本方案描述了一种在离体晶体液灌注小鼠心脏中建立的ex vivo(离体)心肌梗死模型。该方法避开了全身性变量的影响,从而可使研究人员直接评估在无外界干扰因素条件下对心肌细胞存活的影响,并可测试局部药物干预的效果。
本方案描述了一种在离体晶体液灌注小鼠心脏中建立的ex vivo(离体)心肌梗死模型。该方法避开了全身性变量的影响,从而可使研究人员直接评估在无外界干扰因素条件下对心肌细胞存活的影响,并可测试局部药物干预的效果。
实验性心肌梗死(MI)通常通过暂时性结扎左前降支(LAD)冠状动脉在动物体内建模,或在细胞水平上通过缺氧-复氧方案进行模拟。作为一种替代性的器官水平缺血模型,Langendorff灌流心脏长期以来一直是研究生理干扰和药理干预对心肌保护作用的核心工具。 本文介绍了在离体小鼠心脏中建立区域性心肌缺血/再灌注模型所需的基本方法和基本原则。简言之,在心脏停搏后,先用冰冻磷酸盐缓冲液(PBS)短暂冲洗,随后结扎LAD。然后将心脏安装在Langendorff装置上,并在37°C条件下以110 cmH₂O的恒定灌注压力,用富含营养的含氧缓冲液进行灌流。心肌缺血持续时间分别设定为30、45、60、90和120分钟,之后进行90分钟的再灌注。采用显微镜下2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)染色法评估心肌细胞存活率和梗死面积。我们证明,该离体MI模型能够稳定地产生可重复的心肌损伤,其特征是随着缺血时间延长,梗死区域内可存活心肌细胞逐步丧失。此外,至少需要30分钟的再灌注,才能通过TTC染色清晰界定梗死心肌区域。 该方法规避了全身性变量的影响,使研究人员能够在排除循环体液因子和免疫细胞浸润等外部调节因素干扰的情况下,直接评估心脏本身的功能变化,并测试局部药物干预的效果。因此,该离体MI模型为研究直接作用于心肌细胞的心肌保护机制提供了一个有效的研究平台。
心肌梗死(MI)是指冠状动脉血流中断,导致组织死亡和严重功能障碍。虽然通常在整体生物体中进行研究,但该术语也可指局限于特定心脏结构的区域性心肌梗死,或指用于在无系统性影响条件下研究梗死的离体(ex vivo)离体心脏实验模型(例如 Langendorff 灌注)1。因此,Langendorff 灌注心脏作为研究心肌缺血性损伤的实验模型,已有50多年的历史,是一种可靠且成熟的方法2。
离体心脏中的ex vivo心肌梗死(MI)模型具有多项优势,包括能够精确控制实验环境,并可在排除循环体液因子、血细胞成分及神经体液调节等全身性影响的情况下,独立评估干预措施(如药物制剂)对心肌的直接作用3。通过最大限度减少这些混杂因素,ex vivo模型相较于in vivo模型具有更高的可预测性和可重复性,从而更有利于对心肌梗死相关疾病过程及分子通路进行严谨研究4。
在离体心脏中,心肌缺血可被诱导为全心性或区域性5。在全心性心肌梗死(MI)模型中,冠状动脉循环的灌注液流动被完全中断;而在区域性心肌梗死模型中,仅通过结扎暂时阻断左前降支冠状动脉(LAD),导致缺血损伤局限于结扎部位远端的心肌组织。尽管全心性心肌梗死模型在技术上易于操作,但其存在若干限制,制约了其在心脏保护研究中的应用6。其中一个主要限制是缺血持续时间受限于整个心脏的耐受能力,难以诱导长时间缺血,且透壁性梗死的发生率与in vivo情况相当7。此外,尽管在严格控制缺血和再灌注时间的情况下,ex vivo模型通常具有良好的可重复性,但不同实验室之间的实验方案仍存在显著差异。这种变异性凸显了对离体小鼠心脏模型进行更优标准化和特征描述的必要性,尤其是因为目前文献中许多关键的方法学细节仍描述不足8。
另一方面,建立区域性心肌梗死模型在技术上更具挑战性。本文介绍了几种改进方法和实用策略,以优化可靠模型的构建 离体 离体小鼠心脏中的心肌梗死,特别是用于评估旨在心肌保护的药理学干预措施9,10因此,这种改良的 离体 采用Langendorff灌注小鼠心脏的心肌梗死实验方案为直接评估治疗干预后心肌存活情况提供了有效平台。
本文所述的离体灌注心脏模型是一种急性、非存活实验,已获得当地主管部门批准(O1019/25,德国北莱茵-威斯特法伦州LANUV)。所有操作均遵循ARRIVE指南以及《美国国立卫生研究院实验动物护理与使用指南》。实验所需的仪器和化学品列于材料表中。
1. 建立用于离体小鼠心脏的朗根多夫逆行灌注系统
