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Questo protocollo descrive un metodo per indurre l'ostruzione ureterale unilaterale (UUO) nei topi per studiare la progressione della fibrosi tissutale nella nefropatia ostruttiva. Include procedure chirurgiche, cure post-operatorie e metodi per la valutazione della fibrosi.
La fibrosi renale è l'esito patologico finale della malattia renale cronica progressiva (CKD). Il modello di ostruzione ureterale unilaterale (UUO) è ampiamente utilizzato per chiarire i meccanismi molecolari e cellulari alla base della fibrosi interstiziale renale e per identificare potenziali bersagli terapeutici. Questo modello si è stabilito nei topi attraverso la legatura chirurgica di un uretere unilaterale, una procedura relativamente semplice e facile da eseguire. Tuttavia, il modello murino UUO è noto per mostrare una significativa variabilità e incoerenza, influenzate da fattori quali il ceppo del topo, l'età, il sesso, il tipo di anestesia, la durata dell'intervento chirurgico, la temperatura corporea durante la procedura, le capacità chirurgiche dell'operatore, le condizioni di alimentazione e lo stato di salute generale dei topi. Le variazioni nelle tecniche chirurgiche, nel posizionamento della sutura e nella durata dell'ostruzione contribuiscono alla variabilità dei risultati. Inoltre, il campionamento incoerente dei reni ostruiti aumenta ulteriormente la variabilità nella valutazione della fibrosi renale. Questo studio delinea il processo di sviluppo del modello murino UUO e di valutazione della fibrosi interstiziale, discute le sfide tecniche che contribuiscono all'imprevedibilità del modello e propone potenziali soluzioni. Queste intuizioni mirano a stabilire un approccio più standardizzato e universalmente applicabile per lo studio della fibrosi renale.
La malattia renale cronica (CKD) colpisce oltre il 10% della popolazione mondiale e la sua prevalenza è in aumento1. Varie condizioni del tratto urinario, tra cui anomalie anatomiche congenite, nefrolitiasi, iperplasia prostatica e tumori della vescica, possono portare a ostruzione ureterale². Di conseguenza, il modello murino di ostruzione ureterale unilaterale (UUO) è uno strumento chiave per identificare nuovi meccanismi di fibrosi interstiziale renale, comprendere la progressione della malattia e valutare potenziali strategie di trattamento. È stato ampiamente utilizzato per studiare l'origine dei miofibroblasti, dei sottocluster di (mio)fibroblasti, del metabolismo delle cellule tubulari e dell'arresto del ciclo cellulare, della transizione parziale epitelio-mesenchimale e di altri processi correlati 3,4,5,6,7,8.
Oltre alla fibrosi interstiziale renale indotta da UUO, altri modelli di fibrosi interstiziale renale comunemente usati nei roditori includono modelli indotti da tossine, come quelli che utilizzano acido aristolochico, acido folico e adenina, nonché modelli indotti chirurgicamente come la nefrectomia 5/6 e il danno da ischemia-riperfusione (IRI). Il modello UUO offre diversi vantaggi rispetto ai modelli alternativi di fibrosi renale. Ad esempio, la fibrosi renale indotta da tossine richiede un periodo di modellazione relativamente lungo (circa 1-2 mesi) e i suoi effetti collaterali tossici su altri organi possono complicare l'indagine sui meccanismi della fibrosi 9,10,11. I modelli indotti chirurgicamente, come la nefrectomia 5/6, possono portare a sanguinamento renale e infezione significativi, aumentando il rischio di mortalità post-operatoria. Inoltre, l'entità della fibrosi interstiziale indotta è direttamente correlata al volume del tessuto renale resecato, rendendo difficile riprodurre costantemente lo stesso grado di fibrosi in ciascun topo12.
