ÖZET
Kardiyovasküler hastalıklar dünya genelinde mortalitenin ve morbiditenin önde gelen nedenidir ve küresel sağlık yükünün büyük kısmını oluşturmaktadır. Erken tanı ve tedavi hastalıkların seyrinde önemli olduğundan, tanı ve tedavi alternatiflerini geliştirmek üzere çok sayıda klinik öncesi çalışma yapılmaktadır. Preklinik çalışmalarda, cerrahi yöntemler, ya da kardiyovasküler sisteme toksik ajanlar ile küçük veya büyük hayvanlar kullanılarak kardiyovasküler modeller oluşturulmaktadır. Görüntüleme bu modellerin vazgeçilmezidir. Hayvan modellerini görüntüleme, biyolojik yapıyı değerlendirmek için in vivo invazif olmayan bir yol sağlar, görüntülemede sintigrafik yöntemler ve pozitron emisyon tomografi sıklıkla kullanılmaktadır.
Giriş
Kardiyovasküler (KDV) hastalıklar mortalitenin ve morbiditenin önde gelen nedenidir ve küresel sağlık yükünün büyük kısmını oluşturmaktadır. Miyokard infarktüsü (MI) sıklıkla aterosklerotik plak ve sonrasında trombüs oluşumu ile koroner damarların oklüzyonuna bağlı uzamış iskemi (>20 min) sonucu kalp dokusunun ölümüdür (1). Akut veya tekrarlayan MI, uzun süreli hipertansiyon, kapak hastalığı, onkolojik hastalıkların tedavisine bağlı toksite ya da kardiyomiyopatilere bağlı kalp yetmezliği gelişebilir. Erken tanı ve tedavi KDV hastalıkların seyrinde oldukça önemlidir.
Elektrokardiyografi, üç boyutlu ekokardiyografi, miyokard perfüzyon sintigrafisi ve diğer stres testleri, çok kesitli bilgisayarlı tomografi, manyetik rezonans (MR) KDV sistemi ayrıntılı değerlendirmeye izin verir. Bu yöntemler koroner arter stenozu, kardiyak dilatasyon ve hipertrofi, aritmiler, perfüzyon defektleri, bozulmuş kontraktil fonksiyon gibi morfolojik ve/veya fonksiyonel bilgi verir. Ancak ilgili hastalıkların altta yatan hücresel nedenlerini ve moleküler patofizyolojisini değerlendiremez. Öte yandan genetik tarama, transgenik hayvan modellerinin geliştirilmesi ve uygulanması ile KDV hastalıkların moleküler temeline dair önemli yeni bilgiler elde edilmiştir (2).
Görüntüleme klinik uygulamanın vazgeçilmezidir. Klinikteki yerine ek olarak, deney hayvanlarında görüntüleme, biyolojik yapıyı değerlendirmek için in vivo invazif olmayan bir yol sağlar, normal ve hastalıklı dokular üzerinde kantitatif, uzaysal ve zamansal olarak indekslenmiş bilgiler verir. En önemlisi, invaziv olmaması nedeniyle, görüntüleme, başlangıçtan itibaren, hastalık sürecinin tüm doğal seyrini değerlendirmeye, tedavinin ya da diğer müdahalelerin etkinliğinin izlenmesine olanak sağlar. Hayvan modellerinde oluşturulacak hastalığın mutlaka insanda gözlenen hastalığın fonksiyonel ve yapısal özelliklerine yakın benzerlik göstermesi gerekmektedir. Hastalıkların etiyolojisi, oluşturulacak hayvan modellerinin en önemli ipuçlarını taşımaktadır (3).
Kardiyovasküler Modeller
KDV hastalıkları değerlendirmede küçük kemiriciler (sıçan, fare, tavşan) ve büyük hayvan modelleri (köpek, domuz, koyun) kullanılmaktadır.
KDV hastalıkları modellemede bazı avantajlarından dolayı sıçanlar en çok tercih edilen hayvan modelidir. Barınacak yer ve bakımları büyük hayvanlara göre ucuzdur ve istatistiksel analiz açısından daha fazla sayıda denek kullanımına fırsatı tanır. Sıçanların kardiyak fonksiyon testlerinin değerlendirilmesi, açık kalp ameliyat prosedürünün geliştirilmesi farelere kıyasla daha kolaydır. Ayrıca sıçanların kalp kütlesi fare kalp kütlesine oranla 10 kat daha fazladır bu da postmortem histolojik ve moleküler değerlendirmede kolaylık sağlar. Sıçan modelleri kalp hastalıklarının tedavisi için potansiyel yeni farmakolojik ya da moleküler ajanların keşfi için kullanılırken, fare modelleri önemli gen ya da protein hedeflemeleri ile moleküler veya farmakolojik tedavi yolaklarının keşfinde kullanılmaktadır (3,4).
