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2019年2月27日;9:2956.数字对象标识:10.1038/s41598-019-39581-9

主动脉环扎诱导慢性压力超负荷时心肌(反向)重塑双心室改变的特征

丹妮拉·米兰达·西尔瓦 1,#,巴蒂西亚·冈萨韦斯·罗德里格斯 1,#,若昂·阿尔梅达·科埃略 1,纳沙·哈姆达尼 2,塔尼亚利马 1,《康西圣歌》 1,Cláudia Sousa-蒙德斯 1,科劳迪亚·莫拉 1,Arantxa González公司 4,5,哈维尔·迪兹 4,5,沃尔夫冈A Linke ,阿德利诺·莱特·莫雷拉 1,因斯法尔科皮雷 1,
PMCID:PMC6393473 PMID:30814653

摘要

主动脉狭窄(AS)是西方世界最常见的瓣膜病。传统上,在心力衰竭(HF)症状出现后,建议立即进行主动脉瓣置换术(AVR)。然而,最近的证据表明,如果及早进行AVR治疗,AVR结果可以改善。AVR后,左心室(LV)反向重塑(RR)的过程是可变的,通常是不完整的。在这项研究中,我们的目的是检测LV RR过程中心脏结构、功能和分子变化在HF症状出现之前的潜在机制。对Wistar-Han大鼠进行7周的升主动脉舒张,然后进行2周的舒张,分别类似于AS诱导的左室重塑和AVR诱导的RR早期事件。结果分为3组:Sham(n = 10),带状(Ba,n = 15) 和辩论(Deb,n = 10). Ba组心脏肥大和舒张功能障碍(DD)明显。主动脉剥离引起RR,促进左心室功能恢复,而心脏结构没有正常化。通过超声心动图和心肌细胞水平评估的RV功能障碍的心脏参数在去甲后发生改变。去势后,这些改变伴随着与心肌肥厚、纤维化和LV炎症相关的通路的持续变化。主动脉环扎导致肺动脉壁厚度增加,与用力不耐受呈负相关,与E/E′和左心房面积呈正相关。我们描述了AVR后LV和RV重塑以及RR中的失调路径。重要的是,我们显示了主动脉缩窄的重要右心室端效应,突出了左心室反向重塑对两个心室的影响。

介绍

心室重塑包括心室因慢性压力过载而发生的结构和功能变化。主动脉狭窄(AS)是最常见的瓣膜病,狭窄的瓣膜会增加后负荷,并对左心室(LV)施加额外的血流动力学压力。LV过载激活了几种分子和细胞途径,通过形态和功能改变触发重塑1,2其中一个变化是心室肥厚,这被视为使增加的壁应力正常化的初始代偿机制。然而,随着时间的推移,左室肥厚变得失代偿并导致舒张功能障碍(DD),左室僵硬度增加,充盈和舒张模式异常,随后左心房扩大和肺充血4心肌适应不良重塑是心血管疾病进展/严重程度的主要病理标志之一,其预防或逆转是一种可取的策略。目前,主动脉瓣置换术(AVR)后手术缓解压力过载是AS最有效的治疗方法。AVR使心肌经历一个称为反向重塑(RR)的过程,这通常会导致心脏结构和功能的改善。然而,RR的过程往往是不完整的,其潜在机制尚待阐明,因为患者在RR期间表现出极为多变的心肌反应,从心脏功能和结构的部分恢复到完全恢复。

功能恢复不完全是预后不良的标志,与持续症状和死亡率增加有关5大多数AS患者的特征是舒张功能障碍,与活动性舒张受损有关。几项研究显示舒张功能改善6,7包括AVR后早期的主动放松8然而,AVR后10年,中度至重度DD患者的百分比增加9.

在AVR后结构恢复不完全的情况下,左室重量回归较大的AS患者与再住院率较低正相关10事实上,AVR后6个月的LV质量回归通常不超过31%,被认为是LV RR的有利标志11,12.

右心室衰竭是左心室辅助装置(LVAD)植入后的常见并发症13在AS中显示AVR后RV功能恶化14然而,在这种情况下,关于RV功能和结构的知识仍然很少,尤其是在模块化实验环境中。

目前,关于RR的大多数细胞和分子信息来自LVAD植入后接受RR患者的样本,在卸载心脏前后可以获得心肌样本。然而,这些“终末期”患者患有以心室扩张和射血分数降低(EF)为特征的晚期心力衰竭(HF),因此他们并不代表AS诱导的心肌重塑的典型表型。因此,我们旨在描述DD和保存EF存在下心肌重塑的分子途径,并强调心肌RR引起的早期双心室变化,重点关注心肌细胞的肌丝、钙处理、信号通路和细胞外基质。为了实现这些目标,我们选择了一种大鼠主动脉环扎模型,该模型广泛用于施加慢性压力过载,因此在增加后负荷期间模拟AS诱导的重塑,然后主动脉舒张以在过载缓解时触发RR15,16.

结果

左心室心脏结构和功能特征

带状动物的超声心动图显示心室同心性肥厚,这是基于较厚的左室壁和较低的左室尺寸(表1).作为对左室超负荷的反应,肥厚与左室收缩压和舒张压增加以及动脉弹性增强有关。舒张功能障碍表现为E/A显著降低,E/E′、LVEDP、Tau、EDPVR显著增加,左心房扩张。关于收缩功能,Ba动物表现出EF保持和收缩力增加(ESPVR,表1).

