Экспериментальные модели ишемии миокарда: классические подходы и инновации (обзор литературы)

Экспериментальные модели ишемии миокарда: классические подходы и инновации (обзор литературы)

Автор: Слатова Л.Н., Федорина Т.А., Шатунова Е.П.

Журнал: Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины @cardiotomsk

Рубрика: Обзоры и лекции

Статья в выпуске: 1 т.39, 2024 года.

Бесплатный доступ

Ишемия миокарда является основой для формирования множества острых и хронических состояний, имеющих большую социальную значимость. В связи с этим экспериментальные модели, которые описывают развитие ишемии у человека, необходимы для лучшего понимания патофизиологии этих состояний и разработки медикаментозных и хирургических методов лечения.Цель настоящего обзора: сравнительная характеристика актуальных подходов к экспериментальному моделированию ишемии миокарда с учетом патогенетических особенностей моделируемых процессов. В работе описаны основные экспериментальные модели ишемии миокарда: клеточные модели in vitro, модели на изолированном сердце ex vivo, животные модели in vivo, принципиальные компоненты модели «сердце-на-чипе» (“heart-on-chip”) и возможности моделирования in silico. Рассмотрены критерии выбора определенной модели ишемии с точки зрения патофизиологического подхода, преимущества и ограничения моделей.

Еще

Ишемия, миокард, «сердце-на-чипе», экспериментальная модель, животные, клеточные модели, изолированное перфузируемое сердце

Короткий адрес: https://sciup.org/149144780

IDR: 149144780   |   DOI: 10.29001/2073-8552-2024-39-1-18-27

Список литературы Экспериментальные модели ишемии миокарда: классические подходы и инновации (обзор литературы)