注意:设计了一种非循环式、重力驱动系统,以110 cmH2O的恒定压力向离体小鼠心脏输送含氧晶体液灌注液(Krebs-Henseleit缓冲液,KHB)(图1A)。
2. 心脏的分离与插管
注意:本实验使用体重为20–25 g的雄性C57BL/6J小鼠。所有实验操作必须根据当地法规进行适当记录,包括实施安乐死的理由、日期和方法。
3 离体 心肌缺血与再灌注
注意:通过简单停止心脏灌注来诱导全心肌缺血,而区域心肌缺血则通过在体视显微镜下暂时结扎前降支(LAD)来建立。
4. 心肌损伤与存活率的评估
注意:2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)染色可将存活的心肌染成深红色,而梗死/坏死组织在用赞波尼溶液固定后呈米色。
警告:氯化三苯四氮唑(TTC)通常被认为具有危害性,需谨慎操作,因其可能引起轻度皮肤刺激、严重眼刺激,吸入后有害。废弃物和残留物应根据当地主管部门的要求进行处置。
在 离体 MI 平台,在离体小鼠心脏中评估了两种缺血方案。全局性缺血已被广泛用于 离体 MI 研究导致心脏出现异质性缺血性损伤。采用一种可靠且高分辨率的基于 TTC 的显微检测方法12,研究表明心房肌和心尖区域对缺血相对耐受,在45分钟全心无血流缺血后仍保持存活图2A,上图)。相比之下,区域性心肌梗死在LAD结扎位点远端的心肌中引起局部缺血性损伤。在此条件下,部分心外膜下心肌仍呈TTC阳性,提示存活心肌组织得以保留(图2A,下图)。这些结果揭示了两种缺血方案之间心肌存活模式的显著差异。
在离体小鼠心脏中进一步研究了可靠且可重复地诱导心肌梗死所需的最短缺血与再灌注时间。随着缺血时间从30分钟延长至120分钟,心肌损伤逐渐加重(图3A值得注意的是,梗死面积在缺血30分钟(n = 3)到45分钟(n = 5)期间增加了一倍以上,随后随着缺血时间延长至60分钟(n = 5)、90分钟(n = 4)和120分钟(n = 3)似乎趋于稳定图3B)。这些结果表明,心肌存活性对缺血时间超过30 min极为敏感。与 体内 MI(ivMI,n = 5)模型, 离体 MI(evMI,n = 8)模型在相似的缺血和再灌注时间下产生了几乎相同的梗死面积(36.88%) ± 3.91% 与. 37.8% ± 2.17%, p = 0.27),表明心肌损伤并未因晶体液灌注而发生显著改变。然而,evMI心脏表现出更厚的室壁和缩小的心室腔,这可能与晶体液灌注引起的心肌水肿有关。图3C).
利用相对受控的环境(排除心脏外因素的影响),评估了心肌内递送IL-6的心脏保护作用。在用PBS处理的对照心脏中,即使经过45分钟的缺血后,在梗死/坏死区域(米色)内仍可检测到散在但可测量的存活心肌细胞(存活CMs;深红色)(图4;1.05% ± 0.44%,标准误差,n = 4)。值得注意的是,心肌内注射IL-6(i.m.;箭头所示)显著增加了存活CMs的数量,这些细胞主要定位于感兴趣区域(ROI)内的注射部位周围(4.08% ± 0.99%,标准误差,n = 6;p = 0.005,Student’s t检验)。这些结果表明,IL-6可能在缺血性损伤后增强心肌细胞的存活能力。
最后,当前 离体 MI模型存在若干可能影响实验结果可重复性的潜在缺陷。如文中所示 图5结扎线滑脱可能导致前降支阻塞不充分以及心肌存活范围过大(4/168),同时当前降支分支受损时可能出现再灌注不完全(12/168)。此外,主动脉插管过程中发生空气栓塞亦可导致心肌损伤(箭头所示,7/168),使得缺血性损伤与栓塞性损伤在定量分析时难以区分。最后,当心脏过度灌注时可能出现TTC染色不足(11/168),显著影响梗死区域的界定。

图1实验装置示意图。 非循环式重力驱动恒压兰格多夫系统旨在以110 cmH₂O的恒定静水压输送富含营养且充分氧合的克雷布斯-亨塞莱特缓冲液(KHB)。₂O. KHB 首先预热至 37 °C 在储液器中,供给至水套式加压柱,其中维持110 cmH₂O的恒定静水压2O 保持不变 通过 一个压力调节器。灌注的心脏浸没在一个高度可调的、带水套的器官浴槽中,以维持恒定的温度 37 °C 整个实验期间(A)。通过在预冷的金属皿内的棉垫上进行心脏停搏后,对左前降支(LAD)冠状动脉实施短暂结扎,以诱导心肌梗死。B在体视显微镜下进行该操作。