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Questo protocollo descrive un metodo semplice per la creazione di filamenti rivestiti per il modello di occlusione dell'arteria cerebrale media (MCAO) nei topi utilizzando silicone, suture di nylon e aghi per siringa. Questo metodo consente la produzione di filamenti con un diametro costante e varie lunghezze di avvolgimento del silicone su misura per le esigenze sperimentali.
Con l'invecchiamento della popolazione globale, l'ictus ischemico è diventato la seconda causa di disabilità e mortalità in tutto il mondo, ponendo un onere immenso sia sulla società che sulle famiglie. Sebbene trattamenti come la trombolisi endovenosa e gli interventi endovascolari possano migliorare sostanzialmente gli esiti per i pazienti con ictus ischemico acuto, solo una piccola percentuale di individui beneficia di queste terapie. Per far progredire la nostra comprensione della malattia e scoprire trattamenti più efficaci, i ricercatori sviluppano e perfezionano continuamente modelli animali. Tra questi, il modello di occlusione dell'arteria cerebrale media (MCAO) si distingue come il modello più comunemente utilizzato nella ricerca sulle malattie cerebrovascolari. Il filamento utilizzato in questo modello è fondamentale per il suo sviluppo. Questo protocollo delinea un metodo per creare filamenti con diametri coerenti e lunghezze variabili di rivestimento in silicone. Il modello MCAO prodotto utilizzando questo metodo nei topi C57 ha dimostrato un elevato successo e coerenza, offrendo uno strumento prezioso per indagini su misura nelle malattie cerebrovascolari ischemiche.
L'ictus è una delle cause più diffuse di mortalità e disabilità in tutto il mondo. Gli ictus ischemici ed emorragici sono i principali tipi di evento cerebrovascolare, con ictus ischemici che rappresentano circa l'87% dei casi 1,2,3. Attualmente, esistono due modalità di trattamento per i pazienti con ictus ischemico: terapia farmacologica con attivatore tissutale ricombinante del plasminogeno (rtPA) e trombectomia meccanica. Tuttavia, la finestra terapeutica ristretta e gli ampi criteri di esclusione limitano l'applicazione di questi trattamenti, a beneficio solo di una minoranza di pazienti. Ciò sottolinea la necessità di continuare gli sforzi per migliorare le terapie per l'ictus ischemico 4,5. I modelli in vitro sono inadeguati per replicare le complesse risposte fisiopatologiche a seguito di un ictus, rendendo i modelli animali una componente indispensabile della ricerca preclinica sull'ictus. L'ischemia cerebrale focale umana è più frequentemente causata dall'occlusione trombotica o embolica dell'arteria cerebrale media (MCA), il che rende altamente rilevanti i modelli di roditori progettati per simulare l'occlusione MCA (MCAO)6.
Il modello MCAO indotto da filamenti, il più ampiamente adottato nella ricerca sull'ictus, facilita l'occlusione all'inizio dell'arteria cerebrale media (MCA) e la successiva riperfusione, portando a estese infarti nelle aree sottocorticali e corticali del cervello. Il vantaggio di questo modello risiede nella sua capacità di ripristinare il flusso sanguigno dopo aver indotto un'ischemia focale, parallelamente ai processi fisiopatologici osservati nell'ictus umano7. Inoltre, il modello simula il danno da riperfusione, un fattore critico nell'entità del danno8. Tuttavia, il modello MCAO presenta dei limiti, tra cui la variabilità del volume dell'infarto, con la deviazione standard che in alcuni studi raggiunge potenzialmente il 64% del valore medio9. Nonostante oltre tre decenni di utilizzo, gli sforzi per migliorare l'affidabilità del modello sono in corso, ma persistono variazioni significative nel volume delle lesioni ischemiche negli studi e nei laboratori 10,11,12.
Questo articolo introduce un filamento autoprodotto per l'induzione di modelli che valutano i punteggi di deficit neurologico e le aree di infarto cerebrale. Esamina la correlazione tra le lunghezze dei filamenti rivestiti di silicone e il successo e la stabilità del modello MCAO. Questa tecnica di produzione produce filamenti con una consistenza encomiabile, contribuendo allo sviluppo di un modello MCAO relativamente stabile.
Tutte le procedure per gli animali hanno aderito alle procedure sperimentali e agli standard approvati dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali dell'Ospedale Provinciale del Popolo dello Shanxi (numero di approvazione: 2024 Comitato Etico Medico Provinciale n. 64). I topi utilizzati in questo esperimento erano topi maschi C57BL/6, di 8-10 settimane, del peso di 24-26 g. I dettagli dei reagenti e delle attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei materiali.