表1。

左心室形态和功能数据。

Sh(n=10) Ba(n=15) 债务(n = 10)
超声心动图评估
BSA(厘米2) 4.873 ± 0.035 4.947 ± 0.080 4.916 ± 0.080
AWd(厘米) 0.143 ± 0.006 0.202 ± 0.005αααα 0.168 ± 0.010χχ
LVd(厘米) 0.743 ± 0.013 0.696 ± 0.014α 0.769 ± 0.016χχ
PWd(厘米) 0.138 ± 0.007 0.206 ± 0.008αααα 0.166 ± 0.008αχχ
AWs(厘米) 0.220 ± 0.005 0.306 ± 0.008αααα 0.252 ± 0.012αχχ
LVs(厘米) 0.448 ± 0.025 0.383 ± 0.013α 0.467 ± 0.029χχ
PWs(厘米) 0.216 ± 0.005 0.307 ± 0.011αααα 0.263 ± 0.010ααχ
LV质量(g) 0.688 ± 0.035 1.070 ± 0.032αααα 0.908 ± 0.037ααχχ
EDVI(µL.cm−2) 187.119 ± 8.217 165.833 ± 8.434α 205.797 ± 13.445χχ
ESVI(µL.cm−2) 42.437 ± 4.727 29.874 ± 2.797α 50.469 ± 8.388χχ
电子/音频 1.547 ± 0.074 1.354 ± 0.041α 1.571 ± 0.107χ
E/E′ 13.456 ± 0.694 18.635 ± 0.995αα 14.667 ± 0.702χ
EF(%) 74 ± 4 78 ± 3 74 ± 3
LAA(厘米2) 0.314 ± 0.015 0.421 ± 0.021ααα 0.370 ± 0.011α
Ao.速度(m.s−1) 1.53 ± 0.19 4.14 ± 0.21αααα 2.3 ± 0.15αχχχχ
血液动力学数据
LVSP(毫米汞柱) 113.47 ± 3.39 187.64 ± 11.62αααα 123.7 ± 3.82χχχ
左心室射血分数(mmHg) 4.68 ± 1.13 10.63 ± 1.70αα 5.11 ± 0.79χχ
人力资源(bpm) 381 ± 15 399 ± 8 410 ± 12
EA(mmHg.µL−1) 0.70 ± 0.08 1.07 ± 0.14αααα 0.90 ± 0.12ααχχ
ESPVR(毫米汞柱.微升−1) 0.47 ± 0.16 1.16 ± 0.35αα 0.44 ± 0.09χ
EDPVR(毫米汞柱.微升−1) 0.014 ± 0.004 0.031 ± 0.008α 0.023 ± 0.05
Tau(毫秒) 7.57 ± 0.42 9.18 ± 0.55α 7.60 ± 0.34χ

体表面积;AWd(全轮驱动)舒张期前壁;LVd公司舒张期左心室腔;PWd公司,舒张期后壁;AW,收缩期前壁;路易威登收缩期左心室腔;PWs公司收缩期后壁;左心室质量,左心室重量;EDVI公司舒张末期容积指数;ESVI公司,收缩末期容积指数;人力资源,心率;E′二尖瓣外侧环组织多普勒波速;E类二尖瓣早期血流速度的脉冲多普勒波峰值;A二尖瓣晚期血流速度的脉冲多普勒波峰值;电气,E波和A波峰值之比;E/E′E波与E′波之比;TEI指数心肌性能指标;EF公司,射血分数;拉丁美洲协会左心房面积;Ao公司.速度,主动脉速度;LVSP(LVSP)左室收缩压;LVEDP公司左室舒张末压;人力资源,心率;ESPVR系统收缩末期压力-容积关系;EDPVR公司,舒张末期压力与容积的关系;陶(Tau),松弛常数。数值为平均值 ± SEM.单向方差分析,Ba/Deb与Sh: αp<0.05;ααp<0.01;αααp<0.001;德布vs巴:χp<0.05;χχp<0.01,χχχp<0.001。

与环扎大鼠相比,去环扎组的血流动力学参数(LVSP、LVEDP、ESPVR、EDPVR和Tau)总体上有所改善,肥厚部分消退,左室壁变薄,左室重量减少。其中一些变量没有完全正常化,与假手术组存在显著差异(表1).在脱脂大鼠中,EDPVR在环扎组和假手术组之间降至中间值。主动脉缩窄缓解后主动脉速度减弱,并与一些左室和右室收缩和舒张参数相关(图S2系列).

左心室心肌细胞肥大、被动张力和细胞外基质重塑

与假手术组相比,Ba组的心肌细胞面积增加,而Deb组心肌细胞面积减少(图1A、O).因此,我们观察到通过p-AKT/AKT、p-GSK3β/GSK3β的增加和p-mTOR/mTOR的增加趋势来评估促高营养途径的过度激活(图1B–D级).在Deb大鼠中,除了GSK3β进一步增加外,这些肥大通路的激活正常(图1B–D、P).