KDV biyolojinin moleküler ve hücresel özellikleri küçük hayvan modelleri özellikle de fare modelleri ile açığa çıkarılmıştır. Ancak fareler ile insanlar arasında kalp açısından önemli karakteristik farklılıklar olduğu bilinmektedir. Bu nedenle büyük hayvan modelleri, özellikle de insanla olan fizyolojik yakınlıklarından, fonksiyon ve anatomik benzerliklerinden dolayı önemli bir yer tutmaktadır (5,6,7).
MI ve Kalp Yetmezliği Modelleri
KDV kaynaklı ölümlerin en sık nedeni koroner kalp hastalıklarıdır. Tanı ve tedavideki gelişmeler akut koroner sendromlu ve MI’lı hastaların hayatta kalmasını sağlamakta ancak, bu hastalarda kalp yetmezliğinin (KY) ilerlemesi kaçınılmaz bir şekilde devam etmektedir. Koroner kalp hastalıklarına bağlı KY’nin engellenmesi ve daha efektif bir şekilde yönetilmesi için bu hastalıkların zemininde yatan patofizyolojik mekanizmaların anlaşılması ve bunların doğrultusunda yeni terapötik yaklaşımların geliştirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle de hayvan modelleri kullanılmaktadır.
Akut ve kronik MI modelleri cerrahi veya farmakolojik olarak oluşturulabilir.
Cerrahi MI Modelleri: Koroner arter ligasyonu (bağlama), kriyonekrozis yöntemi, koroner arter embolizasyonu, hidrolik occluder ve ameroid konstriktör, Coiling/Gelfoam yöntemi, koterizasyon yöntemleri cerrahi MI modellerinde kullanılmaktadır (3,8).
MI İndüklemesi: İsoproterenol, adriamisin (doksarubusin) gibi kardiyak toksite oluşturan ajanlar MI’yı indüklemede kullanılmaktadır (3). İsoproterenol, sentetik bir sempatomimetik katekolamindir. Yapı olarak adrenaline çok benzemekle beraber sadece β1 ve β2 reseptörlerini uyarır ve α reseptörlerini hiç etkilemez. Sıçanlarda deneysel olarak MI oluşturmak için ilk ve yaygın olarak kullanılan ajandır (9,10). İsoproterenol, kalp kasının infarktüs benzeri nekrozuna neden olur (Resim 1). Bu nekroz membran geçirgenliğinin değişmesine yol açarak miyokard membran bütünlüğünün ve fonksiyonunun kaybına yol açar. İsoproterenol tarafından oluşturulan MI sonrası sıçan kalbinde oluşan patofizyolojik değişiklikler, insanlarda MI sonrası oluşan değişikliklere benzerlik göstermektedir (11,12).
Kardiyak toksite oluşturan diğer bir ajan adriamisindir (doksarubusin) konjestif KY ve ölüme neden olabilmektedir. Adriamisin uygulanan sıçanlar genellikle kardiyotoksisitenin mekanizmasının anlaşılması ve önlenmesine yönelik araştırmalarda kullanılırlar. Sıçanlara 12 hafta boyunca 2 mg/kg/hafta şeklinde uygulanan adriamisin, kan basıncının ve kardiyak out-put’un azalmasına, plevral effüzyon, asit ve karaciğer konjesyonu gelişmesine neden olur. Bu modelin avantajı basit, noninvaziv, ekonomik olması ve çabuk gelişmesidir. Ayrıca, adriamisin toksitesinin anlaşılması için de uygun bir modeldir. Fakat kronik hipertrofinin neden olduğu dekompanse KY mekanizmalarının anlaşılmasına ve önlenmesine yönelik araştırmalar için aynı uygunluk söz konusu değildir (4).
Kalp Yetmezliği Modelleri
1. Miyokardiyal iskemi ile indüklenen KY modelleri: Koroner arter ligasyonu ve embolizasyonu ile oluşturulan modellerdir (13).
2. Taşikardi ile indüklenen KY modeli: Hızlı atriyal veya ventriküler kalp pili ile taşikardi sonucu yetmezlik oluşturulur. Bu modelde teknik zorluklar nedeniyle genellikle küçük hayvanlardan çok büyük hayvanlar kullanılır (14,15).
