肺动脉高压动物模型及其在药物研究中的应用进展.pdf
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1、DOI:10.12300/j.issn.1674-5817.2023.048实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineAug.2023,43(4)庄乐南,研究员,博士生导师。2011年博士毕业于中国科学院上海生物化学和细胞生物学研究所,2013年赴美国国立卫生研究院(NIH)糖尿病消化与肾病研究所(NIDDK)从事表观遗传与代谢疾病相关研究,2018年赴美国德州大学西南医学中心(UTSW)从事表观遗传与肌肉和心脏疾病相关研究。目前担任浙江大学动物科学学院动物医学系副主任,Life、Medicine、Journal of Veteri
2、nary and Marine Research等多种学术期刊的编委或学术编辑,中国畜牧兽医学会生理生化学分会及动物遗传育种学分会理事。主要利用基因编辑猪模型研究心血管代谢与疾病的表观遗传学与转录调控机制。主持国家自然科学基金项目2项,国家重点研发计划课题1项,浙江大学校长专项前沿基础研究计划1项。在Nature、Circulation、Nature Communications、Biomaterials、JCI、PNAS等国际高水平期刊上发表学术论文30余篇。肺动脉高压动物模型及其在药物研究中的应用进展俞佳慧1,巩 倩1,庄乐南1,2,3(1.浙江大学动物科学学院动物医学系,杭州 31005
3、8;2.浙江大学医学院附属邵逸夫医院心内科,浙江省心血管介入与再生修复研究重点实验室,杭州 310016;3.浙江大学动物科学学院动物遗传育种与繁殖研究所,杭州 310058)摘要 肺动脉高压是一种由肺血管重构引起血管阻力增大的临床综合征,若不治疗将导致右心衰竭,甚至死亡。目前关于肺动脉高压的病理机制尚未明确,且临床治疗方法未能有效改善预后或降低死亡率。为了深入研究肺动脉高压的发病机制并开发更加安全有效的药物,建立合适的疾病动物模型在临床前研究中必不可少。本文概述了肺动脉高压的病理特征,并总结了各类肺动脉高压动物模型,同时阐述了近5年内肺动脉高压动物模型在3种治疗途径及相关药物研究中的应用进展
4、,以期为肺动脉高压动物模型的选择和研究应用提供参考。关键词 肺动脉高压;动物模型;药物评估中图分类号 R-332;Q95-33 文献标志码 A 文章编号 1674-5817(2023)04-0381-17Animal Models of Pulmonary Arterial Hypertension and Their Application in Drug ResearchYU Jiahui1,GONG Qian1,ZHUANG Lenan1,2,3(1.Department of Veterinary Medicine,College of Animal Science,Zhejiang
5、University,Hangzhou 310058,China;2.Department of Cardiology,Sir Run Run Shaw Hospital,Zhejiang University School of Medicine,Key Laboratory of Cardiovascular Intervention and Regeneration Medicine of Zhejiang Province,Hangzhou 310016,China;3.Institute of Animal Genetics,Breeding and Reproduction,Col
6、lege of Animal Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)Correspondence to:ZHUANG Lenan(ORCID:0000-0001-9561-8396),E-mail:ABSTRACT Pulmonary arterial hypertension is a clinical syndrome characterized by pulmonary vascular remodeling causing increased vascular resistance,which will lead to ri