图1。

图1

压力超负荷对左心室肥厚、纤维化、LV被动张力和细胞外基质重塑的影响。 (A类)组织学评价心肌细胞面积;蛋白质印迹相对定量:(B类)磷酸化AKT与总AKT的比值; (C类)磷酸化mTOR与总mTOR的比值; (D类)磷酸化与总糖原合成酶激酶3β(GSK3β)的比值; (E类)心肌细胞被动张力; (F类)S26磷酸化与总Titin PEVK片段的比率; (G公司)pPKCα与总PKCα磷酸化的比率; (H(H))心肌纤维化; ()I型前胶原的mRNA表达; (J型)Ⅲ型前胶原mRNA表达; (K(K))赖氨酰氧化酶; (L(左))mRNA表达转化生长因子β, (M(M))白细胞介素-6; (N个)磷酸化与总信号转导子和转录激活子之比3; ()心肌细胞肥大和心肌纤维化的典型图像; (P(P))具有代表性的western blot lanes。出于代表性目的,对图像进行了裁剪和编辑; ()代表性膜蛋白负荷。n=7针对每组。数值为平均值 ± SEM,被动张力的双向方差分析,剩余数据的单向方差分析。Ba/Deb与Sh:αp<0.05;ααp<0.01;αααp<0.001;德布vs巴:χp<0.05;χχp<0.01。

与假手术组相比,Ba大鼠左室心肌细胞硬度增加,表现为被动张力与肌节长度(SL)的关系更陡峭(图1E级).这种僵硬伴随着PEVK片段的titin磷酸化和PKCα磷酸化的增加(图1层,G层).在Deb组,由于我们观察到被动张力降低(高SL),相应地PKCα和PEVK片段磷酸化降低,心肌细胞僵硬度部分逆转。

主动脉结扎引起的心肌纤维化在脱脂后没有减少(图1小时)尽管I型前胶原III型洛克斯表达式(图1I–K级).关于促炎和促纤维化途径IL-6-STAT3和Tgf-β我们观察到,与假手术组相比,环扎组动物的Tgf-β与IL-6和STAT3激活轻微、无显著性增加平行(图1升–N).有趣的是,超负荷缓解引发了IL-6和STAT3激活的显著上调,尽管在Tgf-β(图1升–N).

考虑到Deb组持续的左室心肌细胞肥大和左室纤维化,GSK3β、STAT3的过度激活以及较高水平的IL-6,我们旨在探讨Deb组心肌RR的多样性。因此,我们根据纤维化含量和左室重量回归(<30%左室重量减轻和>15%纤维化)将Deb动物分为两个亚组 = 债务1;左心室重量减轻>30%,纤维化<15% = 债务2)。有趣的是,我们发现,LV RR(Deb 1)模式较差的动物显示STAT3和GSK3β激活水平增加,IL-6、TGF-β、半乳糖凝集素和TIMP2过度表达(图第3章).

左心室心肌细胞力测量与舒张钙稳态

Ba组的心肌细胞表现出活性张力增加、钙敏感性(pC50)、肌丝协同性(nHill)和力再发育速率常数降低(Ktr,(图2A–D段)与假手术组相比。在Deb动物中,当nHill完全恢复时,主动张力和pCa50下降,但没有正常化,而Ktr保持下降(图2A–D型).关于与舒张钙稳态相关的蛋白质的表达,分带动物的SERCA2a和SERCA2a/PLB比值降低,NCX含量增加。相反,磷酸化CAMKii显著增加(图2E–H型).在Deb大鼠中,SERCA2a的表达正常化,但SERCA2a/PLB的表达没有正常化(图2E、F).此外,我们发现CAMKii活性较低,通过其磷酸化水平降低和S100a1型压力过载释放后(图2H,我).

图2。

图2

压力超负荷对LV心肌细胞和钙处理的影响。 (A类)心肌细胞主动张力; (B类)肌丝钙敏感性; (C类)希尔-系数; (D类)张力再发展率(Ktr);蛋白质定量:(E类)肌浆/内质网钙2+ATP酶2a(SERCA2a); (F类)SERCA2a与磷蛋白的比值; (G公司)钠钙交换器; (H(H))磷酸化钙与总钙的比值2+/钙调素依赖性蛋白激酶;钙结合蛋白A1(S100A1)mRNA表达; (J型)具有代表性的western blot lanes。出于代表性目的,对图像进行了裁剪和编辑; (K(K))代表性膜蛋白负荷。数值为平均值 ± SEM.单向方差分析:Ba/Deb vs Sh:αp<0.05;ααp<0.01;αααp<0.001;德布与巴:χp<0.05;χχp<0.01,χχχp<0.001。

RV结构和功能

在Ba大鼠中,右心房尺寸增加,而收缩功能的超声心动图标记物,如TAPSE和S′减少(表2).关于舒张,E′的速度和E/A比率下降(表2).在减轻后负荷后,其中一些变量没有完全正常化,与假手术组存在显著差异(表2).总的来说,这些数据证明主动脉缩窄引发了一定程度的右心室损害。

表2。

右心室形态和功能数据。

Sh(n=7) Ba(n=10) 债务(n = 8)
RAA(厘米2) 0.207 ± 0.006 0.246 ± 0.009αα 0.254 ± 0.009αα
胶带(cm) 0.306 ± 0.009 0.230 ± 0.013ααα 0.257 ± 0.008α
S′(毫秒) 0.065 ± 0.003 0.0499 ± 0.004αα 0.057 ± 0.003
E′(毫秒) 0.064 ± 0.007 0.044 ± 0.005α 0.041 ± 0.003α
E(毫秒) 0.37 ± 0.02 0.42 ± 0.04 0.39 ± 0.03
A(毫秒) 0.40 ± 0.02 0.63 ± 0.05αα 0.58 ± 0.06α
电子/音频 0.95 ± 0.05 0.58 ± 0.06αααα 0.68 ± 0.05αα
肺/BW(g.Kg−1) 4.300 ± 0.117 4.821 ± 0.168α 4.316 ± 0.101χ
VO(旁白)2最大值(ml.min−1.千克0.75) 33.3 ± 1.0 29.2 ± 0.7αα 31.3 ± 0.8