1. Preparazione del filamento
2. Modello MCAO
NOTA: Gli strumenti chirurgici sono stati sterilizzati in autoclave (121 °C a 15 psi per 60 minuti). Il tavolo operatorio e le altre attrezzature sono state sanificate utilizzando etanolo al 75%. I topi sono stati digiunati per 8 ore prima dell'intervento, ma è stato loro permesso di accedere liberamente all'acqua.
3. Operazione fittizia
4. Punteggio neurologico
5. Perfusione transcardiaca
6. Valutazione del volume dell'infarto mediante colorazione TTC
Nella creazione del modello MCAO, gli strumenti principali utilizzati per fabbricare i filamenti e i filamenti finiti sono mostrati nella Figura 3. Dopo la produzione del filamento, il modello MCAO viene stabilito inserendo il filamento attraverso l'arteria carotide esterna, con la durata dell'operazione registrata. Il successo della modellazione è definito da un punteggio Longa di 1-3 4 ore dopo il ritiro del filamento. Il peso corporeo viene monitorato quotidianamente dopo l'operazione. I deficit neurologici vengono valutati utilizzando punteggi di gravità neurologica modificati (mNSS) a 24 ore e 72 ore dopo l'operazione. Il danno ischemico viene valutato attraverso la colorazione TTC.
Nel gruppo dei filamenti da 10 mm, cinque topi su dieci hanno sperimentato un'emorragia subaracnoidea (SAH), con due di questi casi fatali. Di conseguenza, tutti e cinque i topi affetti sono stati esclusi dallo studio. Al contrario, nessuno dei topi nel gruppo del filamento da 5 mm ha sperimentato SAH. Il tasso di successo della modellazione è stato del 100% nel gruppo dei filamenti da 5 mm, significativamente più alto rispetto al tasso di successo del 50% osservato nel gruppo dei filamenti da 10 mm.
Il tempo chirurgico, definito come la durata dall'incisione cutanea all'inserimento del filamento, era significativamente più breve nel gruppo con filamenti da 5 mm rispetto al gruppo con filamenti da 10 mm (614 s ± 49,15 s contro 758 s ± 65,63 s, P < 0,01) (Figura 4A). Entrambi i gruppi di filamenti hanno mostrato una significativa riduzione del peso corporeo postoperatorio rispetto al gruppo con operazione fittizia; tuttavia, non è stata osservata alcuna differenza significativa tra le due dimensioni dei filamenti (Figura 4B).
La colorazione TTC ha confermato l'infarto cerebrale nel modello MCAO autoprodotto indotto da filamenti (Figura 5). Tre giorni dopo l'intervento, il volume dell'infarto è stato del 21,48% ± del 6,79% per il gruppo da 5 mm e del 19,85% ± 7,01% per il gruppo da 10 mm, senza differenze statistiche significative tra i due gruppi per quanto riguarda le dimensioni dell'infarto. In ciascun gruppo di topi, c'era variabilità nell'area dell'infarto cerebrale, con tre topi su cinque che mostravano un'area di infarto più grande (Figura 5B, C) e due che mostravano un'area di infarto più piccola (Figura 5E, F). La quantificazione del volume dell'infarto è mostrata nella Figura 5G.
I deficit della funzione neurologica sono stati valutati mediante punteggi mNSS nei giorni 1 e 3 post-MCAO, come mostrato nella Figura 6. In entrambi i giorni, i gruppi da 5 mm e 10 mm hanno mostrato punteggi mNSS significativamente più elevati rispetto al gruppo con operazione fittizia, senza alcuna differenza significativa osservata tra i punteggi mNSS dei gruppi da 5 mm e 10 mm.
