糖尿病（db/db）小鼠中的突变导致瘦素受体的非功能性截短长型表达，导致下丘脑对瘦素产生抵抗。这导致小鼠在幼年时食欲旺盛、明显肥胖和明显糖尿病。幼年（4-6个月）肥胖和糖尿病会导致db/db小鼠的心脏间质纤维化，并且已经使用组织学和生物化学技术进行了记录。糖尿病患者常驻心脏成纤维细胞的激活和扩张可能导致心脏纤维化[105]. 此外，已使用基因诱导的II型糖尿病小鼠模型（db/db小鼠模型）报告了II型糖尿病患者心脏成纤维细胞依赖性基质的积聚。从糖尿病小鼠分离的糖尿病db/db成纤维细胞中I型胶原、TIMP2和TGF-β的表达增加以及表型变化与胶原积聚、心肌僵硬和舒张功能障碍有关[106].

肥厚型心肌病小鼠模型

心肌病是一组影响心肌的异质性疾病，经常导致进行性心力衰竭相关的残疾或心血管死亡。自从遗传学在心肌病发病中起着越来越重要的作用以来[107]，小鼠模型已成为心肌病研究中最常用的动物模型，其基础是遗传信息和操纵小鼠基因组的技术的可用性[108,109]. 肥厚型心肌病（HCM）是一种心肌疾病，由于编码心肌肌节的基因突变而发生。迄今为止，约有1400个突变被确定为HCM病理学的原因。大约70%的突变发生在编码心脏β-肌球蛋白重链的肌节基因中(2007年5月)和心肌肌球蛋白结合蛋白C(MYBPC3型). 其他肌聚体基因，如调节性肌球蛋白轻链(MYL2（马来西亚林吉特）)，心肌肌钙蛋白T(TNNT2公司)，心肌肌钙蛋白I(TNNI3公司)和肌动蛋白(ACTC公司)说明其他HCM病例[19].

HCM的表型表现包括主要累及心室间隔的巨大肥厚。HCM的机制很复杂，包括主动脉瓣下增厚的基底前隔膜鼓胀导致的动态左室流出道梗阻、二尖瓣反流、舒张功能障碍、心肌缺血和可能导致猝死的心律失常[8]. 显微镜下的特征是心肌细胞肥大、紊乱以及间质纤维化的扩张。肌细胞紊乱的特征是心肌结构紊乱，相邻的肥大心肌细胞在胶原中心核周围以钉轮状或人字形相互垂直或倾斜排列(图6).

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图6

心肌病的发病机制：压力过载、炎症或缺血性损伤会导致充血性心力衰竭和扩张型心肌病。遗传异常可导致肥厚性心肌病(HCM公司不对称左心室肥大）。TGF（转化生长因子）-β在扩张型心肌病和肥厚型心肌炎中均起重要作用，可作为治疗途径的靶点。药物作用于梗死心脏靶向TGF-β的时机非常重要

已经建立了许多HCM肌球蛋白重链转基因动物模型，试图了解人类常见HCM表型的发病机制。Arg点突变的转基因小鼠模型⁴⁰³α-肌球蛋白重链中的–Gln与人类家族性HCM相似[110]. 在缺乏β-肌球蛋白重链轻链结合结构域的转基因小鼠中也发现了类似的表型[111]. 这些模型将有助于理解HCM的病理生理学。用MLC2v启动子靶向心室的H-ras基因过度表达导致心室肥厚伴肌纤维紊乱，从而导致左心室流出道梗阻导致舒张功能障碍[112]. 心脏肥大与钙调蛋白的过度表达有关[113]白细胞介素（IL）-6受体与转基因小鼠中gp-130的激活有关[114]α-1肾上腺素能受体的过度表达[115]和淘汰赛；这可能是一种新的治疗方法。

腺嘌呤核苷酸转运体（Ant 1）心脏/肌肉亚型的敲除也可以导致线粒体肌病的转基因小鼠模型表现出骨骼肌和心肌肥大[116]. 即使来自HCM的同一家族或表型，受试者之间的背景遗传学、生活方式或环境差异也会产生混淆效应。Blakenburg等人[117]研究βMHC-Val606Met替代物（VM）对HCM不同表型的影响；他们提出，b-肌球蛋白重链变异体（Met606Val）会导致小鼠轻度肥厚性心肌病，但与其他HCM活化剂联合使用会加剧小鼠HCM表型，导致临床结果的广泛差异。

研究表明，原肌球蛋白（Tm）磷酸化状态在不同的心脏病小鼠模型中不同。为了研究在慢性内在应激源的背景下减少α-Tm磷酸化的有益作用，Schulz等人[118]采用家族性肥厚性心肌病（FHC）α-TmE180G小鼠模型，显示α-Tm E180G/S283A双突变转基因小鼠无心肌肥厚迹象，心功能改善。与α-Tm E180G小鼠相比，这些双突变转基因小鼠的心脏中磷酸化的磷蛋白Ser-16和Thr-17增加。这项研究首次证明降低原肌球蛋白磷酸化可以预防肥厚型心肌病表型。最近，Zhao等人[119]建议采用DBA/2J（D2）小鼠模型进行肥厚型心肌病易感性的深入遗传分析和修饰筛选。Davis等人[120]最近描述了一种基于张力的小鼠模型（肌节内钙依赖性张力的产生是由于肌节蛋白基因编码的家族性突变所致），该模型有利于区分HCM和DCP。