7、ght heart failure and even death if left untreated.The pathogenesis of pulmonary arterial hypertension has not yet been clarified,and clinical treatments have not been effective in improving prognosis or reducing mortality.To investigate the pathogenesis of pulmonary arterial hypertension and to dev
8、elop and evaluate more effective and safer drug treatments,establishing related animal disease models is very important.This paper outlines the pathological characteristics of pulmonary arterial hypertension and summarizes the various types of 人类疾病动物模型 Animal Models of Human Diseases基金项目 国家重点研发计划发育编
9、程及其代谢调节重点专项“重大人类发育性疾病猪模型的建立及发病机理研究”(2021YFA0805902);国家自然科学基金项目“Txlnb通过调控Parkin促进心肌细胞线粒体自噬与稳态维持的机制研究”(32270884)第一作者 俞佳慧(2001),女,本科生,专业方向:动物医学专业。E-mail:通信作者 庄乐南(1983),男,博士,研究员,研究方向:心血管疾病。E-mail:。ORCID:0000-0001-9561-8396381实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineAug.2023,43(4)animal models
10、 of pulmonary arterial hypertension,as well as describes the progress of the application of these models in three therapeutic pathways and related drug research in the past five years,with a view to providing a reference for the selection of animal models of pulmonary arterial hypertension and resea
11、rch applications.Key words Pulmonary arterial hypertension;Animal models;Drug evaluation肺 动 脉 高 压(pulmonary arterial hypertension,PAH)是一种以肺血管过度收缩和重构为特征的临床综 合 征1。由 肺 动 脉 内 皮 细 胞(pulmonary artery endothelial cells,PAECs)、肺 动 脉 平 滑 肌 细 胞(pulmonary artery smooth muscle cells,PASMCs)和成纤维细胞增生以及炎性细胞过度浸润等因素
12、引起的肺血管重构2,将导致肺血管阻力和肺动脉压力异常升高;如不及时治疗,右心室后负荷持续增加会引发右心衰竭而致死1。PAH 是一种特别严重的渐进性疾病,其 动 脉 病 变 的 程 度 使 PAH 区 别 于 肺 高 压(pulmonary hypertension,PH)3。近年来,探寻PAH的病理机制和治疗靶点一直是该研究领域的热点。研究指出,PAH的分子机制涉及血管活性物质失衡、细胞增殖与血管重构、内皮修复与血管生成、炎性反应、血栓形成等多个方面1。在高通量测序技术的迅速发展下,许多与PAH相关的致病基因,如骨形态发生蛋白受体2(bone morphogenetic protein rec
13、eptor,BMPR2)、激活素受体型样蛋白 1(activin receptor type-like 1,ACVRL1,也称为ALK1)、内皮糖 蛋 白(endoglin,ENG)、母 亲 抗 十 肽 同 系 物 9(mothers against decapentaplegic homolog 9,SMAD9)、钾亚家族 K 成员 3(potassium subfamily K member 3,KCNK3)等得以被发现4,但引发PAH的机制仍未能被完全揭示。尽管药物治疗在一定程度上改善了患者的症状并减缓了疾病的恶化,但PAH仍然无法从根本上被治愈2,5,8-9。目前针对PAH的药物治疗主