Il modello IRI renale è un metodo primario per indurre danno renale acuto alla CKD e ha una significativa rilevanza clinica. La gravità della fibrosi può essere modulata regolando il tempo ischemico e la temperatura corporea; tuttavia, rispetto al modello UUO, è più complesso chirurgicamente e l'induzione della fibrosi interstiziale richiede una durata maggiore13. Rispetto a questi modelli, il modello UUO presenta diversi vantaggi, tra cui una breve durata della modellazione, variabilità minima, ripetibilità e una procedura chirurgica relativamente semplice. Il modello murino UUO, che non coinvolge tossine, viene creato legando un uretere, portando alla nefropatia ostruttiva entro due settimane. Ciò si traduce in idronefrosi, dilatazione tubulare e fibrosi interstiziale, molto simile al processo patologico osservato nell'uomo14. La gravità della fibrosi - lieve, moderata o grave - può essere controllata regolando la durata dell'esperimento.
Sebbene il modello murino UUO sia più semplice da eseguire rispetto ad altri modelli indotti da insulti per lo studio della CKD, diversi fattori possono influenzare significativamente la sua stabilità. Questi fattori includono il ceppo del topo, l'età, il sesso, il tipo di anestesia, la durata dell'intervento, la temperatura corporea durante l'intervento, le capacità chirurgiche dell'operatore e le condizioni di alimentazione e lo stato di salute dei topi15,16.
Ridurre al minimo lo stress chirurgico e le infezioni durante l'esecuzione della procedura in modo costante e organizzato in anestesia è essenziale per creare un modello murino UUO riproducibile. Inoltre, la ricerca sui meccanismi e sui potenziali bersagli terapeutici della CKD può essere compromessa da operatori inesperti, portando a un aumento della perdita di topi e a una maggiore eterogeneità del modello. Per affrontare queste sfide, vengono delineati gli aspetti tecnici chiave del processo chirurgico - prima, durante e dopo la procedura - evidenziando le questioni critiche che richiedono attenzione. Inoltre, la metodologia di valutazione per il modello murino UUO è dettagliata per fornire ai ricercatori un approccio coerente e affidabile.
Tutte le procedure sugli animali sono condotte in conformità con le linee guida dell'agenzia e approvate dal Comitato Etico Istituzionale per gli Animali dell'Università di Medicina di Nanchino. Per eliminare le differenze di sesso e ceppo e garantire la comparabilità dei risultati, vengono utilizzati solo topi CD1 maschi di età compresa tra 8 e 10 settimane e con un peso di 22-25 g. I dettagli dei reagenti e delle attrezzature utilizzate in questo studio sono elencati nella Tabella dei materiali.
1. Preparazione degli animali e degli strumenti
2. Procedura chirurgica
NOTA: Una volta che la temperatura corporea si stabilizza al set point e il riflesso di pizzicamento delle dita dei piedi è assente, avviare le seguenti procedure chirurgiche.
3. Cure e monitoraggio post-chirurgico
4. Valutazioni post-operatorie
Istologia
La colorazione periodica con acido di Schiff (PAS) ha rivelato dilatazione tubulare, perdita dei bordi a spazzola, formazione di calchi e gonfiore epiteliale tubulare. La colorazione tricromica di Masson e il rosso Sirio hanno mostrato fibrosi interstiziale dopo UUO, in contrasto con i normali tubuli compatti con lumi distinguibili osservati nel gruppo sham. Il grado di fibrosi interstiziale renale, indicato dalle aree blu nella colorazione tricromica di Masson e dalle aree rosse nella colorazione rossa Sirius, è aumentato in modo dipendente dal tempo (Figura 1A).
Western blot
La fibronectina (FN), il collagene I (Col-1) e l'actina muscolare liscia α (α-SMA) sono marcatori comunemente usati per valutare la fibrosi renale. Rispetto al gruppo sham, i livelli di espressione di queste proteine fibrotiche erano significativamente elevati dopo UUO e correlati positivamente con la durata dell'ostruzione (Figura 1B).
PCR in tempo reale
Rispetto al gruppo sham, i livelli di mRNA dei marcatori fibrotici (FN, Col-1a1, α-SMA e fattore di crescita trasformante-β1 (TGF-β1)), insieme alle citochine infiammatorie come la proteina chemioattrattiva dei monociti-1 (MCP-1), il fattore di necrosi tumorale-α (TNF-α) e il ligando 1 delle chemochine del motivo C-X-C (CXCL-1), erano significativamente aumentati nel gruppo UUO (Figura 1C).