  • Федеральная служба государственной статистики. Число умерших по основным классам причин смерти. URL: https://rosstat.gov.ru/folder/12781 (15.04.2023).
  • Федеральная служба государственной статистики. Заболеваемость населения по основным классам болезней. URL: https://rosstat.gov.ru/folder/13721 (15.04.2023).
  • Buja L.M. Pathobiology of myocardial ischemia and reperfusion injury: models, modes, molecular mechanisms, modulation, and clinical applications. Cardiol. Rev. 2023;31(5):252-264. https://doi.org/10.1097/CRD.0000000000000440.
  • Ford T.J., Corcoran D., Berry C. Stable coronary syndromes: pathophysiology, diagnostic advances and therapeutic need. Heart. 2018;104(4):284-292. https://doi.org/10.1136/heartjnl-2017-311446.
  • Lindsey M.L., Bolli R., Canty J.M. Jr., Du X.J., Frangogiannis N.G., Frantz S. et al. Guidelines for experimental models of myocardial ischemia and infarction. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2018;314(4):H812-H838. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00335.2017.
  • Padro T., Manfrini O., Bugiardini R., Canty J., Cenko E., De Luca G. et al. ESC Working Group on Coronary Pathophysiology and Microcirculation position paper on “coronary microvascular dysfunction in cardiovascular disease”. Cardiovasc. Res. 2020;116(4):741-755. https://doi.org/10.1093/cvr/cvaa003.
  • Van der Velden J., Asselbergs F.W., Bakkers J., Batkai S., Bertrand L., Bezzina C.R. et al. Animal models and animal-free innovations for cardiovascular research: current status and routes to be explored. Consensus document of the ESC Working Group on Myocardial Function and the ESC Working Group on Cellular Biology of the Heart. Cardiovasc. Res. 2022;118(15):3016-3051. https://doi.org/10.1093/cvr/cvab370.
  • Pitoulis F.G., Watson S.A., Perbellini F., Terracciano C.M. Myocardial slices come to age: an intermediate complexity in vitro cardiac model for translational research. Cardiovasc. Res. 2020;116(7):1275-1287. https://doi.org/10.1093/cvr/cvz341.
  • Shan X., Lv Z.Y., Yin M.J., Chen J., Wang J., Wu Q.N. The protective effect of cyanidin-3-glucoside on myocardial ischemia-reperfusion injury through ferroptosis. Oxid. Med. Cell. Longev. 2021;2021:8880141. https://doi.org/10.1155/2021/8880141.
  • Chen T., Vunjak-Novakovic G. In vitro models of ischemia-reperfusion injury. Regen. Eng. Transl. Med. 2018;4(3):142-153. https://doi.org/10.1007/s40883-018-0056-0.
  • Madonna R., Van Laake L.W., Botker H.E., Davidson S.M., De Caterina R., Engel F.B. et al. ESC Working Group on Cellular Biology of the Heart: position paper for Cardiovascular Research: tissue engineering strategies combined with cell therapies for cardiac repair in ischaemic heart disease and heart failure. Cardiovasc. Res. 2019;115(3):488-500. https://doi.org/10.1093/cvr/cvz010.
  • Афоничева П.К., Буляница А.Л., Евстрапов А.А. «Орган-на-чипе» - материалы и методы изготовления (обзор). Научное приборостроение. 2019;29(4):3-18. https://doi.org/10.18358/np-29-4-i318.
  • Yang Q., Xiao Z., Lv X., Zhang T., Liu H. Fabrication and Biomedical Applications of Heart-on-a-chip. Int. J. Bioprint. 2021;7(3):370. https://doi.org/10.18063/ijb.v7i3.370.
  • Халимова А.А., Коваленко А.В., Парамонов Г.В. «Органы-на-чипе»: оценка перспектив использования в фармацевтической отрасли. Медико-фармацевтический журнал «Пульс». 2022;24(5):81-87. https://doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2022-24-5-81-87.
  • Häkli M., Kreutzer J., Mäki A.J., Välimäki H., Lappi H., Huhtala H. et al. Human induced pluripotent stem cell-based platform for modeling cardiac ischemia. Sci. Rep. 2021;11(1):4153. https://doi.org/10.1038/s41598-021-83740-w.
  • Das S.L., Sutherland B.P., Lejeune E., Eyckmans J, Chen C.S. Mechanical response of cardiac microtissues to acute localized injury. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2022;323(4):H738-H748. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00305.2022.
  • Budhathoki S., Graham C., Sethu P., Kannappan R. Engineered aging cardiac tissue chip model for studying cardiovascular disease. Cells Tissues Organs. 2022;211(3):348-359. https://doi.org/10.1159/000516954.
  • Торопова Я.Г., Осяев Н.Ю., Мухамадияров Р.А. Перфузия изолированного сердца методами Лангендорфа и Нилли: особенности техники и применение в современных исследованиях. Трансляционная медицина. 2014;4:34-39. https://doi.org/10.18705/2311-4495-2014-0-4-34-39.
  • Байкалов Г.И., Князев Р.А., Ершов К.И., Бахарева К.И., Солдатова М.С., Мадонов П.Г. Изучение влияния иммобилизированных субтилизинов на коронарный кровоток в эксперименте на изолированном сердце крысы. Journal of Siberian Medical Sciences. 2021;3:56-65. https://doi.org/10.31549/2542-1174-2021-3-56-65.
  • Минасян С.М., Галагудза М.М., Сонин Д.Л., Боброва Е.А., Зверев Д.А., Королев Д.В. и др. Методика перфузии изолированного сердца крысы. Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2009;8(4):54-59.
  • Купцова А.М., Бугров Р.К., Зиятдинова Н.И., Зефиров Т.Л. Изолированное по Лангендорфу сердце крыс после острого экспериментального инфаркта миокарда. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2022;173(6):703-706. https://doi.org/10.47056/0365-9615-2022-173-6-703-706.
