This protocol describes repetitive hypoxic preconditioning, or brief exposures to systemic hypoxia that reduce infarct volumes and blood-brain barrier disruption following transient middle cerebral artery occlusion in mice. It also details dual quantification of infarct volume and blood-brain barrier disruption after stroke to assess the efficacy of neurovascular protection.
Experimentella djurmodeller för stroke är ovärderliga verktyg för att förstå stroke patologi samt utveckla effektivare behandlingsstrategier. En 2 vecka protokoll för repetitiva hypoxisk prekonditionering (RHP) inducerar långtidsskydd mot centrala nervsystemet (CNS) skada i en musmodell av fokal ischemisk stroke. RHP består av nio stokastiska exponeringar mot hypoxi som varierar i både varaktighet (2 eller 4 timmar) och intensitet (8% och 11% O2). RHP minskar infarktvolymer, blod-hjärnbarriären (BBB) störningar, och den post-stroke inflammatoriskt svar i veckor efter den sista exponeringen för hypoxi, vilket tyder på en långsiktig induktion av en endogen CNS-skyddande fenotyp. Metoden för den dubbla kvantifiering av infarktvolymen och BBB störningar är effektiv vid bedömningen neurovaskulära skydd hos möss med RHP eller andra förmodade neuroprotectants. Vuxna manliga Schweiziska Webster möss förbehandlas med RHP eller löptid motsvarande exponeringar mot 21% O <sub> 2 (dvs rumsluft). En 60 min gående mellersta cerebral artärocklusion (tMCAo) inducerades 2 veckor efter den sista hypoxisk exponering. Både ocklusion och reperfusion bekräftades av transkraniell laser Doppler flowmetry. Tjugotvå h efter reperfusion, Evans Blue (EB) administrerades intravenöst genom en svansveninjektion. 2 h senare avlivades djuren genom isofluran överdos och hjärnsektioner färgades med 2,3,5- trifenyltetrazoliumklorid (TTC). Infarkter volymer sedan kvantifieras. Därefter EB extraherats från vävnaden över 48 timmar för att bestämma BBB störningar efter tMCAo. Sammanfattningsvis är RHP ett enkelt protokoll som kan replikeras, med minimal kostnad, att inducera långsiktig endogen neurovaskulära skydd mot stroke skador hos möss med translationell potential för andra CNS-baserade och system pro-inflammatoriska sjukdomstillstånd.
Som den ledande orsaken till vuxen funktionshinder och den fjärde vanligaste dödsorsaken är stroke en av de mest försvagande sjukdomstillstånd inför den vuxna befolkningen i USA. 1 Djurmodeller av stroke möjliggör experimentella undersökningar av nya metoder för att minska ischemisk skada och förbättra efter stroke återhämtning. En ny väg för en sådan translationell forskning prekonditionering. Förbehandling är avsiktlig användning av ett icke-skadliga stimulans för att minska skadorna från en efterföljande, och allvarligare, skada. 2 hypoxisk prekonditionering har visat sig ge pleiotropiska förändringar i hjärnan som ger skydd mot stroke både in vivo och in vitro-studier . 3 emellertid en enda exponering för hypoxi erbjuder endast kortsiktiga neuroprotektion, förmå mindre än 72 timmar av tolerans mot ischemi hos vuxna möss. 4 Även efter fyra veckor av 14 tim daglig exponering till hypobaric hypoxi, Lin et al. found att neuroprotektion endast upprätthållas under en vecka. 5 Upprepad hypoxisk prekonditionering (RHP) kännetecknas av stokastiska variationer i frekvens, varaktighet och intensitet hypoxiska exponeringar. I motsats till en enda förkonditionering utmaning, RHP inducerar en cerebroprotektiva fenotyp som varar upp till åtta veckor i möss. 6 RHP minskad infarktvolymer, blod-hjärnbarriären (BBB) störningar, inflammation i blodkärlen, och leukocyter diapedes för veckor efter den sista hypoxisk exponering . RHP särskilt minskad inflammation i den ischemiska hjärnan genom att minska T-cell, monocyt- och macrophage populationer, medan B-cellspopulationer bibehålla den ischemiska hemisfären. 7 I själva verket, RHP inducerade en immunsuppressiv fenotyp i möss innan någon CNS-skada, inklusive stroke. RHP-behandlade B-celler isolerade från RHP-behandlade friska möss uppvisade en unik anti-inflammatorisk fenotyp, med en nedreglering av både antigenpresentation och antikroppsproduktion. Dentotal minskning av proinflammatoriska adaptiva immunmekanismer gör RHP en utmärkt metod för att inducera endogen immunosuppression för att inte bara CNS-specifika inflammatoriska sjukdomar, men även system skada eller sjukdom modeller som inkluderar en pro-inflammatorisk patologi.