Figura 1: Costruzione e marcatura del filamento. (A) Avvolgere la sutura in nylon 6-0 in modo uniforme attorno a una piastra righello di plastica. (B) Etichettare e affettare verticalmente la ferita per creare un filamento di 2 cm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Rivestimento del filamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Filamenti finiti. Immagini dei filamenti completati dopo il rivestimento e la marcatura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Durata dell'intervento chirurgico e peso corporeo del topo. (A) Durata dell'intervento chirurgico. (B) Peso corporeo del topo misurato prima dell'intervento chirurgico e tre giorni dopo l'intervento. Le differenze statistiche sono state analizzate utilizzando ANOVA e test post hoc di Tukey. I dati sono presentati come media ± SEM, n = 5, **P < 0,01. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Sezioni cerebrali colorate con TTC. Sezioni cerebrali rappresentative colorate con TTC che mostrano aree di tessuto sano (rosso) e danno ischemico (bianco) per i gruppi Sham (A, D), MCAO (B, E) da 5 mm e MCAO (C, F). Tre topi su cinque mostrano un'area dell'infarto più grande (B, C) e due mostrano un'area dell'infarto più piccola (E, F). (G) Quantificazione del volume dell'infarto. Le differenze statistiche sono state analizzate utilizzando ANOVA e test post hoc di Tukey. I dati sono presentati come media ± SEM, n = 5, **P < 0,01. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Punteggi neurologici post-MCAO. Punteggi neurologici registrati il 1° e il 3° giorno post-MCAO. Le differenze statistiche sono state analizzate utilizzando ANOVA e test post hoc di Tukey. I dati sono presentati come media ± SEM, n = 5, ****P < 0,001. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Sbiancamento della pupilla dopo l'inserimento del filamento. Sbiancamento della pupilla osservato dopo l'inserimento del filamento di silicone da 10 mm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
0 punti | Nessun sintomo di danno neurologico | |
1 punto | Incapacità di estendere completamente l'arto anteriore controlaterale | |
2 punti | Girare intorno al lato controlaterale mentre si cammina | |
3 punti | Appoggiarsi al lato controlaterale mentre si cammina | |
4 punti | Incapacità di camminare spontaneamente, perdita di coscienza |
Tabella 1: Punteggio Longa per il successo del modello. Sistema di punteggio Longa utilizzato per determinare il successo del modello.
Test | Scambio ferroviario | ||
Sollevare il mouse con la coda | 3 | ||
Flessione dell'arto anteriore | 1 | ||
Flessione degli arti posteriori | 1 | ||
Testa spostata di >10° rispetto all'asse verticale entro 30 secondi | 1 | ||
Topo che cammina sul pavimento | 3 | ||
Camminata normale | 0 | ||
Incapacità di camminare dritto | 1 | ||
Circolare verso il lato paretico | 2 | ||
Caduta verso il lato paretico | 3 | ||
Test di bilanciamento del fascio | 6 | ||
Bilancia con postura stabile | 0 | ||
Afferra il lato della trave | 1 | ||
Abbraccia la trave e 1 arto cade dalla trave | 2 | ||
Abbraccia la trave e 2 arti cadono dalla trave, o gira sulla trave [>30 s] | 3 | ||
Tenta di bilanciarsi sulla trave ma cade [>20 s] | 4 | ||
Tenta di bilanciarsi sulla trave ma cade [>10 s] | 5 | ||
Cade, nessun tentativo di equilibrio o di aggrapparsi alla trave [<10 s] | 6 | ||
Assenza di riflessi | 2 | ||
Riflesso del padiglione auricolare (la testa trema quando tocca il meato uditivo) | 1 | ||
Riflesso corneale (un battito di ciglia quando si tocca leggermente la cornea con del cotone) | 1 |
Tabella 2: Punteggi di gravità neurologica modificati (mNSS). Punteggi di gravità neurologica modificati (mNSS) utilizzati per valutare la gravità neurologica.
Questo studio dimostra un metodo semplice ed economico per la fabbricazione del filamento, confermando la sua fattibilità nella creazione di un modello MCAO. La lunghezza del rivestimento in silicone del filamento può essere regolata in base alle esigenze sperimentali, offrendo ulteriore flessibilità. La preparazione di un embolo filamentoso da 5 mm ha raggiunto un tasso di successo del 100% senza alcuna insorgenza di emorragia subaracnoidea (SAH) nei topi. Nel gruppo che utilizzava emboli filamentosi da 10 mm, ci sono stati casi di SAH, mentre il resto dei topi ha mostrato un chiaro infarto nella regione MCA. Un passaggio fondamentale per ridurre l'SAH è stato quello di ritrarre leggermente il filamento quando ha incontrato resistenza durante la procedura. Nell'esperimento preliminare, quasi la metà dei topi senza questa regolazione ha sperimentato SAH quando è stato utilizzato un filamento di silicone rivestito da 5 mm. Il filamento ha incontrato resistenza quando ha raggiunto l'arteria cerebrale anteriore del topo12. Pertanto, qualsiasi leggero cambiamento nella posizione del topo prima di ritirare il filamento può rompere il vaso sanguigno. Ritrarre leggermente il filamento può bloccare efficacemente l'origine dell'MCA, impedendo al contempo alla punta del filamento di entrare nell'ACA e causare SAH.