扩张型心肌病小鼠模型

通过永久性冠状动脉结扎手术阻断冠状动脉[121,122]或再灌注梗死（IR）[58,123]导致小鼠心肌损伤，并导致DCM表型的发展。代替手术，冷冻损伤通常被用作阻断冠状动脉血流的替代技术；它可以提供更可靠的损伤区域，并可作为心血管转化研究的有效工具[124,125]. 药物也能以剂量依赖的方式诱导扩张型心肌病，导致心力衰竭[126,127]或异丙肾上腺素[128,129]在这方面已经有报道。毒性模型的特点是氧化应激和心肌细胞凋亡[130]并有助于评估心脏对压力的反应。

心肌炎是一种心肌炎症性疾病，与扩张型心肌病和心力衰竭的发展有关[131,132]. 剔除编码干扰素调节因子（IRF）-1的基因[133]，TGF-β1基因敲除[134]单克隆抗犬肌浆网钙免疫CAF1/J小鼠²⁺ATP酶抗体[135]、实验性自身免疫性肌球蛋白重链自免疫性SWXJ或亲代-SJL/J和SWR/J小鼠免疫诱导的自身免疫性心肌炎[136]在各种研究中都有记载。

限制性心肌病小鼠模型

限制性心肌病（RCM）是一种心肌疾病，其特征是由于心室僵硬导致心室充盈受限。虽然RCM病例较HCM和DCM少见，约占所有儿童心肌病的2-5%，但预后最差，与猝死相关。原发性RCM包括由特发性原因或遗传性或偶然获得性突变导致的RCM。原发性RCM仅限于心肌。继发性RCM由外源性因素发展而来，包括浸润性疾病（淀粉样变和结节病）；储存性疾病（血色素沉着症、糖原储存性疾病和法布里病）；炎症性疾病，如Loefler心肌病、心内膜心肌纤维化、嗜酸性心内膜肌病和放射[116,137–139]; 和硬皮病（系统性硬化症）。使用紧致皮肤（Tsk）小鼠作为硬皮病模型，已证明纤维素酶-1过度表达是过度纤维化的原因[140].

已描述具有cTnI R192H突变（小鼠基因组中的R193H）和RCM预后最差的R145W cTn1突变的转基因小鼠模型。同样，转甲状腺素小鼠（V30M ATTR和CMV-γ6转基因小鼠）过度表达淀粉样蛋白也可以模拟系统性淀粉样变，导致淀粉样沉积在心脏，导致舒张和收缩功能障碍、CHF和死亡[141,142]. 不同基因的过度表达或突变导致不同的表型，并导致心肌肥大、增生和心力衰竭[8]. 因此，转基因小鼠肥大模型可用于鉴定参与心力衰竭过程的基因以及参与发育和疾病进展的分子机制。

Dewald等人[143]报道了用C57/BL6小鼠通过重复IR诱导的小鼠缺血性心肌病模型。他们证明，小鼠短暂重复心肌缺血再灌注诱发的心肌病与可逆性局部收缩功能障碍和间质纤维化有关。反复短暂心肌缺血再灌注可导致可逆性纤维化重塑和心室功能障碍，无心肌梗死和坏死。该模型可诱导具有心肌冬眠特征的心肌病，并可用于研究缺血性节段性心肌功能障碍进展和消退的机制。

治疗方法的最新进展

心肌损伤导致的心肌肥大和纤维化是心脏病死亡的主要原因。小鼠模型可以有效地理解肥大和纤维化的发病机制，并开发延迟、预防或逆转肥厚和纤维化过程的治疗方法。研究表明，使用C57BL/6J野生型小鼠和同基因lpr小鼠和gld小鼠冠状动脉结扎[144]使用人HCM转基因cTnT-Q92小鼠模型逆转肥大和纤维化[145,146]以及使用缺乏FcRγ链蛋白（FcR^−/−) [147].

右旋糖酐铁处理小鼠iNOS水平降低对心肌缺血再灌注损伤的保护作用表明，短期铁超载可以保护心脏免受缺血再灌注的损伤[148]. 蛋白酶体抑制也可导致梗死面积缩小和左心室功能改善[149]，吸入一氧化氮[150]，和FR167653[151]. 蛋白酶体抑制也可导致左心室肥厚的逆转[152]. 同样，IKKbeta抑制可减轻IR损伤后的心肌损伤和功能障碍[153]. 用C57BL/6:FVB/N混合背景的小鼠描述了3型p90核糖体S6激酶（RSK3）在体内病理条件下导致心肌间质纤维化和心力衰竭的同心性心肌细胞肥大和心肌病中的重要作用[154]. TM180显示心功能改善，间质纤维化减少：RSK3号机组^−/−小鼠提示RSK3的特异性抑制应被认为是一种潜在的新的治疗策略。