3. Basınç yükü ve volüm yükü ile oluşturulan KY modelleri: Aort kapak darlığı ile basınç yükü, mitral kapak yetmezliği ile hacim yükü oluşturulan modellerdir. Kedi, köpek, koyun ve domuz gibi büyük hayvanlarda supravalvuler pozisyonda aort darlığı, fare gibi küçük hayvanlarda transvers aortik darlık ile KY modelleri oluşturulmuştur. Köpeklerde korda tendineaların kesilmesiya da beta adrenarjik ve anjiotensin II yolakları ile mitral yetmezlik ve KY oluşturulmuştur (16,17).
4. Dilate, restriktif kardiyomiyopati ve hipertansiyon ile oluşturulan KY modeleri: Dilate kardiyomiyopati ventriküler dilatasyon, sistolik disfonksiyon, diyastolik dolum anormallikleri ile karakterizedir. En önemli yapısal değişiklik miyosit uzunluğunda ve genişliğinde artıştır. Ayrıca intertisiyel fibrozis, ekstrasellüler matrikste azalma, progresif miyosit ölümü ve kapiller yoğunluğunda azalma saptanır. Küçük ve büyük hayvanlarda koroner arter ligasyonu veya hasarı gibi cerrahi yöntemler ile iskemik yolla ya da, toksik ajanlar (isoproterenol, doxorubicin) ile kardiyomiyopati oluşturulabilir. Yaşlandıkça, ya da bazı durumlarda genetik olarak spontan kardiyomiyopati gelişen spontan hipertansif sıçanlar kullanılarak kardiyomiyopati modelleri kullanılabilir (13,17,18,19).
Restriktif kardiyomiyopati diyastolik basınçların ciddi şekilde yükseldiği, önemli biatriyal dilatasyonun ve sonrasında ventriküler kontraktilitenin bozularak KY’nin geliştiği önemli bir patolojidir. Genelde son dönemlere kadar ejeksiyon fraksiyonunda azalma görülmez. Normal veya azalmış ventrikül hacimlerine rağmen ciddi biatriyal dilatasyon görülmesi tipiktir. Sarkoidoz, eozinofilik kardiyomiyopati, endomiyokardiyal fibrosis, skleroderma, radyasyon fibrozisi, amiloidoz, hemakromatozis ve idiopatik nedenler ile ilişkili olabilir. Restriktif kardiyomiyopati çalışmalarında bu hastalıkların modelleri kullanılmıştır (13,17).
Kardiyovasküler Model Görüntüleme
Küçük hayvan görüntüleme, temel ve translasyonel KDV araştırmalarının farklı alanlarında sıklıkla kullanılmaktadır. İnsan KDV hastalıklarını taklit eden genetik veya cerrahi fare modellerini karakterize etmek, yeni ve mevcut hayvan modellerinin fenotiplendirilmesi amacı ile kullanılır. İlaç tedavisi, cerrahi müdahale, gen tedavisi, kök hücre tedavisi gibi girişimsel yöntemler ile oluşturulan morfolojik, fonksiyonel ve moleküler değişiklikleri izlemek için de görüntüleme yöntemleri kullanılmaktadır. Seri noninvaziv görüntüleme çalışmaları ile bireyin kendi içindeki değişikliklerin değerlendirilmesine izin verir. Preklinik çalışmalarda küçük hayvan görüntüleme modaliteleri kullanılarak ve geliştirilerek klinik görüntülemeye taşınır. Bu özellikle moleküler görüntüleme için yeni görüntüleme problarını test ederken yararlıdır (kontrast ajanlar, radyofarmasötik, optik boyalar vb.) (2).
İnsanda modellemede KDV hastalıkları taklit eden uygun hayvan modelleri kullanılmalıdır. Çeşitli hayvan modelleri kullanılabilir. Büyük hayvanlardan domuz klasik olarak MI da araştırmalarda sıklıkla kullanılsa da MI ve ateroskleroz modellerinde küçük hayvanlar da kullanılmış ve kullanılmaktadır (3).
