Een model voor encefalomyosynangiose behandeling na middelste cerebrale arterie occlusie-geïnduceerde beroerte bij muizen
Summary
Het protocol heeft tot doel methoden te bieden voor encefalomyosynangiose – enting van een vasculaire temporalis-spierflap op het piale oppervlak van ischemisch hersenweefsel – voor de behandeling van niet-moyamoya acute ischemische beroerte. De werkzaamheid van de aanpak bij het verhogen van angiogenese wordt geëvalueerd met behulp van een voorbijgaand midden-hersenslagader occlusiemodel bij muizen.
Abstract
Er is geen effectieve behandeling beschikbaar voor de meeste patiënten die lijden aan ischemische beroerte, waardoor de ontwikkeling van nieuwe therapieën noodzakelijk is. Het vermogen van de hersenen om zichzelf te genezen na een ischemische beroerte wordt beperkt door onvoldoende bloedtoevoer in het getroffen gebied. Encefalomyosynangiose (EMS) is een neurochirurgische procedure die angiogenese bereikt bij patiënten met de ziekte van Moyamoya. Het gaat om craniotomie met plaatsing van een vasculaire temporalis spiertransplantaat op het ischemische hersenoppervlak. EMS is nooit onderzocht in de setting van acute ischemische beroerte bij muizen. De hypothese achter deze studie is dat EMS de cerebrale angiogenese verbetert aan het corticale oppervlak rond het spiertransplantaat. Het hier getoonde protocol beschrijft de procedure en biedt de eerste gegevens die de haalbaarheid en effectiviteit van de EMS-aanpak ondersteunen. In dit protocol werden muizen na 60 minuten voorbijgaande middelste hersenslagader occlusie (MCAo) gerandomiseerd naar MCAo- of MCAo + EMS-behandeling. Het EMS werd 3-4 uur na occlusie uitgevoerd. De muizen werden 7 of 21 dagen na MCAo of MCAo + EMS-behandeling geofferd. Temporalis graft levensvatbaarheid werd gemeten met behulp van nicotinamide adenine dinucleotide gereduceerd-tetrazolium reductase assay. Een angiogenese-array van muizen kwantificeerde angiogene en neuromodulerende eiwitexpressie. Immunohistochemie werd gebruikt om transplantaatbinding met de hersenschors en verandering in vaatdichtheid te visualiseren. De voorlopige gegevens hier suggereren dat getransplanteerde spieren 21 dagen na EMS levensvatbaar bleven. Immunostaining toonde succesvolle transplantaatimplantatie en toename van de vaatdichtheid in de buurt van het spiertransplantaat, wat wijst op een verhoogde angiogenese. Gegevens tonen aan dat EMS de fibroblastgroeifactor (FGF) verhoogt en de osteopontinespiegels na een beroerte verlaagt. Bovendien verhoogde EMS na een beroerte de mortaliteit niet, wat suggereert dat het protocol veilig en betrouwbaar is. Deze nieuwe procedure is effectief en wordt goed verdragen en heeft het potentieel om informatie te verstrekken over nieuwe interventies voor verbeterde angiogenese na acute ischemische beroerte.
Introduction
Ischemische beroerte is een acute neurovasculaire verwonding met verwoestende chronische gevolgen. De meeste overlevenden van een beroerte, 650.000 per jaar, in de VS lijden aan permanente functionele handicap1. Geen van de beschikbare behandelingen verleent neuroprotectie en functioneel herstel na de acute fase van ischemische beroerte. Na een acute ischemische beroerte zijn zowel directe als collaterale bloedvoorraden verminderd, wat leidt tot disfunctie van hersencellen en netwerken, wat resulteert in plotselinge neurologische tekorten 2,3. Herstel van de bloedtoevoer naar het ischemische gebied blijft het belangrijkste doel van beroertetherapie. Het verbeteren van angiogenese om de bloedtoevoer in het ischemische gebied te bevorderen, is dus een veelbelovende therapeutische aanpak; eerder bestudeerde methoden voor het bevorderen van angiogenese na een beroerte, waaronder erytropoëtine, statines en groeifactoren, zijn echter beperkt door onaanvaardbare niveaus van toxiciteit of vertaalbaarheid4.
Encefalomyosynangiose (EMS) is een chirurgische ingreep die de cerebrale angiogenese bij mensen met de ziekte van Moyamoya verbetert, een aandoening van vernauwde schedelslagaders die vaak leidt tot een beroerte. EMS omvat gedeeltelijke loslating van een vasculair deel van de temporalis-spier van de patiënt van de schedel, gevolgd door craniotomie en enting van de spier op de aangetaste cortex. Deze procedure wordt goed verdragen en induceert cerebrale angiogenese, waardoor het risico op ischemische beroerte bij patiënten met de ziekte van moyamoya wordt verminderd 5,6. De procedure speelt dus grotendeels een preventieve rol bij deze patiënten. De angiogenese veroorzaakt door deze procedure kan ook een rol spelen bij het bevorderen van neurovasculaire bescherming en herstel in de setting van ischemische beroerte. Dit rapport ondersteunt de hypothese dat angiogenese veroorzaakt door EMS het potentieel heeft om het begrip van en therapeutische opties voor cerebrale ischemie uit te breiden.