14、要是联合应用靶向治疗血管内皮紊乱的特异性药物5-7,但尚无法逆转血管重构2。因此,深入了解PAH的病理改变和发病机制对开发和优化治疗策略具有指导性意义。在研究PAH病理机制、发现新型治疗靶点的过程中,PAH疾病动物模型发挥着重要作用2,但值得注意的是,尚没有一种模型能够充分模拟临床重度PAH的病理特征1,3,10。因此,开发更加理想的PAH疾病动物模型将会是推进PAH病理学研究和治疗评估的关键。本文旨在通过总结并比较多种PAH动物模型的特点及其在药物研究方面中发挥的作用,为PAH疾病动物模型的构建及其在药物评估中的应用提供参考与指导。1PAH的病理特征PAH是一种毛细血管前型PH,其特征是肺毛
15、细血管前动脉阻力增加导致肺动脉压升高2,7。PAH的病理学特征包括肺小动脉的内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞过度增殖,血管重构,炎性细胞浸润等6,进一步引起丛状病变、内膜增生以及血管肌化11,这些严重的特异性血管病变主要出现在重度PAH 患者中。肺小动脉内的细胞异常增殖会引发血管重构,加之炎性细胞浸润,使得肺毛细血管近端肺动脉发生闭塞,综合血管收缩、原位血栓形成等因素3,引起肺血管阻力和肺动脉压力增加,从而极大地增加了右心室后负荷,导致右心室代偿性肥大和右心衰竭4。虽然PAH的病理学机制非常复杂,涉及多种方面,如内皮功能紊乱、平滑肌细胞增生、血管炎症、免疫失调等,但最终都会引起血管的过度收缩以
16、及肺血管细胞表型向抗凋亡、促增殖的方向改变5。内皮损伤是肺血管炎和阻塞性肺血管重构的初始触发因素,组织学研究显示病变的肺血管存在内膜增生、中膜肥大、外膜增厚以及 PAECs 凋亡增加、PASMCs增殖和抵抗凋亡等特征10。在PAH中,肺血管内皮功能紊乱不仅代表着血管舒张功能受损,从而引发血管过度收缩,同时也代表着血管生成和修复机制受损,后者在血管重构中起着关键作用2,但其原因和潜在机制仍未完全清楚。Humbert等2指出,深入了解肺内皮细胞通信的转变将有利于更好地理解PAH的发病机制。在肺血管内皮细胞通讯中,内皮素(endothelin,ET)、一氧化氮(nitric oxide,NO)、前列
17、环素(prostacyclin,PGI)相关的信号通路具有调节血管收缩舒张的功能,因此血管扩张剂成为近几十年来用于治疗PAH的主要药物,用以恢复失调的内皮信号通路,调节过度收缩的血管,从而减缓PAH 的恶化382实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineAug.2023,43(4)速度。2PAH动物模型2.1单因素病理损伤动物模型2.1.1野百合碱诱导的PAH动物模型野百合碱(monocrotaline,MCT)是来源于植物大托叶猪屎豆(Crotalaria spectabilis)的生物碱,以能够引起肝毒性和PAH闻名 10。在肝
18、脏中,MCT经细胞色素 P450 酶代谢后形成野百合碱吡咯(monocrotaline pyrrole,MCTP),引发肺血管内皮损伤 10,但目前关于MCT/MCTP 如何引起肺血管内皮损伤的机制尚不明确9。近期Xiao等12证明了MCT能够聚集并激活肺动脉内皮细胞的钙敏感受体(calcium-sensing receptor,CaSR),这可能是MCT引起内皮损伤的重要机制。由于MCT引起的反应在不同的物种、品种品系以及细胞色素P450酶中存在差异3,目前构建MCT诱导PAH的动物主要是Sprague Dawley(SD)大鼠,构建方法通常是采用单次皮下注射或腹腔注射MCT(6080 mg
19、/kg)10。MCT诱导的PAH动物模型具有可重复性强、成本低、无需复杂操作的优点,能够较好地帮助人们理解肺血管重构的过程和病理生理学变化10。目前该模型已广泛应用于研究突变基因在PAH中的影响、肺血管细胞(包括PAECs和PASMCs)增殖与凋亡机制的调控以及基因治疗与细胞治疗等10。Maarman等10指出在MCT诱导的动物模型中,TGF-SMAD和BMPR2信号通路引起的损伤特点与人类PAH一致。在研究葛根素-V对PAH的疗效时,Chen等13利用SD大鼠构建的MCT诱导型PAH动物模型表现出BMPR2/SMAD信号下调的特征,证实了文献10的观点。Su等14则在该动物模型的肺组织中观察