  • Сенокосова Е.А., Крутицкий С.С., Груздева О.В. Антонова Л.В., Скулачев М.В., Григорьев Е.В. Исследование антиоксидантного эффекта митохондриально-направленного антиоксиданта SkQ1 на модели изолированного сердца крысы. Общая реаниматология. 2022;18(4):36-44. https://doi.org/10.15360/1813-9779-2022-4-36-44.
  • Schechter M.A., Southerland K.W., Feger B.J., Linder D.Jr., Ali A.A., Njoroge L. et al. An isolated working heart system for large animal models. J. Vis. Exp. 2014;(88):51671. https://doi.org/10.3791/51671.
  • Ronzhina M., Stracina T., Lacinova L., Ondacova K., Pavlovicova M., Marsanova L. et al. Di-4-ANEPPS Modulates Electrical Activity and Progress of Myocardial Ischemia in Rabbit Isolated Heart. Front. Physiol. 2021;12:667065. https://doi.org/10.3389/fphys.2021.667065.
  • Wang Z., Yao M., Jiang L., Wang L., Yang Y., Wang Q. et al. Dexmedetomidine attenuates myocardial ischemia/reperfusion-induced ferroptosis via AMPK/GSK-3β/Nrf2 axis. Biomed. Pharmacother. 2022:113572. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2022.113572.
  • Rahman A., Li Y., Chan T.K., Zhao H., Xiang Y., Chang X. et al. Large animal models of cardiac ischemia-reperfusion injury: Where are we now? Zool. Res. 2023;44(3):591-603. https://doi.org/10.24272/j.issn.2095-8137.2022.487.
  • Banstola A., Reynolds J.N.J. The sheep as a large animal model for the investigation and treatment of human disorders. Biology (Basel). 2022;11(9):1251. https://doi.org/10.3390/biology11091251.
  • Isorni M.A., Casanova A., Piquet J., Bellamy V., Pignon C., Puymirat E. et al. Comparative analysis of methods to induce myocardial infarction in a closed-chest rabbit model. Biomed. Res. Int. 2015;2015:893051. https://doi.org/10.1155/2015/893051.
  • Özkaynak B., Şahin I., Özenc E., Subaşı C., Oran D.S., Totoz T. et al. Mesenchymal stem cells derived from epicardial adipose tissue reverse cardiac remodeling in a rabbit model of myocardial infarction. Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci. 2021;25(12):4372-4384. https://doi.org/10.26355/eurrev_202106_26147.
  • Contessotto P., Spelat R., Ferro F., Vysockas V., Krivickienė A., Jin C. et al. Reproducing extracellular matrix adverse remodelling of non-ST myocardial infarction in a large animal model. Nat. Commun. 2023;14(1):995. https://doi.org/10.1038/s41467-023-36350-1.
  • Morrissey P.J., Murphy K.R., Daley J.M., Schofield L., Turan N.N., Arunachalam K. et al. A novel method of standardized myocardial infarction in aged rabbits. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2017;312(5):H959-H967. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00582.2016.
  • Гущин Я.А. Сравнительная анатомия сердца человека и экспериментальных животных. Лабораторные животные для научных исследований. 2021;1:56-67. https://doi.org/10.29296/2618723X-2021-01-06.
  • Lindsey M.L., Brunt K.R., Kirk J.A., Kleinbongard P., Calvert J.W., de Castro Brás L.E. et al. Guidelines for in vivo mouse models of myocardial infarction. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2021;321(6):H1056- H1073. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00459.2021.
  • Sun Q., Wang K.K., Pan M., Zhou J.P., Qiu X.T., Wang Z.Y. et al. A minimally invasive approach to induce myocardial infarction in mice without thoracotomy. J. Cell Mol. Med. 2018;22(11):5208-5219. https://doi.org/10.1111/jcmm.13708.
  • Colbert C.M., Shao J., Hollowed J.J., Currier J.W., Ajijola O.A., Fishbein G.A. et al. 3D-printed coronary implants are effective for percutaneous creation of swine models with focal coronary stenosis. J. Cardiovasc. Transl. Res. 2020;13(6):1033-1043. https://doi.org/10.1007/s12265-020-10018-3.
  • Kleinbongard P., Heusch G. A fresh look at coronary microembolization. Nat. Rev. Cardiol. 2022;19(4):265-280. https://doi.org/10.1038/s41569-021-00632-2.
  • Bikou O., Tharakan S., Yamada K.P., Kariya T., Gordon A., Miyashita S. et al. A novel large animal model of thrombogenic coronary microembolization. Front. Cardiovasc. Med. 2019;6:157. https://doi.org/10.3389/fcvm.2019.00157.
  • Wang W., Ye S., Zhang L., Jiang Q., Chen J., Chen X. et al. Granulocyte colony-stimulating factor attenuates myocardial remodeling and ventricular arrhythmia susceptibility via the JAK2-STAT3 pathway in a rabbit model of coronary microembolization. BMC Cardiovasc. Disord. 2020;20(1):85. https://doi.org/10.1186/s12872-020-01385-5.
  • Абзалилов Т.А., Нурланова С.Н., Баширов И.И., Крылова И.Д., Корунас В.И., Мочалов К.С. и др. Экспериментальное обоснование основных методов реперфузии миокарда с позиции современных представлений о развитии и течении острого коронарного синдрома. Медицинский вестник Башкортостана. 2021;16(6):65-70.
  • Yin X., Yin X., Pan X., Zhang J., Fan X., Li J. et al. Post-myocardial infarction fibrosis: Pathophysiology, examination, and intervention. Front. Pharmacol. 2023;14:1070973. https://doi.org/10.3389/fphar.2023.