Naast EMS zijn er verschillende farmacologische en chirurgische benaderingen om angiogenese te verbeteren, maar ze hebben verschillende beperkingen. Farmacologische benaderingen zoals toediening van vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF) blijken onvoldoende of zelfs schadelijk te zijn vanwege verschillende beperkingen, waaronder de vorming van chaotische, ongeorganiseerde, lekkende en primitieve vasculaire plexussen, die lijken op die in de tumorweefsels 7,8 en geen gunstige effecten hebben in klinische onderzoeken9.
Chirurgische benaderingen omvatten directe anastomose zoals oppervlakkige temporale arterie-midden hersenslagader anastomose, indirecte anastomose zoals encephalo-duro arterio-synangiose (EDAS), encefalomyosynangiose (EMS) en combinaties van directe en indirecte anastomose10. Al deze procedures zijn zeer technisch uitdagend en veeleisend bij kleine dieren, met uitzondering van EMS. Terwijl de andere procedures complexe vasculaire anastomose vereisen, vereist EMS een relatief eenvoudig spiertransplantaat. Bovendien maakt de nabijheid van de temporalis-spier tot de cortex het een natuurlijke keuze voor enten, omdat het niet volledig hoeft te worden weggesneden of losgekoppeld van de bloedtoevoer, zoals nodig zou zijn als een meer verre spier zou worden gebruikt voor enten.
EMS is onderzocht in chronische cerebrale hypoperfusiemodellen bij ratten 7,11. EMS met behulp van een temporalis-spiertransplantaat is echter nooit onderzocht bij acute ischemische beroerte bij knaagdieren. Hier beschrijven we een nieuw protocol van EMS bij muizen na een ischemische beroerte via het midden van het occlusiemodel van de hersenslagader (MCAo). Dit manuscript dient als een beschrijving van methoden en vroege gegevens voor deze nieuwe benadering van EMS bij muizen na MCAo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft een succesvolle EMS-procedure in een muismodel van MCAo-geïnduceerde beroerte. De gegevens tonen aan dat getransplanteerd weefsel levensvatbaar blijft en lang na ems-chirurgie banden kan vormen met de hersenschors. Deze bevindingen ondersteunen de reden voor het gebruik van een cerebraal spiertransplantaat om geleidelijk een rijk vasculaire trofische omgeving te ontwikkelen op de plaats van een beroerte. EMS is een veelbelovende therapie voor het mogelijk herstellen van infarcten hersenweefsel in…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door Research Excellence Program-UConn Health (naar Ketan R Bulsara en Rajkumar Verma) en UConn Health start-up (naar Rajkumar Verma).
Materials
| 6-0 monocryl suture | Ethilon | 697G | |
| 70% ethanol to sanitize operating surface | Walgreen | ||
| Bupivacaine 0.25% solution | Midwest Vet | ||
| Clamps for tissue retraction | Roboz | ||
| Doccal suture with Nylon coating | Doccal corporation Sharon MA | 602145PK10Re | |
| Electric heating pad for operating surface | |||
| Isoflurane anesthesia | Piramal Critical Care Inc | ||
| Isoflurane delivery apparatus | –B6Surgivet (Isotech 4) | ||
| Micro drill | Harvard Apparatus | ||
| Microdissecting tweezers, curved x2 | Piramal Critical Care Inc | ||
| mouse angiogenesis panel arrat | R& D biotech | ARY015 | |
| Needle driver | Ethilon | ||
| Ointment for eye protection | walgreen | ||
| Operating microscope | Olympus | ||
| Operating surface | Olympus | ||
| Povidone iodine solution | walgreen | ||
| Rectal thermometer | world precison instrument | ||
| Saline or 70% ethanol for irrigation | walgreen | ||
| Small electric razor to shave operative site | generic | ||
| Surgical scissors | Roboz |
References
- Stroke, Last updated 10/22/20. , (2020).
- Cipolla, M. J., McCall, A. L., Lessov, N., Porter, J. M. Reperfusion decreases myogenic reactivity and alters middle cerebral artery function after focal cerebral ischemia in rats. Stroke. 28 (1), 176-180 (1997).
- Arai, K., et al. Cellular mechanisms of neurovascular damage and repair after stroke. Journal of Child Neurology. 26 (9), 1193-1198 (2011).
- Ergul, A., Alhusban, A., Fagan, S. C. Angiogenesis: a harmonized target for recovery after stroke. Stroke. 43 (8), 2270-2274 (2012).
- Imai, H., et al. The importance of encephalo-myo-synangiosis in surgical revascularization strategies for moyamoya disease in children and adults. World Neurosurgery. 83 (5), 691-699 (2015).
- Ravindran, K., Wellons, J. C., Dewan, M. C. Surgical outcomes for pediatric moyamoya: a systematic review and meta-analysis. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 24 (6), 663-672 (2019).