RV汽车,右心室;澳大利亚皇家空军,右心房面积;TAPSE(磁带)三尖瓣环平面收缩偏移;S′,收缩环速度峰值;E类,三尖瓣外侧环组织多普勒波速;E类早期三尖瓣血流速度的脉冲多普勒波峰值;A晚期三尖瓣血流速度的脉冲多普勒波峰值;不适用,E波和A波峰值之比;BW公司,体重;VO(旁白)2最大值最大耗氧量。数值为平均值 ± SEM.单向方差分析,Ba/Deb与Sh:αp<0.05;ααp<0.01;αααp<0.001;德布vs巴:χp<0.05;χχp<0.01,χχχp<0.001。

Ba动物的肺重量增加,表明肺充血。较低的VO证明了用力不耐受2压力过载大鼠的最大值,但在后负荷缓解后恢复正常。有趣的VO2max与重要的LV功能和结构参数负相关,如LV质量、LAA和E/E′(图S4系列).

在Deb大鼠中,VO2在分带组和假手术组之间,max、E和S′波降至中间值(表2).

右心肌细胞肥大与纤维化

在RV中,虽然慢性压力过负荷导致转录因子(FOXO1)和mTOR降低,但P38激活和AKT没有显著改变(图3A–D级)但后者被压力过载释放过度激活(图3B公司).而由环带诱导的GSK3β的抗肥大活性在去皮后略有减弱(图第三方)ERK磷酸化水平仍高于假手术组(图第三层).肌生长抑制素和muRF1在带中下调,但前者在去带中略有增加(图3G、H).

图3。

图3

压力超负荷对RV肥大和纤维化的影响。 (A类)Foxo转录因子1; (B类)磷酸化与总蛋白激酶B或AKT的比率; (C类)磷酸化与P38有丝分裂原活化蛋白激酶总量之比; (D类)磷酸化雷帕霉素与哺乳动物总靶点的比值(mTOR); (E类)磷酸化与总糖原合成酶激酶3β(GSK3β)的比值; (F类)磷酸化与总细胞外信号调节激酶(ERK)的比值; (G公司)肌生长抑制素; (H(H))肌肉特异性环指蛋白-1(MuRF1); ()代表性western-blotlanes(为了代表性目的,对图像进行裁剪和编辑)代表性膜蛋白负载。n=5针对每组。数值为平均值 ± SEM,单向方差分析。Ba/Deb与Sh:αp<0.05;ααp<0.01;αααp<0.001;德布vs巴:χp<0.05;χχχp<0.001。

环扎组显示RV心肌细胞面积增加和纤维化(图3I、J).与条带相比,这些值在剥皮过程中有所下降,但未正常化为假值。

右心室心肌细胞力测量与钙稳态

与假手术组相比,Ba大鼠表现出RV心肌细胞硬度增加(如被动张力与SL关系更陡峭所示),Ktr降低(图4A、E).

图4。

图4

压力过载对RV心肌细胞和钙处理的影响。 (A类)心肌细胞被动张力; (B类)心肌细胞活性张力; (C类)肌丝钙敏感性; (D类)希尔-系数; (E类)张力再发展率(Ktr);蛋白质定量:(F类)肌浆/内质网钙2+ATP酶2a(SERCA2a); (G公司)磷酸化的磷酸化λ(p-PLB)与总(PLB)的比率; (H(H))SERCA2a与磷蛋白的比值; ()钠钙交换器(NCX); ()嗜连接蛋白; (L(左))代表性western-blotlanes(为了代表性目的,对图像进行裁剪和编辑)代表性膜蛋白负载。n=5针对每组。数值为平均值 ± SEM,单向方差分析。Ba/Deb与Sh:αp<0.05;ααp<0.01;αααp<0.001;德布vs巴:χp<0.05;χχχp<0.001。

与假手术组(图4B类).

关于与钙稳态相关的蛋白质的表达,Ba动物表现出NCX和亲连接蛋白的含量降低(图4J、K).去束缚后,SERCA2a和亲连接蛋白水平增加(图4F、K)而NCX与假手术组相比仍然较低(图4B类).

肺动脉厚度

主动脉缩窄引起的肺动脉厚度在脱瓣后完全恢复正常。有趣的是,肺动脉厚度与运动能力呈负相关,与E/E′和指数LAA呈正相关(图5G、H、I).

图5。

图5

压力过载对肺动脉厚度的影响。 (A类C类)肺动脉厚度(D类)组织学肺部的代表性图像。动脉壁厚度与:(E类)最大耗氧量(VO2最大值); (F类)比率介于:(E类)二尖瓣早期血流速度脉冲多普勒波峰和E′,二尖瓣外侧环组织多普勒波速; (E类/e′)和(G公司)左心室指数面积(LAA印度).n=8针对每组。数值为平均值 ± SEM,单向方差分析Ba/Deb vs Sh:αp<0.05;ααp<0.01;αααp<0.001;德布vs巴:χp<0.05;χχχp<0.001。

讨论

需要阐明与不完全心肌RR相关的潜在机制,以成功地加强AVR后的心肌恢复,特别强调RV受累。环扎大鼠与AS患者相似,表现为左室向心肥厚、DD(心室充盈和心肌舒张模式的改变)、肺充血和用力不耐受。除左室改变外,主动脉缩窄还导致了一些右室异常。