Influenza di fattori biologici e chirurgici sugli esiti dell'UUO
Il ceppo, l'età e il sesso dei topi influenzano in modo significativo i risultati negli studi UUO. Uno studio ha stabilito un modello murino UUO reversibile costituito da sei giorni di ostruzione seguiti da sette giorni di inversione. Mentre i topi BALB/c hanno mostrato un recupero quasi completo della funzione renale a livelli paragonabili ai controlli operati con sham, i topi C57BL/6 hanno sperimentato una perdita irreversibile della funzione renale. Per ulteriori dettagli sulla funzionalità renale, fare riferimento a Puri et al.20.
Anche le differenze di sesso giocano un ruolo critico nei modelli UUO. In un confronto tra topi C57BL/6J maschi e femmine dopo due settimane di UUO, i maschi hanno mostrato livelli significativamente più elevati di fibrosi interstiziale renale e un aumento della deposizione di proteine IV di collagene nell'interstizio tubulare. L'età è un altro fattore chiave che influenza il danno interstiziale a seguito di un'ostruzione. I topi più anziani (50 settimane) hanno dimostrato una dilatazione e un'atrofia tubulare più gravi rispetto alle controparti più giovani (16 settimane)21.
Oltre alle variazioni biologiche tra i topi, anche i parametri chirurgici influenzano gli esiti dell'UUO. In particolare, l'espressione della proteina TGF-β1 e dell'mRNA era significativamente soppressa nei topi anestetizzati con propofol rispetto a quelli trattati con sevoflurano durante la procedura UUO22. Inoltre, la durata dell'ostruzione è direttamente correlata al declino della funzionalità renale. I topi sottoposti a UUO per uno o due giorni hanno sperimentato un recupero completo dopo la rimozione dell'ostruzione, mentre quelli ostruiti per tre giorni o più hanno sviluppato insufficienza renale tempo-dipendente20.
Figura 1: Fibrosi interstiziale renale indotta da ostruzione ureterale unilaterale (UUO) nei giorni 3, 7 e 14. (A) Acido-Schiff periodico (PAS), colorazione tricromica di Masson (MTS) e colorazione rosso Sirius di sezioni renali da reni fittizi e UUO. Barre della scala = 100 μm. (B) Analisi Western blot di fibronectina (FN), collagene I (Col-1) e actina muscolare liscia α (α-SMA) in reni fittizi e UUO. (C) Analisi PCR in tempo reale di marcatori correlati alla fibrosi e citochine infiammatorie in reni sham e UUO. I dati sono presentati come media ± errore standard della media (SEM). L'analisi statistica è stata eseguita utilizzando l'ANOVA unidirezionale e il t-test di Student. La significatività statistica è indicata come segue: *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001, ****P < 0,0001. Abbreviazioni: UUO, ostruzione ureterale unilaterale; PAS, acido-Schiff periodico; MTS, colorazione tricromica di Masson; FN, fibronectina; Col-1, collagene I; α-SMA, actina muscolare liscia α; GAPDH, gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi; TGF-β1, fattore di crescita trasformante-β1; MCP-1, proteina chemioattrattiva dei monociti-1; TNF-α, fattore di necrosi tumorale-α; CXCL-1, ligando 1 delle chemochine del motivo C-X-C. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Viene fornita una procedura completa per stabilire il modello UUO, un approccio ampiamente utilizzato per studiare la fibrosi interstiziale renale. Inoltre, sono dimostrate l'identificazione e la valutazione del modello, comprese le valutazioni della funzionalità renale e delle alterazioni istologiche. Vengono discusse le variabili che contribuiscono all'eterogeneità del modello e i fattori tecnici modificabili.