- Kim, H. S., et al. The neovascularization effect of bone marrow stromal cells in temporal muscle after encephalomyosynangiosis in chronic cerebral ischemic rats. Journal of Korean Neurosurgical Society. 44 (4), 249-255 (2008).
- Srivastava, P., et al. Neuroprotective and neuro-rehabilitative effects of acute purinergic receptor P2X4 (P2X4R) blockade after ischemic stroke. Experimental Neurology. , 329 (2020).
- Cao, R., et al. VEGFR1-mediated pericyte ablation links VEGF and PlGF to cancer-associated retinopathy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (2), 856-861 (2010).
- Hedlund, E., Hosaka, K., Zhong, Z., Cao, R., Cao, Y. Malignant cell-derived PlGF promotes normalization and remodeling of the tumor vasculature. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (41), 17505-17510 (2009).
- Cao, Y. Therapeutic angiogenesis for ischemic disorders: what is missing for clinical benefits. Discovery Medicine. 9 (46), 179-184 (2010).
- Verma, R., et al. Inhibition of miR-141-3p ameliorates the negative effects of poststroke social isolation in aged mice. Stroke. 49 (7), 1701-1707 (2018).
- Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20 (1), 84-91 (1989).
- Engel, O., Kolodziej, S., Dirnagl, U., Prinz, V. Modeling stroke in mice-middle cerebral artery occlusion with the filament model. Journal of Visualized Experiments. 47 (47), 2423 (2011).
- Pétrault, M., et al. Neither nefopam nor acetaminophen can be used as postoperative analgesics in a rat model of ischemic stroke. Fundam Clin Pharmacol. (2), 194-200 (2017).
- Khansari PS, ., Halliwell RF, . Mechanisms Underlying Neuroprotection by the NSAID Mefenamic Acid in an Experimental Model of Stroke. (64), (2019).
- Mishra, V., Verma, R., Raghubir, R. Neuroprotective effect of flurbiprofen in focal cerebral ischemia: the possible role of ASIC1a. Neuropharmacology. 59 (7-8), 582-588 (2010).
- Chen, T. Y., Goyagi, T., Toung, T. J., Kirsch, J. R., Hurn, P. D., Koehler, R. C., Bhardwaj, A. Prolonged opportunity for ischemic neuroprotection with selective kappa-opioid receptor agonist in rats. Stroke. 35 (5), 1180-1185 (2004).
- Turóczi, Z., et al. Muscle fiber viability, a novel method for the fast detection of ischemic muscle injury in rats. PLoS ONE. 9 (1), e84783 (2014).
- Im, K., Mareninov, S., Diaz, M. F. P., Yong, W. H. An introduction to performing immunofluorescence staining. Methods in Molecular Biology. , 299-311 (2019).
- Zheng, J., et al. Protective roles of adenosine A1, A2A, and A3 receptors in skeletal muscle ischemia and reperfusion injury. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 293 (6), H3685-H3691 (2007).
- Jiao, C., et al. Visualization of mouse choroidal and retinal vasculature using fluorescent tomato lectin perfusion. Translational Vision Science and Technology. 9 (1), (2020).
- Simard, J. M., Sahuquillo, J., Sheth, K. N., Kahle, K. T., Walcott, B. P. Managing malignant cerebral infarction. Current Treatment Options in Neurology. 13 (2), 217-229 (2011).
- Liu, X., et al. Osteoclasts protect bone blood vessels against senescence through the angiogenin/plexin-B2 axis. Nature Communications. 12 (1), 1832 (2021).
- Paro, M., Gamiotea-Turro, D., Blumenfeld, L., Bulsara KR, ., Verma, R. A Novel Model for Encephalomyosynangiosis Surgery after Middle Cerebral Artery Occlusion-Induced Stroke in Mice. BioXriv. 10, (2021).
- Venkat, P., et al. Treatment with an Angiopoietin-1 mimetic peptide promotes neurological recovery after stroke in diabetic rats. CNS Neuroscience & Therapeutics. 27 (1), 48-59 (2021).
- Cheng, X., et al. Acidic fibroblast growth factor delivered intranasally induces neurogenesis and angiogenesis in rats after ischemic stroke. Neurological Research. 33 (7), 675-680 (2011).
- Xu, H. Protective effects of mutant of acidic fibroblast growth factor against cerebral ischaemia-reperfusion injury in rats. Injury. 40 (9), 963-967 (2009).
- Tsai, M. J., et al. Acidic FGF promotes neurite outgrowth of cortical neurons and improves neuroprotective effect in a cerebral ischemic rat model. 神经科学. 305, 238-247 (2015).
- Meller, R., et al. Neuroprotection by osteopontin in stroke. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 25 (2), 217-225 (2005).
- Meseguer, E., et al. Osteopontin predicts three-month outcome in stroke patients treated by reperfusion therapies. Journal of Clinical Medicine. 9 (12), 4028 (2020).
- Zhu, Z., et al. Plasma osteopontin levels and adverse clinical outcomes after ischemic stroke. Atherosclerosis. 332, 33-40 (2021).