超负荷缓解两周后,主动脉速度降低触发反向重塑和心功能改善(左心更明显)。在左心室,压力超负荷缓解后,心肌肥厚、纤维化和心房面积增大仍在改变。除了持续的LV纤维化外,titin PEVK磷酸化的不完全逆转也导致了去势大鼠持续的心肌僵硬。RR期间放松的改善可能与CAMKii活性降低、Serca2a和S100a1型可能通过ryanodine受体(RyR)抑制钙泄漏并通过肌浆网(SR)改善钙再摄取的表达。重要的是,该模型显示了显著的RV异常。其中一些异常在RR期间不会恢复,例如肥大、纤维化、右心房增大以及心脏功能障碍的收缩和舒张标志物。在细胞水平上,与LV相似,环扎大鼠的RV心肌细胞硬度更高,力再发展速度(Ktr)降低。这份手稿提供了对慢性压力过载导致的左心室和右心室变化的新见解,并强调了两个心室在左心室慢性压力过载条件下的参与,例如主动脉狭窄。

收缩功能正常的AS患者常出现舒张功能障碍。在保留EF的严重AS患者中,有症状的患者表现为舒张功能受损和心房扩张17因此,我们旨在检测早期变化,这些变化可能代表治疗干预的重要时间点,以扭转疾病的进展。传统上,AVR仅在HF症状出现且平均梯度高于40时才被推荐使用毫米汞柱18然而,最近的证据表明,一旦舒张功能开始下降,如果尽早进行AVR治疗,结果可以得到改善19,20因此,在我们的主动脉舒张模型中(图6)在超声心动图水平上,我们监测并研究了LV DD和LV向心性肥厚明显时的心肌重塑(图S1(第一阶段)).压力过负荷导致左室肥厚的机制包括AKT、mTOR和GSK3β磷酸化增加21在我们的研究中,AKT促高营养信号的激活预测了左心室的适应性反应,旨在使室壁应力正常化并补偿增加的后负荷。心肌僵硬和舒张功能受损是DD的特征,通常是由压力过载引起的LV向心性肥厚引起的17,22心肌僵硬度强烈取决于细胞外基质的变化,如心肌纤维化,以及心肌细胞肌丝蛋白的变化,主要是心肌细胞被动张力的主要促成因素之一,即肌动蛋白的变化。在Ba大鼠中,胶原蛋白沉积增加,负责胶原蛋白交联的主要酶(即LOX)过度表达,Titin S26-PEVK片段过度磷酸化,分别通过增加心肌纤维化、胶原蛋白交联和心肌细胞被动张力,导致左室心肌僵硬度增加。Ba大鼠左室延迟舒张可归因于SERCA2a/PLB减少,阻碍Ca2+重新接受SR。

图6。

图6

实验协议设计。

在Ba大鼠肥厚和高收缩心肌中,活性张力、钙敏感性和协同性增加,而Ktr降低。心肌收缩过度与肌丝蛋白的变化同时发生,肌丝蛋白在给定钙浓度下增加了作用力的产生2325此外,有人推测肌丝蛋白的改变对家族性肥厚性心肌病的发展很重要26.

重要的是,与之前的研究一致27当右心室超载时,它会出现一些异常,如肥大和收缩及舒张功能恶化。最近在接受AVR的患者中也获得了类似的结果,并且没有观察到RV功能的显著变化28钙超载和心室舒张功能受损会促进肺充血29在我们的环带动物中观察到,动脉壁厚度与舒张功能障碍的一些重要参数,即E/E′和LAA之间的正相关数据得到了加强。因此,肺血管重塑可能是肺静脉压持续升高的结果30从流行病学的观点来看,AS患者经常出现肺动脉高压,其根本原因可能是DD31有趣的是,在我们的捆绑大鼠中,肺动脉壁厚度与VO呈负相关2最大值与DD正相关,显示了这些参数之间的相互作用。在AS临床场景中,肺动脉高压和DD可通过限制患者的功能能力(主要是在运动期间)影响这些患者的生活质量32,33.

主动脉收缩导致RV心肌细胞肥大,抗肥厚蛋白如muRF1、myostatin和GSK3β下调或失活,促肥厚ERK激活。尽管这些蛋白无疑参与了后负荷的肥厚反应,Ba大鼠RV中公认的促增生因子mTOR的激活降低,AKT不变,转录因子1(FOXO1)降低。因此,RV心肌细胞肥大可能由GSK3β、ERK、muRF1、肌抑制素和FOXO1的激活介导。

除环扎组的RV肌纤维被动张力外,心肌纤维化进一步导致RV僵硬。与LV相似,RV心肌细胞表现出张力发展速度降低,而活性张力无明显变化。

尽管慢性压力超负荷导致心肌重塑改变,但我们的主要目标是描述RR期间的变化。这是非常相关的,因为只有少数研究描述了主动脉瓣下垂在疾病早期引起的变化15,16,3436大多数关于RR的可用信息来自LVAD研究。然而,LVAD诱导的RR作用于一种完全不同的表型,其特征是扩张性肥厚和收缩功能障碍3746这与我们的动物模型中的同心性肥大和DD专利形成了显著对比,该动物模型旨在模拟AVR诱导的RR并评估心肌RR的早期事件。