Quando si utilizzano filamenti da 10 mm, è stata osservata una maggiore incidenza di SAH, che potrebbe essere attribuita alla ridotta flessibilità del filamento a causa della maggiore lunghezza del rivestimento in silicone. Questa rigidità può causare la perforazione dei recipienti da parte del filamento quando incontra resistenza durante l'inserimento. Inoltre, la durata dell'intervento chirurgico è stata più lunga per il gruppo da 10 mm, coerentemente con la maggiore difficoltà di manipolare filamenti rivestiti di silicone più lunghi, con conseguente prolungamento dei tempi operativi. Ciò indica che lunghezze più corte dei filamenti rivestiti di silicone possono non solo garantire un alto tasso di successo della modellazione, ma anche ridurre la complessità chirurgica e l'insorgenza di complicanze postoperatorie.
La scoperta che l'uso di filamenti rivestiti di silicone da 5 mm e 10 mm nei topi modello MCAO non mostra differenze significative nelle aree di infarto cerebrale e nei punteggi comportamentali suggerisce che, in determinate condizioni, la lunghezza del rivestimento in silicone sul filamento può avere un impatto minimo sui risultati sperimentali. Tuttavia, all'interno di ciascun gruppo, c'erano notevoli differenze nelle aree di infarto cerebrale. Nel gruppo da 5 mm, tre topi su cinque mostravano aree di infarto più grandi, comprese regioni come il talamo, l'ipotalamo e l'ippocampo, mentre altri avevano aree di infarto più piccole. La distribuzione delle dimensioni dell'infarto nel gruppo di 10 mm era simile a quella del gruppo di 5 mm, il che può essere correlato alla variabilità anatomica della vascolarizzazione cerebrale dei topi15,16. Un fattore che contribuisce è la variazione della pervietà dell'arteria comunicante posteriore (PcomA)16. I PcomA sono le principali arterie collaterali che seguono la MCAO indotta dal filamento, fornendo aree come l'ippocampo e il talamo17. Tuttavia, circa il 90% dei topi C57BL/6 presenta PcomAs17 sottosviluppato o assente e la percentuale di topi con aree di infarto più grandi in ciascun gruppo è vicina a questa percentuale. I topi con PcomA sottosviluppati o assenti, oltre all'MCA, hanno anche un'ostruzione dell'afflusso di sangue all'arteria cerebrale posteriore (PCA) nel modello MCAO, portando a aree di infarto più grandi12. Uno studio ha utilizzato filamenti rivestiti di silicone più corti (2 mm) per evitare di ostruire l'afflusso di sangue al PCA, ma questo ha ridotto significativamente il tasso di successo del modello18. Variazioni nella distanza anatomica tra l'MCA e il PCA nel punto di giunzione che forma il Cerchio di Willis sono state osservate in diversi ceppi di topi e categorie di peso19. Di conseguenza, per garantire il successo della modellazione e la stabilità delle dimensioni dell'infarto all'interno delle coorti, è fondamentale preparare filamenti rivestiti di silicone di lunghezze su misura che si adattino alle specifiche variazioni anatomiche del sistema vascolare cerebrale dei topi in diversi ceppi e pesi corporei. Il metodo di produzione dei filamenti descritto in questo articolo facilita tale ricerca.