20、到长链非编码 RNA(long non-coding RNA,lncRNA)H19高表达,并指出敲除lncRNA H19基因能够通过减缓PASMCs增殖速度,对 PAH 模型中的肺血管细胞起到保护作用。近期Omura等15则利用SD大鼠构建MCT诱导的PAH动物模型来模拟右心室衰竭的发展过程,发现lncRNA H19可作为阻止适应性右心室血管重构发展的治疗靶点。炎性反应作为一种介导 PAH 血管重构的触发因素,在PAH患者和实验性PAH动物模型中发挥了关键作用,此外,由病毒感染和血吸虫感染引发的PAH均与炎性反应相关1。Schermuly等1指出炎症细胞因子与趋化因子在PAH 发生发展中具有重
21、要作用:在PAH患者体内检测到细胞因子循环水平增加,其中白细胞介素(interleukin,IL)-6 水平的升高会抑制BMPR2表达,增加PAH的易感性;趋化因子则会在患者肺部募集炎症细胞,这些细胞可能会持续释放炎症介质和生长因子,促使血管重构的形成,但目前研究尚未阐明炎症是如何诱发PAH的。在MCT诱导的PAH动物模型中,发现巨噬细胞、树突细胞、肥大细胞与IL-6、IL-1 等在肺血管重构早期均起到了重要作用10,提示该模型可以用于探究炎性反应在PAH中的关键作用和致病机制,是炎症介导的良好PAH 模型16。另外值得关注的是,Yamazato等17利用自体骨髓干细胞经气管内注射改善了MCT
22、诱导的SD大鼠模型的肺血管重构和肺部炎症,指出干细胞治疗或可以通过恢复或替代损伤的肺血管细胞来达到治疗PAH的目的10,该研究为开展PAH相关的细胞治疗提供了新策略。MCT诱导的PAH动物模型被认为是一种急性毒性模型,除了MCT及其代谢产物的肺毒性18外,该模型的PAH表型通过实验干预或者药物治疗几乎可以被逆转,这一点与人类PAH病理特征并不符合3,因此在药物评价中使用 MCT 诱导的大鼠模型有一定局限性。2.1.2慢性低氧诱导的PAH动物模型慢性低氧(chronic hypoxia,CHP)诱导的动物模型与 MCT 诱导的动物模型均为经典的 PAH 动物模型3,在PAH研究中已应用了相当长的
23、时间,能帮助人们更好地理解PAH的发展过程,为目前的PAH治疗奠定了基础19。CHP能够引起啮齿类动物肺血管收缩,持续性CHP暴露的环境会导致近端和远端肺血管的肌化程度增加,导致肺血管阻力升高19;低氧还会诱导早期肺血管的炎性反应,趋化因子早于炎症细胞(主要是单核)出现,并且血管周围出现持续的炎症细胞浸润3;此外CHP诱导的模型造模成本低、方法简便、实验可预测性和可重复性强,常被应用于研究PAH,该模型还是评估基因编辑小鼠PAH易感性的重要工具19-20。许多物种在缺氧时会产生上述类似的病理变化,但物种间对CHP的反应具有差异性,这种差异同样受到动物年龄的影响,处于肺快速成熟阶段的年轻个体往往
24、更易感3。在物种的选择上,Stenmark等3指出暴露于CHP下的小鼠尽管出现了肺动脉压力升高,但只有最小的肺动脉出现重构,病变严重程度远不及大鼠;而且CHP诱导在SD大鼠中具有明显促进增殖基因383实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineAug.2023,43(4)表达上调和凋亡相关基因表达下调的现象,而在小鼠中并没有出现这些变化3。有趣的是,不同品种的大鼠对CHP的反应也存在明显差异。在常见的两个品种中,SD大鼠要比Wistar 大鼠表现出更严重的PAH 症状,如右心室重量与肺血管阻力明显增加;而Fischer大鼠则在很大程度
25、上对CHP耐受20。因此,CHP诱导PAH模型选用SD大鼠进行造模比较合适。CHP诱导的大鼠模型会出现血管重构、高血压以及右心室肥厚(right ventricle hypertrophy,RVH)9的特征,但该模型并不会出现不可逆的内膜纤维化、丛状病变以及右心衰竭,并且其低氧性肺结构的改变涉及低氧以外的更多因素3,9-10。CHP诱导的动物模型相比于人类PAH 在血管上的病变具有较为温和的表型,被视为是第三类PH的模型10。因此,CHP诱导的动物模型并不能充分复制人类PAH患者的肺血管损伤10,但在研究较不严重的第三类PH时该模型能发挥更好的作用20。值得一提的是,Fawn-hooded(F
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