临床上,评价RR成功率的经典参数是EF、左室舒张末期和收缩末期容积、左室重量以及最近的舒张功能47降压后,左室重量部分恢复,左室容积正常化,左室舒张功能障碍改善,心肌重塑。尽管如此,在心肌RR期间,LV压力超负荷导致的RV异常仍占主导地位,与肺水肿减轻无关。这些数据表明,主动脉压力缓解后,右心室的恢复时间比左心室的恢复时间更长。最近的研究表明主动脉瓣置换术后右心室功能恶化14现有文献中未提及或讨论手术后RV功能障碍的机制。在此,我们能够描述心肌细胞、肌丝和钙水平的主要变化,为最新技术添加了相关信息。

我们预计,由于我们干预的早期性质,Deb动物将通过减少AKT促高营养信号通路,即GSK3β和mTOR的磷酸化,使肥大正常化。然而,尽管AKT和mTOR活性降低,但与Sham大鼠相比,Deb大鼠的LV质量和GSK3β磷酸化仍然增加。由于GSK3β的抗肥厚作用可以被AKT或CAMKii以外的激酶阻断48,49,我们推测这些激酶(我们的研究中未评估)可能对超负荷缓解后GSK3β的持续激活有贡献。

在RR期间,RV心肌细胞肥大和纤维化程度仍然很高。肌抑制素、GSK3β或FOXO1等抗肥大蛋白活性的下调或降低可能是持续肥大的基础。然而,与假手术组相比,mTOR激活仍然减少,AKT和ERK增加,突显了促肥厚和抗肥厚途径之间的复杂相互作用。

除了左室肥厚外,心肌僵硬度也是决定AVR后RR结局的重要术后临床指标,因为它与DD密切相关50值得注意的是,AVR后,重度纤维化患者的存活率较低47心肌纤维化是由于其周转不平衡导致胶原蛋白过度沉积,以及胶原蛋白交联增加所致51,52虽然在我们的研究中,所有心室的胶原沉积在超负荷缓解后都没有改变,但我们认识到,可能需要更长的时间才能报告心肌纤维化的显著降低。另一方面,纤维化和炎症之间的相互作用可以调节细胞外基质重塑。事实上,IL-6诱导的STAT3活化可以通过增强TGF-β信号通路,至少间接地促进纤维化27或TIMP-1表达53因此,IL6-STAT3促炎和促纤维化途径的激活可能有助于维持Deb大鼠的心肌纤维化。尽管如此,表现出更糟糕反向重塑模式的大鼠,其炎症前和纤维化前通路(如IL-6-STAT3、TGF-β等)的激活增加。

除了细胞外基质的作用外,肌动蛋白和其他肌丝蛋白也会影响心肌硬度。事实上,在AVR诱导LV RR的背景下,关于TIN变化的信息相对较少54在去束缚组的LV中,我们观察到被动张力无明显减弱,这至少部分是S26-PEVK片段磷酸化的结果,PEVK持续时间缩短,基于titin的被动力增加55有趣的是,与Sh大鼠相比,PKCα正常化,CAMKii仍上调。PKCα和CAMKii对TIN被动张力的影响相反,前者增加,后者降低刚度5558因此,我们认为这两种激酶的平衡可能有助于Deb组中基于titin的被动张力。事实上,titin衍生的硬度是由组成PEVK和其他titin片段的2000多个残基中的激酶活性之间的精细平衡造成的,这些残基的许多潜在磷酸化位点仍有待验证55,56,58,59.

关于RR期间的肌丝变化,我们已经表明钙敏感性降低,心肌收缩性降低,肌丝活性张力和协同性减弱。同时,Ktr持续下降,这意味着十字桥的回收率仍在下降,可能是由于β-肌球蛋白重链的转移,这损害了跨桥自行车运动12的确,比约恩斯塔德证明了小鼠主动脉舒张后β-肌球蛋白重链的上调持续存在16在我们的研究中,Ktr的降低是否对LV重塑有害或有益,或者LV RR的降低尚不清楚。然而,这一发现的转化/临床重要性是相对的,因为人类主要在心室肌细胞中表达β-肌球蛋白重链亚型,而在啮齿动物中主要表达α-肌球蛋白质重链亚型态60.

最后,AS中DD的另一个重要因素是与钙处理相关的心肌活动性舒张。两周的RR刺激心肌舒张恢复到假值,可能是CaMKii磷酸化减少或钙结合蛋白S100A1上调的结果。这些变化可以防止舒张期SR钙释放和钙泄漏24,29从而有助于改善RR期间观察到的松弛。

限制

本研究旨在综述心肌反向重塑过程中发生的主要双心室变化。因此,本研究是描述与心肌细胞肌丝、钙处理、肥厚和炎症信号通路以及as早期细胞外基质相关的重要信号通路的初步方法。因此,其本质是描述性的,为科学和医学界开展未来研究开辟了新的视角,例如,关注在体外调节肌丝蛋白功能或靶向右心室改变。

结论

T型他的工作描述了心脏重塑和RR的几个机制,并强调该模型很好地再现了慢性压力过载及其缓解的重要表型特征(心肌肥厚和细胞外基质重塑、钙处理和肌丝变化)。这些大鼠表现出左心室同心性肥大和DD,右心室功能障碍,肺动脉重塑,重要的是运动不耐受。去势后,心功能正常化与心脏结构、心肌纤维化和炎症改变的逆转不平行。重要的是,尽管肺血管重塑得到了完全逆转,但降脂后RV功能和结构的带状诱导变化仍持续存在,这表明RV功能障碍可能具有掩盖作用。