La suscettibilità all'UUO varia significativamente in base all'età, al sesso e al ceppo del topo. Rispetto ai topi C57BL/6, i topi BALB/c sono meno suscettibili o addirittura resistenti all'UUO20. Negli studi che hanno coinvolto topi C57BL/6 maschi e femmine, i topi maschi hanno mostrato una maggiore colorazione e punteggio tricromico di Masson, nonché un aumento dell'espressione di collagene IV, dopo UUO23. Inoltre, gli effetti delle differenze di sesso sulla fibrosi renale nell'UUO variano tra modelli murini transgenici e knockout24. L'età è un altro fattore critico che influenza gli esiti dell'UUO; I topi più anziani (50 settimane) dimostrano un'atrofia tubulointerstiziale più grave rispetto ai topi più giovani (16 settimane)21. Effetti simili legati all'età sugli esiti dell'UUO sono stati osservati nel modelloUUO di ratto Sprague-Dawley 25.
L'anestesia prolungata durante l'intervento chirurgico è associata a un aumento della mortalità animale26. L'induzione rapida dell'anestesia chirurgica è stata ottenuta utilizzando l'isoflurano, un anestetico per via inalatoria, che ha provocato l'insorgenza dell'anestesia entro 5-10 minuti. Questo metodo consente al chirurgo di avviare, mantenere e terminare più facilmente l'anestesia rispetto all'iniezione intraperitoneale di pentobarbital sodico (100-200 mg/kg). Nel modello UUO, diversi anestetici hanno effetti variabili sulla gravità della fibrosi renale. Ad esempio, è stato dimostrato che il propofol esercita effetti protettivi contro il danno renale riducendo l'espressione inducibile dell'ossido nitrico sintasi nel modello murino UUO22; pertanto, il suo uso dovrebbe essere evitato nella modellazione UUO.
L'esposizione del rene e dell'uretere è essenziale per il successo dell'esperimento. Una considerazione chiave è garantire la legatura completa dell'uretere. Un aspetto cruciale di questa fase consiste nel sezionare attentamente il tessuto adiposo che circonda l'ilo renale. La selezione di topi con peso corporeo inferiore può essere vantaggiosa, poiché in genere hanno meno tessuto adiposo intorno al rene, facilitando l'esposizione del rene e dell'uretere e riducendo al minimo il rischio di lacerazione del tessuto circostante. Questo approccio non solo riduce la durata della procedura, ma riduce anche la quantità di anestesia richiesta, diminuendo così i traumi e le difficoltà tecniche.
Durante l'esposizione renale, l'evaporazione può causare l'adesione dei vasi sanguigni alle pinzette chirurgiche, portando potenzialmente a danni ureterali o addirittura a fistole ureterali. Pertanto, è essenziale mantenere un campo operatorio umido applicando continuamente soluzione fisiologica sterile e sterile. Per ridurre al minimo l'ingombro, si consiglia di tagliare la sutura per la legatura a una lunghezza ragionevole (circa 10 cm) prima della procedura, consentendo all'operatore di gestire le estremità in modo più efficace14. Inoltre, la seconda legatura non deve essere posizionata direttamente sopra la prima, in quanto ciò potrebbe impedire un adeguato blocco dell'uretere.
Il recupero della funzione renale nel modello UUO è influenzato dalla durata dell'ostruzione27. La gravità della fibrosi è direttamente correlata alla durata dell'ostruzione28. Nel classico modello UUO qui descritto, i punti temporali appropriati per la valutazione sono i giorni 3, 7 e 1415. Al 3° giorno, si possono osservare cambiamenti precoci nel danno cellulare, tra cui un aumento dell'infiltrazione di macrofagi interstiziali. Entro il 7° giorno, il danno aumenta, presentando un pattern più differenziato caratterizzato dai segni iniziali di fibrosi interstiziale e aree di atrofia tubulare. Il giorno 14 rappresenta il momento ottimale per valutare l'intero fenotipo, che include una significativa idronefrosi e perdita del parenchima renale. Studi sui ratti hanno dimostrato che il danno permanente si verifica dopo 72 ore di ostruzione, mentre 24 ore di ostruzione consentono il recupero completo della velocità di filtrazione glomerulare entro 14 giorni dall'inversione dell'ostruzione27.