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2:区域性与全心心肌梗死(MI)及梗死面积测定。 全心心肌梗死在整个心脏中引起缺血性损伤,显微镜下TTC染色图像中的黄色染色区域即表示该损伤。心房心肌和心尖区域对缺血的耐受性较强,在45分钟的全心无灌注缺血后仍保持存活(A 上图)。区域性心肌梗死则在左前降支(LAD)结扎部位远端的心肌中引起缺血性损伤。在此情况下,部分心外膜下心肌呈红色染色,提示存活组织的存在(A 下图)。使用ImageJ软件对梗死面积进行定量分析,根据不同的染色颜色区分梗死/坏死区域与存活心肌(B)。通过计算选定感兴趣区域(ROI)内深红色染色所占的百分比,评估心肌细胞在该区域的存活率(C)。比例尺:1 mm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3缺血时间长短对梗死面积的影响 随着缺血时间从30分钟延长至120分钟,心肌损伤逐渐加重(A)。梗死面积在缺血30分钟(n = 3)与45分钟(n = 5)之间增加了一倍以上,当缺血时间延长至60分钟(n = 5)、90分钟(n = 4)和120分钟(n = 3)时,似乎达到平台期(B)。与 体内 MI(ivMI,n = 5)模型, 离体 MI(evMI,n = 8)在相似的缺血持续时间内产生了几乎相同的梗死面积(36.88%) ± 3.91% 与. 37.8% ± 2.17%, p = 0.27,Student’s t-测试)。evMI心脏表现出更厚的室壁和缩小的心室腔,这可能是由于与晶体液灌注相关的心肌水肿所致C)。误差线表示平均值的标准差(SDM)。比例尺:1 mm。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图4:IL-6 在缺血性损伤后增强心肌细胞存活。 在evMI模型中向心肌内(i.m.)递送IL-6后,在梗死/坏死区域(米色)内可检测到一定数量的存活心肌细胞(viable CMs;深红色),主要集中在IL-6注射部位周围(箭头,左图)。对感兴趣区域(ROI,虚线标示)内存活心肌细胞的定量分析显示,PBS注射组仅产生少量存活心肌组织(1.05% ± 0.44%,标准误SEM,n = 4),而IL-6注射组在ROI内的存活心肌细胞比例显著增加(4.08% ± 0.99%,标准误SEM,n = 6;p = 0.005,Student’s t-检验)。误差线表示均值的标准差(SDM)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5: 由技术失败导致的不理想或不成功结果。 如代表性心肌损伤所示 离体 MI模型(左),典型的TTC染色通常可清晰区分存活心肌与坏死心肌。然而,多种技术失误可能导致结果不理想或无法解读。若结扎线滑脱导致左前降支(LAD)结扎不充分,即使长时间缺血,仍可能出现广泛的心肌存活。结扎过程中若损伤LAD分支,可能导致再灌注不完全,使相应区域灌注不良,呈现出类似临床观察到的“无复流”现象。此类区域可能呈现粉红色着色(箭头)。插管过程中空气泡进入冠状循环引起微血管栓塞,亦可导致心肌损伤(箭头),从而难以区分缺血性损伤与栓塞性损伤,影响定量分析。最后,若心脏过度灌注,可能导致非缺血性心肌损伤,并引起TTC染色不充分。比例尺:1 mm。 请点击此处以查看此图的放大版本。
| F-峰值 (n = 19) | F-稳态 (n = 19) | RF-峰值 (n = 19) | RF-稳态 (n = 19) | |
| 均值 (mL/min) | 2.54 | 0.78 | 2 | 0.99 |
| 标准差 | 0.59 | 0.29 | 0.56 | 0.53 |
表1: 缺血和再灌注期间冠状动脉血流的最大值(F-峰值)和稳态水平(F-稳态)(RF-峰值和RF-稳态)。
当前 离体 MI模型主要基于精密的Langendorff灌注心脏系统2一个常见的制备陷阱是在冠状动脉循环中引入气泡,这可能导致栓塞性损伤,并干扰对缺血性损伤的评估。为防止此问题,每次实验前必须仔细检查灌注系统。若小气泡滞留在管路系统中,可通过逆向冲洗KHB将气泡驱回压力柱,从而帮助解决该问题。