方法

实验动物模型

升主动脉结扎和辩论

年轻雄性Wistar大鼠(±50g) 通过吸入8%七氟醚、气管插管和机械通气(TOPO小型动物呼吸机,Kent Scientific Inc)进行麻醉。七氟醚维持麻醉(2.5-3%)。将动物置于右侧卧位上的加热垫上。在2之间的一个小切口后和3第个肋间主动脉束带是用一根平行于主动脉放置的22号钝针通过手术进行的。将结扎带(5–0;聚丙烯)牢固地系在两者周围,然后取下针(绑扎组,Ba,n = 15). 假手术组缝合线保持松弛(Sh,n = 10). 关闭胸腔,让动物通过适当的镇痛恢复(丁丙诺啡,0.05毫克千克−1,每天两次)。超声心动图监测心脏功能和结构。当左心室质量≥25%时,观察到DD(8-9周)(图6),对10只Ba动物进行第二次手术,去除缝合线,脱皮组(Deb,n = 10). 2周后处死动物。实验根据NIH出版的《实验动物护理和使用指南》(NIH出版物编号85-23,2011年修订)和葡萄牙动物福利法(DL 129/92,DL 197/96;P 1131/97)进行。该项目由波尔图大学医学院伦理委员会和葡萄牙科学技术基金会批准,并由葡萄牙国家动物卫生局认证(PTDC/DTP-FTO/0130/2012;0421/000/000/2013)。

运动耐量、超声心动图和血流动力学评估

在连接气体分析仪(LE8700C和LE405,Panlab-Harvard仪器)的跑步机室上评估有氧能力®).跑步机倾斜10°。自适应速度为15厘米秒−1用于3分钟。最大压力测试以30的速度开始厘米/秒−1,增量为5厘米秒−1每分钟,直到动物达到最大有氧能力(VO2最大值)。

用于评估体内心脏功能,大鼠按上述方法麻醉。A线性15超声心动图研究使用MHz探头(红杉15L8W)。M模式用于测定收缩和舒张壁厚度和腔尺寸。如前所述,计算射血分数、缩短分数和左心室质量61.

用脉冲多普勒获得二尖瓣血流速度轨迹,用组织多普勒测量收缩期组织峰值速度和E′。在四腔切面上测量心房尺寸和TAPSE。采集采用超声心动图仪(西门子Acuson Sequoia C512)。记录是连续三次心跳的平均值。

为了进行血流动力学评估,对股静脉进行插管以进行液体管理,左外侧开胸手术暴露心脏,以便将导管插入LV(SPR)-847. 1.4 F、 米勒仪器。在结束呼吸暂停的情况下,获得基线和下腔静脉阻塞记录。在1000时连续采集数据(MPVS 300,Millar Instruments)Hz(ML880 PowerLab 16/30,Millar Instruments),并通过PVAN软件(Millar仪器)进行离线分析。在高渗盐水丸后计算平行电导。最后,在麻醉期间,动物被抽血处死,组织被收集、称重并妥善保存,以进行分子和功能研究。

组织学

右心室(RV)、左心室和肺在福尔马林中固定,在乙醇中脱水,在二甲苯中清除并在石蜡中浸渍。对5微米载玻片进行脱蜡、复水和染色

血红素-伊红素(HE),用于评估心肌细胞面积,或Picrosius Red,以评估心肌纤维化,最后使用Entellan®进行安装。使用光学显微镜(Leitz Wetzlar–Dialux 20,Wetzllar,德国),配备摄影相机(Olympus XC30,日本东京),对组织学制剂进行可视化和拍照。使用Cell^B软件(Olympus)测量每只动物60个心肌细胞的面积。为了计算纤维化的面积,使用Image-Pro Pus 6软件(美国Rockville的媒体控制论)对每只动物的八个区域进行拍照和分析。为了评估肺动脉重塑,使用HE染色,动脉内壁厚度(WT)表达如下:%WT = [(中壁厚度 × 2)/动脉外径] × 100. 分析是在盲模式下进行的。我们为每个样本分配了一个代码,并在分析结果后与实验组进行了对应。

离体心肌细胞的力测量

2.5除霜后mL无钙松弛溶液LV样品被机械破坏,心肌细胞悬浮液与0.5%Triton X-100孵育5在室温下保持分钟,使膜渗透。为了去除清洁剂,用松弛溶液清洗细胞并离心(1500 rpm,1最小值,4°C)4-5倍。如前所述进行力测量24使用Aurora Scientific Inc.的力传感器(403A型)和长度控制器(315C-I型)。简单地说,被动张力-长度关系是将细胞拉伸到SL为2.2微米。pCa 4.5下的最大活化度用于计算钙激活的最大等长力(总张力,Tt)和松弛试验(细胞缩短为1ms至其原始长度的80%),以测量力再发展率(Ktr)。使用松弛溶液pCa 9.0测定被动张力(Tp)。最后,细胞被激活(pCa = 4.5) 以获得心肌细胞功能的稳定性和完整性。最后,测量细胞的尺寸,并将力值归一化为心肌细胞横截面积。数据采集由ASI 600完成采样频率为2 KHz的程序。

蛋白质分析(Western Blot)