Circa il 65% degli episodi di ictus ischemico sono accompagnati da perdita temporanea o permanente della vista, solitamente attribuita all'afflizione della radiazione ottica o della corteccia visiva20,21. Tuttavia, i pazienti con ictus hanno anche un rischio più elevato di ischemia retinica acuta22,23. Attualmente, non esistono chiari modelli animali sperimentali di ictus ischemico che includano l'ischemia retinica. Nei topi che utilizzavano filamenti da 10 mm, tre topi hanno sperimentato lo sbiancamento omolaterale della pupilla dopo l'inserimento del filamento, che si è risolto circa 5 minuti dopo il ritiro del filamento (Figura 7). Questo fenomeno indica l'occlusione dell'arteria oftalmica dopo l'inserimento del filamento, ma questo non è stato osservato nei topi con filamenti di 5 mm. Attualmente, non c'è consenso sull'origine dell'arteria oftalmica negli animali da esperimento. Alcuni studi suggeriscono che, come nell'uomo, l'arteria oftalmica (OA) nei topi C57BL/6J origina dall'arteria carotide interna 24,25,26. Altre ricerche ipotizzano che, come nei ratti, l'OA del topo provenga dall'arteria pterigopalatina (PPA)27. Quindi, considerando la variabilità nell'origine dell'OA del topo, lo sbiancamento della pupilla osservato in alcuni topi del gruppo dei 10 mm potrebbe essere dovuto a questa variabilità. In questi topi, le arterie oftalmiche originate dalla PPA subiscono un insufficiente afflusso di sangue a causa dell'occlusione all'inizio dell'arteria da parte del filamento rivestito di silicone da 10 mm al momento dell'inserimento, con conseguente sbiancamento della pupilla. Nessun fenomeno del genere si è verificato nel gruppo dei 5 mm, probabilmente perché la lunghezza più corta del silicone era insufficiente per bloccare il PPA.
Sebbene questo studio fornisca un metodo efficace per la produzione di filamenti e ne convalidi l'efficacia sperimentalmente, offrendo una strategia per la preparazione individualizzata dei filamenti, presenta anche alcune limitazioni. Il rivestimento in silicone sui filamenti lavorati artigianalmente non viene applicato in modo uniforme, risultando in una forma cilindrica irregolare. Durante il processo di produzione, la siringa deve essere azionata a una velocità costante per evitare incongruenze nel rivestimento in silicone nella parte anteriore e posteriore del filamento. Strumenti convenienti e un processo facile da seguire rendono possibile per i principianti esercitarsi con il modello MCAO con filamenti artigianali. La ricerca futura potrebbe esplorare miglioramenti nella progettazione dei filamenti, come l'ottimizzazione dei materiali o la regolazione delle dimensioni, per ridurre l'incidenza di complicanze e migliorare la riproducibilità del modello. Inoltre, tenere conto delle differenze anatomiche per ottenere un modello più stabile sarà fondamentale per comprendere meglio i meccanismi e le strategie di trattamento delle malattie cerebrovascolari ischemiche.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Wu Jieping Medical Foundation (320.6750.161290).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 mL Syringe | Haidike Medical Products Co., Ltd. | Instrument for making filaments | |
2,3,5-Triphenyltetrazolium Chloride (TTC) | Sigma-Aldrich | G3005 | Dye for TTC staining |
24-well culture plate | Corning | CLS3527 | Vessel for TTC staining |
26 G syringe needle | Haidike Medical Products Co., Ltd. | Instrument for making filaments | |
4% paraformaldehyde | Servicebio | G1101 | Tissue fixation |
6-0 nylon suture | Haidike Medical Products Co., Ltd. | Materials for making filaments | |
Anesthesia system for isoflurane | Rwd Life Science Co., Ltd. | R610 | Anesthetized animal |
Bipolar electrocoagulation generator | Yirun Medical Instrument Co., Ltd. | ZG300 | Equipment for surgery |
Constant temperature water bath | Spring Instrument Co., Ltd. | HH-M6 | TTC staining |
Eye ointment | Guangzhou Pharmaceutical | H44023098 | Material for surgery |
Heat blanket | ZH Biomedical Instrument Co., Ltd. | Maintain body temperatur | |
Isoflurane | Rwd Life Science Co., Ltd. | R510-22-10 | Anesthetized animal |
Meloxicam | Boehringer-Ingelheim | J20160020 | Analgesia for animal |
Microsurgical artery clamp | Shanghai Jinzhong Surgical Instruments Co., Ltd. | W40130 | Instrument for surgery |
Microsurgical hemostatic clamp forceps | Shanghai Jinzhong Surgical Instruments Co., Ltd. | M-W-0022 | Instrument for surgery |
Microsurgical instruments set | Rwd Life Science Co., Ltd. | SP0009-R | Equipment for surgery |
Mouse thermometer | Hubei Dasjiaer Biotechnology | FT3400 | Intraoperative temperature monitoring |
Pentobarbital sodium | Sigma-Aldrich | P3761 | Euthanized animal |
Shaver | Joyu Electrical Appliances | PHC-920 | Equipment for surgery |
Silicone Sealant | Kafuter | K-704 | Materials for making filaments |
Stereomicroscope | Rwd Life Science Co., Ltd. | 77001S | Equipment for surgery |
Suture thread with needle (3-0) | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | F404SUS302 | Equipment for surgery |
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