Gelişmeler ve moleküler görüntülemenin gündeme gelmesi ile nükleer tıbbın konvansiyonel fonksiyonel görüntüleme yöntemi olan sintigrafi son yıllarda tekrar ilgi görmüştür. Tüm in vivo görüntüleme modaliteleri içerisinde floresan optik görüntüleme ile birlikte sintigrafi en yüksek moleküler duyarlılığı sağlar. Sintigrafik yöntemlerin duyarlılığı hedefe duyarlı ligandlara etkili, eser miktarda radyofarmasötik enjeksiyonuna dayanır. Sintigrafik ve moleküler görüntüleme ile ejeksiyon fraksiyonu, bölgesel duvar hareketleri, perfüzyon, viabilite, oksijen tüketimi, glikoz ve yağ asidi metabolizması değerlendirilebilir. Ayrıca koroner arterlerin fonksiyonları, iskemi, infarkt ve ateroskleroz gibi ilişkili hastalıklar araştırılabilir (2).
Dedektör teknolojisindeki önemli gelişmeler sayesinde klinikte kullandığımız cihazlar dışında preklinik çalışmalarda küçük objeleri (örneğin fare kalbi gibi) görüntülemede yüksek rezolüsyon ve çözünürlükte tek foton emisyon bilgisayarlı tomografi (SPECT) ve pozitron emisyon tomografi (PET) (small animal SPECT/PET, microSPECT/PET) cihazları tasarlanmış ve kullanıma girmiştir. Pinhol görüntüleme kullanılarak geliştirilen small animal SPECT ile fare gibi küçük hayvanlarda papiller kas da dahil kalbin radyofarmasötik tutulumunu görüntüleme imkanı sağlar. Small animal SPECT’in diğer bir avantajı, farklı enerjide çoklu radyofarmasötik aynı anda kullanılarak görüntüleme sağlanır. Mevcut small animal PET sistemlerinde uzaysal rezolüsyon 1,5 mm’dir. PET’in başlıca avantajları çoğu fizyolojik ve biyokimyasal belirteç olan pozitron yayıcı radyonüklidlerin dedeksiyon gücünün yüksek olmasıdır (20).
Küçük hayvanlarda SPECT ve PET görüntülemenin ilk ve en sık kullanım alanı miyokard perfüzyon ve metabolizma görüntülemedir. Çalışmalarda en sık perfüzyon ajanları kullanılmaktadır (Resim 2). İkinci sıklıkda kullanılan, PET ajanı olan F-18 fluorodeoksiglikozdur (F-18-FDG). Bazı çalışmalarda kombine yöntemler kullanılmıştır.
Sıçan ve farelerde pek çok çalışmada Tc-99m ile işaretli perfüzyon ajanları ile Pinhol SPECT görüntüleme yapılmış, küçük hayvan kalbinde yüksek kalitede perfüzyon görüntüleri elde edilmiş ve in vivo değerlendirmede mükemmel sonuçlara ulaşılmıştır (21,22).
Acton ve ark. sıçanlarda 45 dakika sol anterior desenden arter ligasyonu ile MI modeli oluşturmuşlar, ligasyondan 1 ve 6 saat sonra Tc-99m-sestamibi pinhol SPECT görüntüleme ile perfüzyonu değerlendirmişlerdir (23). Stegger ve ark. sol anterior desenden arter ligasyonu ile farelerde transmural-nontransmural MI modeli oluşturarak PET’de enfarkt alanında canlı dokuyu kolayca ayırt etmişlerdir (24).
20. yy’ın sonlarında küçük hayvan PET sistemlerinin gelişmesi ve rezolüsyonun iyileşmesi ile sıçanlarda sonrasında farelerde PET’de küçük hayvan kalbinde glukoz kullanımını, perfüzyon ve metabolizmayı değerlendiren çalışmalar yapılmıştır. N13H3 amonyak PET görüntüleme miyokardiyal perfüzyonu özellikle miyokardiyal perfüzyona etkili ilaçları değerlendirmede kullanılmıştır (25,26). Sıçanlarda ve farelerde infarkt boyutunu ölçmek ve metabolik olarak değerlendirmek için F-18-FDG PET ile yapılan pek çok çalışma bulunmaktadır. Sonuçlar MR ile ve/veya histopatolojik olarak doğrulanmıştır (24,27). Shoghi ve ark.’nın yaptıkları çalışmada diyabetik yağlı sıçanlarda miyokardın glukozu yağsız yavrulara göre daha az kullandıklarını göstermişlerdir (28). Yeni PET ajanlarının gelişmesi ile miyokardiyal mertabolizmayı değerlendirmede farklı ajanlar karşılaştırılmıştır. Herrero ve ark. sıçanlarda C11 asetat ve H2O15 su kullanarak mikro PET ile miyokardiyal kan akımını kantitatif değerlendirmişlerdir (29). Welch ve ark. diyabetik sıçanlarda 1-O15-su, 1-C11-glikoz, 1-C11-asetat, 1-C11-palmitat ile miyokardiyal kan akımını ve metabolizmayı değerlendirmişler ve tip 2 DM’de erken metabolik anormalikler bu ajanlar ile PET de gösterilmiştir (30). Higuchi ve ark. sıçanlarda yaptıkları akut iskemi-reperfüzyon çalışmasında I-125-15-(p-iodophenyl)-3-R,S-methyl penta decanoic acid (BMIPP), Tl201, Tc-99m sestamibi kullanarak 3 ajan ile otoradyografik değerlendirme yapmıştır (31).