组织在RIPA缓冲液(150 mM NaCl,1.0%IGEPAL)中均质®CA-630,0.5%脱氧胆酸钠,0.1%十二烷基硫酸钠,50mM Tris,pH 8.0;Sigma-Aldrich,R0278)和蛋白质浓度是根据Bradford的方法测定的(Bio-Read蛋白质测定,500-0006)。用Laemmli缓冲液(1 M Tris-HCl pH 6.8,10%SDS,20%甘油,0.004%溴酚蓝,20%2-巯基乙醇)制备20微克(20μg)每个样品的蛋白质,并用SDS-PAGE(Mini-PROTEAN Tetra Cell,Bio-Rad)随机加载和分离。转移到硝化纤维素膜(Bio-Rad 1620115和1620112)并用5%BSA(w/v;A2058,Sigma-Aldrich)在TBS-0.5%吐温(Tris-buffered saline-Tween 20)中封闭后,切割膜并与一级抗体孵育过夜,温度为4℃摄氏度。NCX(Santa Cruz,sc-32881)、AKT(Cell Signaling,9272)、p-AKT(Cell Signaling,9271)、亲连接蛋白-2,p-GSK3β(细胞信号传导,9331)、PKC(Abcam,ab32376)和p-PKC(Abcam ab23513);IL-6(细胞信号传导,12153)Stat3(细胞信号传递,9132)p-Stat3(单元格信号传导,9131)SERCA2a(单元格信号传递,4388);PLB(Thermo-Fisher,MA3–922)、p-PLB(cell signaling,8496)、Camkii(SantaCruz,SC-5306)和p-Camkii。最后,在室温下用二级抗体(IRDye 800CW和IRDyde 680LT,LI-COR)培养细胞膜一小时。该信号由图像采集系统(奥德赛红外成像系统LI-COR Biosciences,700或800)检测到nm)和信号饱和前采集的图像。如前所述,将信号归一化为总蛋白密度(胭脂红S(Sigma-Aldrich P7170)62.

对于TIN分析,心肌组织在改良的莱姆利缓冲液63用1.8%的琼脂糖凝胶通过垂直SDS-琼脂糖电泳分离蛋白质(15每凝胶15 mAh) (Minigel-Twin,Biometra)。为了测定titin亚型,凝胶被考马斯亮蓝染色。对于titin Western blotting(WB),LV样品在1.8%琼脂糖凝胶上运行,并通过使用Biorad turbo blot系统(1.5 A,2520分钟V)。用Ponceau S溶液(Sigma-Aldrich P7170)对印迹进行染色,以显示总转移蛋白。然后用兔抗titin的pS26(GenScript,1:1000)和pS170(GenScript,1:250)的多克隆抗体对这些印迹进行检测。使用LAS-4000图像阅读器(富士科学成像系统公司,康涅狄格州斯坦福德)对色带进行可视化。使用Multi-Gauge 3.2版软件(富士科学成像系统)进行密度测定。

实时定量聚合酶链反应(RT-qPCR)

对于基因表达分析,使用TriPure(Roche)提取RNA。在StepOne Plus,Applied Biosystems中使用总RNA进行RT-PCR,然后使用SYBR Green方法进行实时PCR分析。对于动物研究,结果与SHAM组(设置为任意单位)获得的平均值相关,并对18秒.所研究基因的特异PCR引物对为18秒,前胶原-Ⅰ型α1III型aplha1,赖氨酰氧化酶(洛克斯),转化生长因子β(Tgf-β)和钙结合蛋白A1(S100a1型).

统计分析

结果表示为平均值 ± SEM。使用GraphPad Prism软件进行统计分析。Shapiro-Wilk用于评估参数分布。通过单因素或双因素方差分析进行比较,并使用适当的事后检验。概率值 < 0.05 被认为是重要的。

补充信息

补充SREP-18-36653A(4.2MB,docx)

致谢

根据葡萄牙2020年合作协议,本项目由欧洲区域发展基金会(FEDER)通过2020年竞争——国际竞争力计划(POCI)支持,项目DOCNET(norte-01-0145-FEDER-000003)由葡萄牙北部区域运营计划(norte 2020)支持,通过欧洲区域发展基金(ERDF),NETDIAMOND项目(POCI-01-0145-FEDER-016385),得到欧洲结构和投资基金、里斯本2020年区域运营计划的支持。Daniela Miranda-Silva和Patrícia Rodrigues由Ciéncia e Tecnologia基金会(FCT)通过研究金赠款(分别为SFRH/BD/87556/2012和SFRH/BD/96026/2013)资助,Glória Conceiço由FSE——欧洲社会基金会通过区域业务计划(Norte 2020)资助。

作者贡献

D.M.S.、P.G.R.和I.F.P.进行了研究设计、规划研究、动物手术和功能表征实验、分析数据并撰写手稿。J.A.C.进行了心肌细胞力测量,分析了数据并批准了手稿。T.L.、G.C.、C.S.M.和J.D.进行了分子和组织学实验,分析了数据并修改了手稿。C.M.进行功能性右心室超声心动图检查并分析数据。N.H.、W.L.、A.G.和A.L.M.为研究设计做出了贡献,为实验提供了建议和协助,并修订了手稿。

竞争性利益

作者声明没有相互竞争的利益。

脚注

出版商备注:Springer Nature在公布的地图和机构关联中的管辖权主张方面保持中立。

丹妮拉·米兰达·西尔瓦(Daniela Miranda-Silva)和帕蒂西亚·冈萨韦斯·罗德里格斯(Patrícia Gonçalves-Rodrigues)的贡献相等。

电子辅助材料

补充信息本文随附于10.1038/s41598-019-39581-9。

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