本方案中的关键步骤是左前降支冠状动脉(LAD)的结扎。因此,首先准确地在视觉上识别LAD至关重要。大多数情况下,心脏用冰冻的PBS冲洗后,冠状血管会变得半透明,从而使LAD能够与周围心肌清晰区分。此外,正确且熟练的结扎技术同样重要,因为8-0聚丙烯缝线张力过大可能会切断LAD,导致后续再灌注无法实现。为降低这一风险,应在缝线与血管之间放置大小合适的柔软小垫片,以分散结扎力,保护冠状动脉免受机械性损伤。尽管如此,由结扎引起的轻微心肌损伤难以完全避免,但通常不会影响冠状动脉灌注或实验结果。最后,由于心肌损伤对温度高度敏感13,在整个实验过程中维持恒定温度至关重要。特别是在恒压灌注条件下,灌注柱与心脏之间可能发生热量散失,且该散失程度会随冠状动脉血流速率动态变化14。因此,温度波动可能导致心肌温度发生变化。在此情况下,使用水套式器官浴槽非常理想,可维持稳定的热环境(图1A)。
一旦克服这些技术难题,离体心肌梗死(ex vivo MI)模型便可为在离体小鼠心脏中诱导心肌损伤提供一个可靠且可重复的平台(图3A)。因此,该模型代表了一种有价值的实验体系,可用于研究心肌梗死后心肌的存活情况、评估局部递送的治疗干预措施,以及在无呼吸或心脏运动干扰的情况下进行高分辨率成像。尽管全心心肌梗死(global MI)方案在技术上较为简单,并已在先前的研究中被广泛使用4,但其主要局限在于全心缺血的持续时间通常限制在45分钟以内3。因此,与区域性心肌梗死模型不同,该模型很少产生透壁性梗死(图2)。
一个独特的特征是 离体 MI模型缺乏全身性影响,包括神经调节和循环血液成分,这使得研究人员能够评估治疗干预对心肌的直接局部效应8这一点对于白细胞介素-6(IL-6)及其下游的PI3K/AKT信号通路尤为重要,已有研究证实,这些因子在分离的心肌细胞中具有心脏保护作用。15. 在体然而,IL-6对心脏的作用常常不一致甚至相互矛盾,因为IL-6在激活免疫细胞并促进炎症反应的同时,可能抵消其直接的心脏保护作用16. 与此概念一致,我们的 离体 模型有力地证明,局部心肌内递送IL-6在缺血性损伤后显著保留了心肌活力17,18,支持IL-6对心肌细胞具有直接的心脏保护作用(图4).
我们承认当前的离体心肌梗死模型存在若干局限性。在本实验设置中,本方案未评估心脏收缩功能。3这是因为主要目的是在区域性心肌梗死模型中表征心肌存活情况,且收缩功能障碍反映的是缺血损伤后的功能受损,并不一定表明心肌细胞死亡。8此外,该 离体 MI 模型本质上排除了循环血液成分、免疫细胞以及神经体液因素的影响,而这些因素可能在心肌梗死进展和心脏重塑过程中发挥重要作用 体内. 尽管这种系统复杂性的降低是该方法的主要优势之一 离体 MI模型,它也限制了其在模拟可能发生的炎症、血管、神经和内分泌反应中的广泛应用 体内最后,晶体液灌注被发现与心肌水肿相关,表现为与对照组相比心室壁厚度增加以及心室腔减小 体内 MI 心脏。水肿的常见发生可能改变心肌结构、组织扩散性,以及潜在的细胞活力。因此,当前模型应被视为研究心肌损伤和心肌细胞特异性机制的受控平台。
然而, 离体 此处描述的MI模型是一种简单且具有成本效益的平台,可用于在排除外源性调节影响的情况下评估心肌存活情况。鉴于转基因小鼠模型的应用日益广泛,该方法可能特别适用于通过先进成像技术、电生理记录以及分子分析手段来研究心脏保护机制。此外,该模型还可被改造用于系统性地测试局部药理学或基因干预措施,并在无全身混杂因素干扰的情况下解析心肌细胞特异性机制。因此,该 离体 MI模型为识别和研究心脏保护通路提供了互补的实验平台。
作者声明不存在利益冲突。作者声明在本研究的撰写、数据分析、图表生成或验证过程中,未使用任何人工智能(AI)工具或生成式人工智能辅助技术。
本工作得到了江苏省老年医学学会一般项目(JGS2026MS019,项目负责人:WO)、镇江市科技局社会发展基金(资助编号:SH2023023,项目负责人:H.Z.;SH2023057,项目负责人:X.L.)、FoKo 计划(资助编号:23/2013,项目负责人:ZD)以及杜塞尔多夫心血管研究所(CARID)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2,3,5-三苯基氯化四氮唑 | Milipore | 1.08380.0100 | 化学品 |
| 主动脉插管 | BD | 305895 (20 G) | 逆行灌注 |
| Aquamount | BDH | 362262H | 冷冻切片 |
| 天平 | Ohaus | - | 称量化学品 |
| 大镊子 | AESCULAP | - | 手术器械 |
| 血气分析仪 | Radiometer | ABL90 FLEX PLUS | 气体分析仪 |
| 二水氯化钙 | Fluka | 21097 | 化学品 |
| 碳酰气(Carbogen) | Linde | 4040152 | 朗根多夫装置 |
| CellSens | Olympus | Version 3.1.1 | 成像软件 |
| 棉垫 | BEESana | PZN-1330900 | 手术器械 |
| 盖玻片 | Epredia | BB02400500A113MN20 | 冷冻切片 |
| 冷冻切片机 | Leica | M850 | 冷冻切片 |
| 无水D(+)-葡萄糖 | Merck | 8337.1000 | 化学品 |
| 双蒸水 | Milipore | - | 溶解化学品 |
| 乙醇(100%) | Merck | 64-17-5 | 清洗管路 |
| 乙醇(70%) | VWR | UN1170 | 清洗管路 |
| 滤膜(0.2 µm) | Thermo Scientific | 8-000-230511 | 朗根多夫装置 |
| 流量计 | Transonic | T4S410 | 朗根多夫装置 |
| 玻璃载玻片 | Engelbrecht | 11102 | 冷冻切片 |
| 玻璃水柱 | 自制 | - | 朗根多夫装置 |
| 盐酸 | Roth | P074.1 | 化学品 |
| ImageJ | NIH | version 1.54g | 软件 |
| 白细胞介素-6 | Biolegend | 570804 | 化学品 |
| 异氟烷 | Piramal | 14150097146754 | 化学品 |
| 光学显微镜 | Olympus | BX61 | 成像 |
| 七水硫酸镁 | Merck | 5886.1000 | 化学品 |
| 医用流量探头 | Transonic | 3PXN | 朗根多夫装置 |
| 金属皿 | 自制 | - | 手术器械 |
| 微量精细注射器 | BD | 30G / 0.3 mL | 朗根多夫装置 |
| 小鼠 | Janvier | C57BL/6J | 动物 |
| 物镜(x 1.25) | Olympus | PlanApo 1.25X/0.04 | 成像 |
| OCT包埋剂 | Sakura | 4583 | 化学品 |
| 培养皿 | Thermo Scientific | 172931 | 朗根多夫装置 |
| 磷酸盐缓冲液 | Roth | 9143.1 | 化学品 |
| 氯化钾 | Merck | 4936.1000 | 化学品 |
| 磷酸二氢钾 | Merck | 4873.1000 | 化学品 |
| 丝线缝合线 | F.S.T | 18020-60 | 手术器械 |
| 氯化钠 | Sigmaaldrich | SZBD0810V | 化学品 |
| 碳酸氢钠 | Roth | 6885.2 | 化学品 |
| 丙酮酸钠 | Sigmaaldrich | 113-24-6 | 化学品 |
| 软棉片 | Deknatel | L-705 | 手术器械 |
| 不锈钢镊子(8 mm) | F.S.T | 11052-10 | 手术器械 |
| 不锈钢剪刀 | AESCULAP | BC702R | 手术器械 |
| 不锈钢剪刀 | AESCULAP | BC257R | 手术器械 |
| 体视显微镜 | Leica | MZ6 | 手术器械 |
| 缝合线(8-0) | Ethicon | TG-108 | 手术器械 |
| 注射器(3 mL) | B. Braun | 4617100V | 逆行灌注 |
| 三通旋塞阀 | B. Braun | 16494C | 逆行灌注 |
| 管路 | Tygon | T3304-23 | 朗根多夫装置 |
| 水浴锅 | HAAKE | DC1/B3 | 朗根多夫装置 |
| Zamboni溶液 | Morphisto | 12773.0050 | 化学品 |
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