KDV alanda hücresel ve moleküler gelişmeler oldukça ilerlemiştir. Miyokardiyal innervasyon, apoptosis, anjiyogenezis, ateroskleozda vasküler enflamasyon, gen taşıyıcı görüntüleme, kök hücre takibi small animal SPECT ve PET görüntüleme ile yapılmaktadır (32,33,34,35,36).
Preklinik small animal SPECT/MR, PET/MR gibi füzyon yöntemler araştırma ve gelişme aşamasındadır. Bu sayede hem damarların hem, miyokardın moleküler görüntülemesi sağlanacaktır (37).
Sekonder Lenfödem Modelleri
Lenfödem, lenfatik alım ve/veya akımdaki kusurlardan dolayı doku sıvısı dengesinin yaygın bir şekilde bozulduğu vasküler bir patolojidir. Mikrosirkülasyondaki bozukluklar, sıklığına rağmen hala bir tedavisi olmayan ortak bir patolojik durum olan sekonder lenfödeme yol açabilir. İlk başarılı lenfödem modeli 1968’de bildirilmiştir. Bu buluş, hem yüzeysel hem de derin lenfatikler etki etmek için bir köpeğin arka bacağında cerrahi olarak oluşturulmuştur. Kolay ulaşılabilir, ucuz ve uygulanabilir bir hayvan modeli oluşturmak için bu strateji tavşanlara ve kemirgenlere modifiye edilmiştir. Günümüzde, kemirgenler lenfatik araştırmalarda en yaygın olarak kullanılan hayvan modelleridir ve yayınlanmış modellerin yaklaşık %80’ini oluşturmaktadır. Görüntüleme sistemleri için en uygun model fare veya sıçan kuyruğunda oluşturulan cerrahi lenfödem modelidir (38).
Sıçan ve farede kuyrukta lenfödem modeli cerrahi olarak kolay uygulanabilir bir modeldir. Trakya Üniversitesi Tıp Fakültesi Deney Hayvanları Birimi’nde Wistar albino veya Sprague Dawley sıçanlarda uygulama yapılarak farklı soylarda model oluştuğu testedilmiştir. Fare (BALB/c) modeli de benzer teknikle uygulanır. Anestezi uygulamasını takiben dermal lenfatik damarları kesmek için kuyruk tabanına yakın dermis boyunca çevresel bir kesi yapılır. Bu insizyonun kenarları daha sonra koterize edilerek derideki derin lenfatikler bozulur, yüzeysel kanama kontrolü sağlandıktan sonra yara temiz pansuman ile açık iyileşmeye bırakılır. Yaranın kapanmasını geciktirmek için fare ve sıçanlarda 2-3 mm’lik bir doku boşluğu oluşturulur (Resim 3). Belli başlı kan damarlarının ve tendonların bütünlüğünün korunmasına özen gösterilmelidir, böylece kesikten sonraki distal kuyruk alanı nekrozdan korunur. Lenfödem 1. haftada oluşmaya başlar ve 15. günden sonra iyileşmesini tamamlayarak kısmen ödem çözülmeye başlar. Eğer bir görüntüleme çalışması planlanacaksa cerrahiyi takiben 2 hafta tamamlandığında görüntüleme için en uygun dönemdir.
Sonuç olarak, önemli mortalite nedenlerinden olan KDV hastalıkların, erken tanı ve tedavisi hastalığın seyrinde oldukça önemlidir. Tanı ve tedavi alternatiflerini geliştirmek üzere çok sayıda klinik öncesi çalışma yapılmaktadır. Preklinik çalışmalarda küçük ve büyük hayvan modelleri kullanılmaktadır. Bu modelleri görüntülemede nükleer tıp yöntemleri önemli yer tutmaktadır.
Finansal Destek: Yazarlar tarafından finansal destek alınmadığı bildirilmiştir.