L'assistenza post-chirurgica è fondamentale per ridurre al minimo la perdita di animali. Immediatamente dopo l'intervento chirurgico, viene somministrata soluzione fisiologica calda tramite iniezione intraperitoneale per prevenire la disidratazione nel topo. Una volta che il topo è tornato nella sua gabbia, è essenziale fornire acqua e cibo facilmente accessibili. La procedura chirurgica può compromettere la mobilità dell'animale; Pertanto, se il cibo e l'acqua sono collocati in posizioni elevate, il cibo schiacciato deve essere tenuto sul pavimento della gabbia per un accesso più facile. Quando si monitorano le condizioni post-operatorie dei topi, il dosaggio dei farmaci analgesici deve essere adeguatamente aumentato per coloro che mostrano scarsa toelettatura, diminuzione dell'alimentazione o postura anormale.
Vanno notate diverse potenziali limitazioni del modello UUO. In primo luogo, questo modello non tiene traccia con precisione dei cambiamenti nella funzione renale. I marcatori di filtrazione endogena, come la creatinina e l'azoto ureico nel sangue, sono comunemente usati per valutare la funzionalità renale; Tuttavia, i loro livelli spesso rimangono stabili perché il rene non ostruito compensa la funzione persa nel rene ostruito. In secondo luogo, il modello UUO non è adatto per studiare la rigenerazione cellulare e tissutale, nonché il successivo rimodellamento tissutale a seguito del rilascio dell'ostruzione, a causa dell'assenza di riparazione tubulare. Infine, il modello murino UUO ha dei limiti nel tradurre i risultati dello studio dal banco al letto del paziente, poiché la maggior parte dei casi clinici di UUO comporta un'ostruzione parziale piuttosto che un'ostruzione completa.
In conclusione, il modello UUO nei topi è ampiamente utilizzato per la ricerca sulla fibrosi interstiziale renale. Ha potenziali applicazioni in studi volti a identificare e caratterizzare i marcatori della fibrosi renale, esaminare i meccanismi patogenetici ed esplorare potenziali approcci terapeutici per la CKD. Sebbene la variabilità nel modello murino possa derivare da numerosi fattori, la procedura dettagliata delineata in questo studio può aiutare i ricercatori a sviluppare un modello UUO altamente riproducibile. Pertanto, un operatore esperto e qualificato può produrre un modello UUO coerente aderendo alle tecniche descritte e prestando molta attenzione ai dettagli tecnici.
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Questo lavoro è stato sostenuto dalle sovvenzioni della National Science Foundation of China (82370686/2024YFA1107704), dalla sovvenzione per il professore appositamente nominato di Jiangsu, dal progetto di innovazione scientifica e tecnologica di Nanchino, dal programma di coltivazione dei talenti di alto livello dell'ospedale della provincia di Jiangsu (Fase I) (CZ0121002010037), dalla Fondazione per le scienze naturali della provincia di Jiangsu (BK20240055) e dal Jiangsu Medical Innovation Team to JR; Progetto di miglioramento della capacità clinica dell'ospedale della provincia di Jiangsu (il primo ospedale affiliato alla Nanjing Medical University) (JSPH-MA-2023-4), sviluppo del programma accademico prioritario degli istituti di istruzione superiore del Jiangsu (Cina) e della National Natural Science Foundation of China (81970639/82151320) a HM.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 mL Syringe | Mingankang | / | |
3/0 silk braided suture | Jinhuan Medical | F301 | |
75% Ethanol | Lircon | 6303060031 | |
Anesthesia Air Pump | RWD Life Science | R510-29 | |
Anesthesia Induction Chambers | RWD Life Science | V102-V | |
Animal hair clipper | Jinke | / | |
Betadine solution | Lircon | 6303030036 | |
Buprenorphine (analgesic) | RWD Life Science | / | |
Curved iris forceps | jinke | / | |
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Gas Filter Canister | RWD Life Science | R510-31-6 | |
Gauze Pads | Winner Medical | 601-026576 | |
Iris Scissors | Jinke | / | |
Isoflurane (anesthetic) | RWD Life Science | R510-22-10 | |
Multi-output Animal Anesthesia Machine | RWD Life Science | R550IE | |
Needle holder | jinke | / | |
Ophthalmic ointment | Dechra NDC | 17033-211-38 | |
Sterile Cotton swab | Winner Medical | 601-015213 | |
Sterile saline | Shimen | H20066533 |
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