  • Feng Y., Hemmeryckx B., Frederix L., Lox M., Wu J., Heggermont W. et al. Monitoring reperfused myocardial infarction with delayed left ventricular systolic dysfunction in rabbits by longitudinal imaging. Quant. Imaging Med. Surg. 2018;8(8):754-769. https://doi.org/10.21037/qims.2018.09.05.
  • Spannbauer A., Mester-Tonczar J., Traxler D., Kastner N., Zlabinger K., Hašimbegović E. et al. Large animal models of cell-free cardiac regeneration. Biomolecules. 2020;10(10):1392. https://doi.org/10.3390/biom10101392.
  • Robles J.C., Heaps C.L. Adaptations of the endothelin system after exercise training in a porcine model of ischemic heart disease. Microcirculation. 2015;22(1):68-78. https://doi.org/10.1111/micc.12174.
  • Sorop O., van de Wouw J., Chandler S., Ohanyan V., Tune J.D., Chilian W.M. et al. Experimental animal models of coronary microvascular dysfunction. Cardiovasc. Res. 2020;116(4):756-770. https://doi.org/10.1093/cvr/cvaa002.
  • Kloner R.A. Stunned and hibernating myocardium: Where are we nearly 4 decades later? J. Am. Heart Assoc. 2020;9(3):e015502. https://doi.org/10.1161/JAHA.119.015502.
  • Галагудза М.М., Сонин Д.Л., Александров И.В. Гибернация миокарда: молекулярные механизмы, клиническая значимость и методы диагностики. Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2019;18(3):9-15. https://doi.org/10.24884/1682-6655-2019-18-3-9-15.
  • Wang X., Shen X., Weil B.R., Young R.F., Canty J.M., Qu J. Quantitative proteomic and phosphoproteomic profiling of ischemic myocardial stunning in swine. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2020;318(5):H1256- H1271. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00713.2019.
  • Weil B.R., Suzuki G., Canty J.M.Jr. Transmural variation in microvascular remodeling following percutaneous revascularization of a chronic coronary stenosis in swine. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2020;318(3):H696-H705. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00502.2019.
  • Duerr G.D., Dewald D., Schmitz E.J., Verfuerth L., Keppel K., Peigney C. et al. Metallothioneins 1 and 2 modulate inflammation and support remodeling in ischemic cardiomyopathy in mice. Mediators Inflamm. 2016;2016:7174127. https://doi.org/10.1155/2016/7174127.
  • Ashokprabhu N.D., Quesada O., Alvarez Y.R., Henry T.D. INOCA/ ANOCA: Mechanisms and novel treatments. Am. Heart. J. Plus. 2023;30:100302. https://doi.org/10.1016/j.ahjo.2023.100302.
  • Van de Wouw J., Sorop O., van Drie R.W.A., van Duin R.W.B., Nguyen I.T.N., Joles J.A. et al. Perturbations in myocardial perfusion and oxygen balance in swine with multiple risk factors: a novel model of ischemia and no obstructive coronary artery disease. Basic Res. Cardiol. 2020;115(2):21. https://doi.org/10.1007/s00395-020-0778-2.
  • Трисветова Е.Л. Коронарная микрососудистая дисфункция: эпидемиология, клиника, Диагностика и лечение. Рациональная фармакотерапия в кардиологии. 2023;19(2):186-196. https://doi.org/10.20996/1819-6446-2023-04-02.
  • Schmidt A., Balitzki J., Grmaca L., Vogel J., Boehme P., Boden K. et al. “Digital biomarkers” in preclinical heart failure models - a further step towards improved translational research. Heart Fail. Rev. 2023;28(1):249- 260. https://doi.org/10.1007/s10741-022-10264-4.
  • Sadraddin H., Gaebel R., Skorska A., Lux C.A., Sasse S., Ahmad B. et al. CD271+ human mesenchymal stem cells show antiarrhythmic effects in a novel murine infarction model. Cells. 2019;8(12):1474. https://doi.org/10.3390/cells8121474.
  • Lee Y.T., Lin H.Y., Chan Y.W.F., Li K.H.C., To O.T.L., Yan B.P. et al. Mouse models of atherosclerosis: a historical perspective and recent advances. Lipids Health Dis. 2017;16(1):12. https://doi.org/10.1186/s12944-016-0402-5.
  • Samidurai A., Ockaili R., Cain C., Roh S.K., Filippone S.M., Kraskauskas D. et al. Preclinical model of type 1 diabetes and myocardial ischemia/reperfusion injury in conscious rabbits-demonstration of cardioprotection with rapamycin. STAR Protoc. 2021;2(3):100772. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2021.100772.
  • Bøtker H.E., Hausenloy D., Andreadou I., Antonucci S., Boengler K., Davidson S.M. et al. Practical guidelines for rigor and reproducibility in preclinical and clinical studies on cardioprotection. Basic Res. Cardiol. 2018;113(5):39. https://doi.org/10.1007/s00395-018-0696-8.
  • Ferrero J.M., Gonzalez-Ascaso A., Matas J.F.R. The mechanisms of potassium loss in acute myocardial ischemia: New insights from computational simulations. Front. Physiol. 2023;14:1074160. https://doi.org/10.3389/fphys.2023.1074160.
  • Musuamba F.T., Skottheim Rusten I., Lesage R., Russo G., Bursi R., Emili L. et al. Scientific and regulatory evaluation of mechanistic in silico drug and disease models in drug development: Building model credibility. CPT Pharmacometrics Syst. Pharmacol. 2021;10(8):804-825. https://doi.org/10.1002/psp4.12669.
  • Воропаева О.Ф. Цгоев Ч.А., Шокин Ю.И. Численное моделирование воспалительной фазы инфаркта миокарда. Прикладная механика и техническая физика. 2021;62(3):105-117. https://doi.org/10.15372/PMTF20210310.
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp