猪心血管系统功能功效评价的运动试验

摘要

本协议描述了一种大型动物运动试验模型，用于评估心血管系统在临床前环境中评估新疗法效率的功能能力。它与临床运动测试相当。

摘要

尽管在治疗方面取得了进展，但心血管疾病仍然是全世界死亡和发病的最大原因之一。基于基因治疗的治疗性血管生成是一种有前途的方法，用于治疗有明显症状的患者，尽管有最佳的药物治疗和侵入性操作。然而，许多有前途的心血管基因治疗技术未能在临床试验中达到预期。一种解释是用于衡量疗效的临床前终点和临床终点不匹配。在动物模型中，重点通常放在易于量化的终点上，例如从组织学切片计算的毛细血管的数量和面积。除了死亡率和发病率外，临床试验的终点是主观的，例如运动耐量和生活质量。然而，临床前和临床终点可能测量应用疗法的不同方面。然而，开发成功的治疗方法需要这两种类型的终点。在诊所，主要目标始终是缓解患者的症状并改善他们的预后和生活质量。为了从临床前研究中获得更好的预测数据，终点测量必须与临床研究中的测量更好地匹配。在这里，我们介绍了临床相关的猪跑步机运动测试方案。本研究旨在:（1）提供可靠的猪运动测试，可用于评估基因疗法和其他新疗法的安全性和功能有效性，以及（2）更好地匹配临床前和临床研究之间的终点。

引言

慢性心血管疾病是全世界死亡和发病的重要原因^1,2。尽管目前的治疗方法对大多数患者有效，但由于弥漫性慢性疾病或合并症等原因，许多人仍然无法从目前的治疗中受益。此外，在一些患者中，可用的治疗并不能缓解心脏症状，尽管进行了最佳药物治疗，他们的心血管疾病仍会进展³。因此，显然需要为严重的心血管疾病开发新的治疗方案。

在过去的几年中，已经发现了新的分子途径和操纵这些靶点的方法，使基因疗法，细胞疗法和其他新疗法成为治疗严重心血管疾病的现实选择⁴。然而，在有希望的临床前结果之后，许多心血管应用未能满足临床试验的期望。尽管临床试验疗效不佳，但一些试验已经建立了新疗法的良好安全性5,6,7,8,9。因此，为患者带来新的心血管疗法将需要改进的方法和更好的临床前模型、研究环境和可以预测临床疗效的临床前研究的终点。

在动物模型中，重点通常放在易于量化的终点上，例如从组织学切片计算的毛细血管的数量和面积，或从静息和药理应激下的左心室成像参数。在临床试验中，许多终点更加主观，例如运动耐量或症状缓解⁴。因此，临床前研究和临床试验中的终点很可能测量应用疗法的不同方面。例如，血管数量的增加并不总是与更好的灌注、心脏功能或运动耐量相关。然而，开发成功的治疗方法需要两种类型的终点¹⁰。尽管如此，主要目标始终是缓解症状并改善患者的预后和生活质量。为了实现这一目标，终点测量必须在临床前和临床研究之间更好地匹配⁴。

心肺健康反映了循环和呼吸系统在持续体力活动期间提供氧气的能力，因此它量化了个体的功能能力。功能能力是关键的预后标志，因为它是心血管和全因死亡风险的强有力的独立预测指标¹¹。心肺健康的改善与死亡风险降低有关¹²。运动测试适用于评估心血管疾病的有氧表现和治疗反应。根据可用性，在自行车测力计或跑步机上进行测试。通常使用每分钟工作量的逐渐增加，避免突然增加;这导致线性生理反应。运动测试中最重要的变量包括总运动时间、达到的代谢当量 （MET）、心率以及 QRS 波群（Q、R 和 S 波）和 T 波（ST 段）之间心电图 （ECG） 线的变化。临床压力测试成本低，易于获得¹³.由于这些原因，压力测试，如6分钟步行测试，已被广泛用于临床，也应该用于新疗法的临床前评估。

据我们所知，没有描述良好的大型动物模型来评估基因疗法或其他新疗法的功能疗效。因此，临床相关的运动测试为评估这些新疗法在临床前环境中的效率提供了一个极好的视角。

研究方案

所有实验均得到东芬兰大学动物实验委员会的批准。该协议描述了一种临床相关的猪跑步机运动测试，以评估心脏病新疗法的安全性和有效性。本研究使用体重25-80公斤的雌性家猪。这些动物是从商业来源获得的（见 材料表）。

1. 设置跑道

1. 设置跑道，使动物只能向一个方向移动。使用门和舱口防止动物后退。跑道的平面图如图 1 所示，跑道示例如图 2 所示。
2. 确保跑步机（见 材料表）有足够的空间来改变倾斜度。
3. 确保跑步机的宽度可调，以防止动物在跑步过程中转动。
4. 使用透明塑料制作跑步机的前壁。这可以防止动物从跑步机上跑开，但仍然允许动物透过墙壁看到。
   注意:动物必须能够透过前墙看到，因为我们的经验表明，如果猪看到墙的另一侧的猪同伴，它们就会更有动力奔跑。
5. 将心电监护仪和除颤器（见 材料表）放在跑步机旁边。
   注意:在压力测试期间可能发生致命的心律失常，特别是如果猪有心肌缺血^14,15,16。
6. 确保跑道包括一个饮水点，动物可以在跑步后喝水和降温。

2.猪在试验前的适应期

1. 在开始实验之前，将动物安置2周。
2. 在适应环境的第一周，确保动物习惯他们的处理者和新的住房环境，不包括跑道。
3. 在适应期的第二周，确保动物习惯跑道。
4. 开始习惯，让动物熟悉跑道。首先，保持所有大门打开，以便动物可以在赛道上自由行走并探索环境。
5. 当动物对赛道比较熟悉时，打开跑步机，让动物一次跑一小段时间，比如7分钟。运行时间的长度必须每天延长。
   注意:记得在适应期间奖励动物。例如，在本研究中，猪获得了无盐爆米花的奖励。

3.运动试验

注意:猪应在运动测试前至少 2 小时禁食或在跑步前只喂一小部分食物。

1. 打开跑步机并将坡度设置为5%-10%。
2. 一旦动物在跑步机上，以 2 公里/小时的启动速度启动跑步机。
3. 每 60 秒将速度提高 0.5 公里/小时，直到达到 5 公里/小时。总运行时间为15分钟。
4. 如果动物无法以最大速度全程奔跑，请执行以下步骤。
   1. 如果猪没有跑到选定的速度，从后面轻轻地推它，因为这可能会给动物一种感觉，它需要跑得更快而不会减速。
   2. 尝试轻轻推动动物最多三次;之后，一次将速度减慢 0.5 公里/小时，直到猪能够处理速度。不要减速到2公里/小时以下。
   3. 如果动物即使以低速也拒绝跑步，请关闭跑步机并停止测试。

4. 运动测试期间的心电图监测

1. 将心电图电极（见 材料表）放置在跑步过程中运动最小的解剖位置，例如肩胛骨或胸部。
   注意:使用专为运动测试设计的心电图电极，以获得更好的皮肤粘附。请记住从放置ECG电极的区域剃掉头发。
2. 记录跑步过程中的心率变化。
   注意:我们的经验表明，ST段分析通常由于移动和其他伪影而变得复杂。节律监测也可以使用植入式循环记录器或起搏器来完成。

5. 数据收集

1. 记录每次更改速度时的运行距离、总时间和速度。
   注意:现代跑步机可能会收集许多其他数据，因此必须熟悉跑步机手册以充分发挥设备的潜力。
2. 注意动物行为的可能变化，例如跛行。
   注意:如果需要，请联系兽医并确保动物接受必要的镇痛。将动物从未来的锻炼中移开，直到它完全恢复。

6. 术后护理

1. 确保动物可以进入供水点。
2. 例如，用零食或玩具奖励动物。
3. 跑步后监测动物30分钟是否有可能的不良反应。

结果

必须具有与大型动物合作的经验才能成功使用此协议。研究人员需要能够评估动物是否由于疲劳或缺乏动力而停止奔跑。记录速度和距离可能有助于评估这一点，像往常一样，缺乏动力的动物完全停止奔跑，而疲劳的动物在放慢速度后继续奔跑（图3）。如有必要，如果结果似乎不可靠，可以在第二天重复该方案。

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讨论

这种大型动物运动试验模仿了临床中使用的试验，缩小了临床前研究和临床试验之间终点的差距。它可用于评估严重心血管疾病的新疗法的疗效，例如闭塞性动脉硬化，心力衰竭和缺血性心脏病。本协议中应用的时间点可能因测试的治疗而异。该方案已基于与大型动物合作的长期经验进行标准化，可用于评估心血管基因治疗和其他新型治疗方法的安全性和有效性。

猪的心脏?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Defibrillator	Zoll M series	TO9K116790	All portable defribrillators will work
Defibrillator pads	Philips	M3713A	All pads work, as long as the pads are compatible with the defibrillator
ECG electrodes	Several providers		Prefer ECG electrodes designed for exercise tests
Loop recorder	Abbott Oy	DM3500	Optional for rhythm monitoring
Patient monitor	Schiller Argus LCM Plus	7,80,05,935	All portable ecg monitors will work
Pigs	Emolandia Oy
Treadmill	NordicTrack		All treadmills with adjustable incline and speed are suitable for the exercise test.  The treadmill should be as long and wide as possible.
Ultrasound system	Philips EPIQ 7 ultrasound
Various building materials	Several providers		For building fences, ramps and gates according to the Figure 1 and Figure 2
Various treats for the animals