Ca转基因（TG）表达的作用²⁻/用成年C57BL/6雄性小鼠证实了钙调素依赖性蛋白激酶IV（CaMKIV）、CaMKIIdeltaB和CaMKIIdeltaC在扩张型心肌病和心力衰竭发病机制中的作用。多功能钙的潜在作用²⁻据报道，钙调素依赖性蛋白激酶II（CaMKII）可治疗结构性心脏病患者的心肌功能障碍和心律失常[155,156]. 使用C57/BL6小鼠和NOD2基因敲除小鼠（C57BL/6背景）证明了核苷酸结合寡聚结构域-2（NOD2）缺陷在促进心肌肥厚和纤维化中的作用。NOD2缺乏也与NOD2基因敲除（KO）小鼠TLR4和MAPK、NF-κB和TGF-β/Smad通路的激活增强有关。这些结果表明NOD2在肥大和纤维化中的减弱作用[157].

除了心脏保护方法外，小鼠模型在通过干细胞治疗研究心脏再生方法方面也很有用。通过刺激心肌细胞增殖，梗死心肌的内源性再生可以通过腺病毒将细胞周期蛋白A递送到梗死边界区来启动；这会改善心脏功能[158]. 移植胚胎细胞等外源性细胞有很好的效果[159]和成人骨髓源性细胞，用于心脏再生。细胞因子粒细胞集落刺激因子对小鼠骨髓干细胞代谢的影响[160]还证明了预防心肌细胞凋亡，稳定梗死区之间的电生理耦合，改善梗死区的血管化[160,161]. 骨髓间充质干细胞、脐血细胞、骨骼肌成肌细胞、内皮祖细胞、心脏干细胞、胚胎干细胞和诱导的多能干细胞的移植及其在心脏保护、心脏再生和再内皮化中的作用已经在小鼠和猪模型中进行了描述[162–164].

利用DMD小鼠模型研究冠状外膜细胞和TGFβ1在血管周围纤维化形成中的作用以及TGFβR1在胶原合成中的信号抑制，表明冠状外膜可能是抗纤维化治疗发展的一个有希望的靶点[165]. 此外，由于DMD导致DCM，女性mdx-Xist^Δhs小鼠模型已被用于研究心脏中所需的肌营养不良蛋白水平，以预防或延缓小鼠心肌病。心脏中4-15%肌营养不良蛋白的嵌合表达足以延迟小鼠心肌病的发病并改善其病情[166].

病理性肥大是哺乳动物心脏对机械和病理应激的反应而发生的畸形重塑。病理性肥大与胎儿基因上调相关，导致心脏纤维化增加和心脏功能障碍减少。使用miR-155突变小鼠和钙调神经磷酸酶转基因小鼠（Tg（Myh6-Ppp3ca）37Eno），Hu等人[167]提示miR-155是病理性心肌细胞肥大的诱导剂。抑制内源性miR-155可能具有抑制心肌肥厚和心力衰竭的临床前景。同样，在Sgcb-null营养不良小鼠中，已显示严重DCM进展，miR-669a下调。miR-669a治疗可减少肥厚性重塑、纤维化和心肌细胞凋亡，并增加肌节组织。它还可以降低心室心钠素水平，改善DCM标记物的基因/miRNA谱。它还显著降低了左心室的不良重塑，增强了左心室收缩分数缩短，表明腺相关病毒（AAV）介导的miRNA治疗对严重、慢性MD相关DCM转基因模型有益[168]. 同样，miR-154的抑制在压力过载小鼠模型中具有心脏保护作用，可能是治疗与心脏纤维化、肥大和功能障碍相关的病理学的新靶点[169]. 这些研究表明表观遗传学在开发新的心血管疾病治疗方法中的作用；将表观遗传学与小鼠模型相结合可能发挥重要作用[170].

结论

缺血性心脏病是美国最常见的导致死亡的心脏病原因，心脏病的发病率呈上升趋势。心脏病或CHF导致发病率增加和生活质量下降，因此需要了解缺血性心脏的病因、发病机制、进展和愈合，以及梗死后重塑和心肌肥厚。动物模型对于更好地理解和洞察人类心脏病的遗传基础具有极其重要的意义。过去曾使用过各种动物模型；然而，目前，由于小鼠模型与人类的遗传同源性，研究人员更倾向于使用小鼠模型。在小鼠模型中，闭胸模型由于其优点而更为常用。使用的动物模型的选择取决于研究人员；应仔细制定，并确保所选模型符合研究目的。小鼠模型可以帮助研究人员了解纤维化和重塑过程中发生的细胞和分子事件；因此，可以开发各种治疗方法。靶向Treg细胞[171]用于细胞治疗；使用TGF-β阻滞剂；阻断转录因子和相关通路；阻断纤维化的调节因子；使用基因治疗、干细胞治疗和骨髓源性干细胞移植；或者移植外源性细胞，可以深入了解一些基于小鼠模型研究开发的治疗方法。

致谢

脚注

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