Test da sforzo massimale graduato per topi da laboratorio (GXTₘ)

Simulazione di varie caratteristiche della malattia umana per supportare lo sviluppo di farmaci

Introduzione

Questo articolo introduce un metodo di Graded Maximal Exercise Test (GXTₘ) per valutare i fenotipi metabolici cardiovascolari nei topi, utilizzando un treadmill metabolico animale per valutare la salute cardiovascolare. Il metodo prevede l'aumento progressivo del carico di esercizio per simulare i test di esercizio massimale umano (ad esempio, tapis roulant o ciclismo ergometrico), consentendo una valutazione completa della funzione cardiovascolare nei topi.

1. Obiettivo della ricerca:

Ricerca sulle malattie cardiovascolari: L'aumento dei tassi di obesità aumenta il rischio di malattie cardiovascolari. Gli studi sull'uomo utilizzano spesso test di esercizio massimale graduato (GXT) per valutare la funzione cardiovascolare (CVF) e diagnosticare le malattie, ma mancano test di esercizio standardizzati e parametri sufficienti per i topi.

Studi sulla funzione cardiovascolare: I modelli di topo sono fondamentali per la ricerca sulle malattie cardiovascolari e sono necessari metodi affidabili per valutare la CVF nei topi.

Creazione di modelli animali: Modelli come i topi obesi e i topi aterosclerotici (ad esempio, topi APOE knockout e LDLR knockout) sono fondamentali per studiare i meccanismi delle malattie correlate all'uomo.

Simulare le caratteristiche della malattia umana: Ad esempio, i topi LDLR knockout modellano le caratteristiche cliniche dell'ipercolesterolemia familiare, compresi i danni alla valvola aortica e alla radice aortica, il che aiuta a esplorare la relazione tra aterosclerosi e diabete.

Individuazione di potenziali malattie cardiache: La GXTₘ può aiutare a rilevare problemi cardiaci latenti nei topi, in modo simile a come i test con tapis roulant sull'uomo rilevano potenziali malattie cardiovascolari.

Valutazione dell'efficacia dei farmaci: Questo metodo consente di valutare l'efficacia dei farmaci per il trattamento delle malattie cardiovascolari. Ad esempio, la terapia genica che utilizza il virus AAV9 per l'espressione epato-specifica di LDLR nei topi mostra un parziale ripristino della funzione di LDLR, convalidando l'effetto della terapia.

Guida alle decisioni terapeutiche: Sulla base dei risultati dei test, è possibile elaborare piani di trattamento più personalizzati, tra cui la terapia farmacologica, la riabilitazione con l'esercizio fisico o altri interventi.

Comprendere la progressione della malattia: L'osservazione dei cambiamenti dei parametri durante i test di esercizio in diversi modelli murini aiuta a comprendere la progressione della malattia, offrendo spunti per la ricerca sulle malattie umane.

Screening dei target terapeutici: I modelli murini modificati geneticamente rivelano potenziali bersagli terapeutici, come i geni legati all'obesità e ad altre malattie, che possono essere ulteriormente convalidati in studi successivi.

Ricerca sulle malattie metaboliche: Il GXTₘ aiuta a studiare i meccanismi e i metodi di trattamento delle malattie metaboliche cardiovascolari come l'obesità, il diabete, i disturbi del metabolismo cardiaco, l'iperlipidemia, l'aterosclerosi e l'ipertensione.

2. Metodi di ricerca:

Test da sforzo massimale graduato (GXTₘ): La velocità e l'inclinazione del tapis roulant vengono aumentate progressivamente, con parametri quali la velocità, la durata e l'inclinazione (ad esempio, velocità 0m/min per 3 minuti a 0° di inclinazione, poi 6m/min per 2 minuti a 0° e 9m/min per 2 minuti a 5°) fino all'esaurimento (definito come contatto continuo del topo con la griglia elettrificata per 5 secondi). All'esaurimento, il VO₂ raggiunge il suo picco (VO₂max) e vengono misurati parametri quali RER, velocità massima di corsa e livelli di lattato prima e dopo il test.

Test da sforzo massimale progressivo (PXTₘ): La pendenza del tapis roulant è fissata a 0° e la velocità viene aumentata progressivamente fino all'esaurimento. Il lattato viene misurato prima e dopo il test.

Soggetti: Topi maschi C57BL/6J (WT), FVBN/J, C57BL/6J obesi (indotti dalla dieta) e Casq2 (carenza di troponina C cardiaca), di età compresa tra 4 e 6 mesi, alloggiati con un ciclo di luce/buio di 12 ore e alimentati con una dieta standard.

Calibrazione dell'apparecchiatura: Il software del tapis roulant per il metabolismo energetico e il sistema di analisi dei gas vengono calibrati prima del test, regolando parametri come la pressione e il flusso e calibrando le concentrazioni di gas per garantire misurazioni accurate del consumo di ossigeno (VO₂), della produzione di anidride carbonica (VCO₂) e del rapporto di scambio respiratorio (RER).

3. Risultati della ricerca:

Caratteristiche del test GXTₘ: Grazie al confronto con i test GXT umani, il metodo GXTₘ è stato progettato per tenere conto delle differenze fisiologiche dei topi, inducendo il VO₂max e generando variabili comparabili come la soglia anaerobica (AT), il punto di crossover metabolico e le variazioni di lattato. Il GXTₘ dura 8-12,5 minuti, mentre il PXTₘ dura 20-29 minuti (escluso il riscaldamento).

Sensibilità alla disfunzione cardiovascolare: Il GXTₘ rileva cambiamenti nel VO₂max, nel tempo di esaurimento, nella velocità massima di corsa e nell'AT in modelli di topi disfunzionali, indicando una compromissione cardiovascolare, mentre il PXTₘ è meno sensibile in questi aspetti. Ad esempio, i topi Casq2 e obesi hanno mostrato diminuzioni significative del VO₂max, del tempo di esaurimento e della velocità di corsa nella GXTₘ, ma nessun cambiamento significativo nella PXTₘ.

Cambiamenti nell'utilizzo dei substrati: La GXTₘ identifica il punto di crossover per l'utilizzo del carburante dai grassi ai carboidrati e, nei modelli di topi disfunzionali, i tempi e i tassi di ossidazione dei carboidrati differiscono dai topi sani. Il PXTₘ è meno efficace nel determinare il punto di crossover.

4. Discussione:

Considerazioni sulla progettazione della GXTₘ: Il progetto della GXTₘ segue i principi della GXT umana, adattata alle attrezzature e alle differenze fisiologiche dei topi. Nonostante alcune limitazioni dei test sui topi, questo metodo induce con successo il VO₂max e genera dati comparabili.

Valore della determinazione della soglia anaerobica: Il PXTₘ è troppo lungo per stimolare efficacemente il sistema cardiovascolare e non può determinare l'AT. Al contrario, la GXTₘ è in grado di identificare l'AT attraverso la RER, fornendo un marcatore sensibile per la valutazione della CVF nei topi, con importanti applicazioni cliniche e di sperimentazione.

Punto di crossover metabolico: La GXTₘ aiuta a identificare il punto di crossover metabolico, che riflette i cambiamenti nell'utilizzo del substrato combustibile con l'intensità dell'esercizio, e può servire come parametro supplementare per valutare la CVF nei modelli di disfunzione cardiovascolare.

Valutazione standardizzata della funzione cardiovascolare: Il GXTₘ fornisce un metodo non invasivo ed economico per valutare i fenotipi metabolici cardiovascolari nei topi ed è vantaggioso rispetto ad altri metodi di analisi cardiaca.

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