RHP minskar både infarktvolymen och BBB störningar till följd av en övergående mellersta cerebral artärocklusion (tMCAo). Djurmodeller av stroke, såsom vanligen används tMCAo, dramatiskt förbättra förståelsen av patofysiologi av stroke, liksom utformningen av mer effektiva NeuroTherapeutics. Första utvecklats av Koizumi et al., 1986, är en allmänt använd metod för att inducera stroke hos gnagare och en av de vanligaste metoderna för att undersöka inflammation efter reperfusion 8 tMCAo förfarandet. Metoderna för tMCAo utvecklas, den nyare användning av silikonbelagda filamenten ytterligare minska risken för subarachnoid blödning jämfört med andra modeller 9,10 </ Sup> och förbättra tillförlitligheten, men tyvärr tMCAo ger ofta en stor variation i infarktvolymer. 11-13 De flesta av dessa studier avgränsa infarkt regioner i koronala hjärnan sektioner genom färgning med 2,3,5- trifenyltetrazoliumklorid (TTC), anses vara en guldmyntfoten för infarkt kvantifiering, eftersom det är ett enkelt och billigt sätt att producera levande, repliker resultat. TTC tjänar som ett substrat av dehydrogenaser som finns i mitokondrier. När hjärnsnitt exponeras för TTC lösningen, TTC selektivt tas in i levande celler, där dess icke-lösliga reduktionsprodukt, formazan, utfälls till en djup röd färg i livskraftiga mitokondrier. På grund av mitokondriell dysfunktion i ischemisk vävnad, denna vävnad förblir vitt, vilket möjliggör differentiering av skadad och frisk vävnad. 14
RHP minskar också BBB störningar i den ischemiska hemisfären. 6 Därför dubbla kvantifiering av BBB integritet inom samma bregn som TTC-baserade infarktvolymen bestämningar 15 skulle ge värdefull information om den fullständiga effekten av endogen skydd, och potentiella orsakssamband mellan BBB störningar och infarkt i obehandlade och behandlade djur. Inflödet av perifert blod genom en störd BBB, sekundärt till stroke ökar leukocytpopulationer, pro-inflammatoriska cytokiner, oxidativ stress, vasogent ödem och hemorragisk omvandling i den ischemiska hemisfären, i slutändan öka antalet infektioner och dödlighet hos patienter med ischemisk stroke . 16,17 En vanlig metod för mätning av BBB-störningar i djurmodeller är genom kvantifiering av Evans-blått (EB) färgämne läcka in i hjärnan. 15,18-21 EB binds selektivt till serumalbumin, ett globulärt protein (MV = 65 kDa) som inte korsar BBB i oskadade djur. 22 Efter ischemisk stroke, infiltrerar EB hjärnan, och fluorescerar vid 620 nm, vilket möjliggör mätning av optisk densitet within perfusion skadade parenkym. 22 Den optiska densiteten är direkt proportionell mot permeabiliteten hos BBB när EB har tvättats ut ur den efter slakt kortikala vaskulaturen genom transkardial perfusion. Med omedelbar behandling av TTC-färgade hjärnor hos djur med EB administration, kan både infarktvolymen och BBB störningar effektivt kvantifieras. Det bör emellertid noteras, att neuronal skada och BBB störningar inte är samtidiga processer i efter stroke hjärnan, 23,24 så valet av tidpunkten för avlivandet är en viktig faktor.
Protokollet som följer detaljer RHP metoden, tMCAo metod för att inducera en tillfällig artärocklusion som modeller mitten cerebral artär ocklusion hos människor, och de dubbla histologiska metoder för att bestämma neurala och vaskulära stroke skada endpoints. TTC mäter celldöd och kumulativ vävnadsskada, vilket möjliggör kvantifiering av en övergripande infarkt volume, medan EB föreskrivs hemisfäriska kvantifiering av BBB skador.
En enda exponering för system hypoxi (dvs 2 timmar av 11% O 2) i möss "övergående" skyddar hjärnan från tMCAo, 29 vilket innebär att epigenetiska svar på hypoxisk prekonditionering utmaningen är kortvariga och baslinjen fenotypen återställs inom dagar. Upprepade presentationer av hypoxisk prekonditionering stimulans sträcker sig dramatiskt den tid som neuroprotektiva fenotypen. 6 Många studier har visat att frekvensen, omfattningen och varaktigheten av den…
The authors have nothing to disclose.
Special thanks to the Gidday lab for their work in developing the RHP protocol, as well as the Neuro-Models Facility (UTSW) for their assistance in the tMCAo surgeries. This work was supported by grants from the American Heart Association (AMS), The Haggerty Center for Brain Injury and Repair (UTSW; AMS), and The Spastic Paralysis Research Foundation of the Illinois-Eastern Iowa District of Kiwanis International (JMG).
Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Flowmeters, regulators | VetEquip, Inc | Specialty order | Four flowmeters are attached to 6.0 mm flexible PVC tubing which connects to the inlet port on each induction chamber with a plastic female connector. These flowmeters are bolted to a 6.5" x 1" x 1" metal bar. This metal bar is bolted to a MI-246-P pressure gauge with a DISS outlet. This pressure gauge and flowmeter equipment can be attached to each new gas cylinder with a wrench. |
21% O2 tank | AirGas | OX USP200 | |
11% O2 tank | AirGas | Specialty order | |
8% O2 tank | AirGas | Specialty order | |
15L induction chambers | VetEquip | 941454 | |
Moor Laber Dopper Flow | Moor Instruments | moorVMS-LDF1-HP | 0.8mm diameter probe |
High Intensity Illuminator | Nikon | NI-150 | |
Zoom Stereo Microscope | NIkon | SMZ800 | Other surgical microscopes may be used. |
Kent Scientific Right Temperature CODA | Kent Scientific Corporation | Discontinued | Recommended replacement is PhysioSuite with RightTemp Temperature Monitoring and Homeothermic Control (Kent Scientific, #PS-RT). |
Hovabator Incubator | Stromberg's | 2362-E | Our model is the 2362N. 2362E is a later model and includes an electronic thermostat. |
V010 Anesthesia system | VetEquip | 901807 | Includes: ten foot high-pressure oxygen hose, frame, flowmeter, oxygen flush assembly, vaporizer, breathing circuit, chamber, nosecones, waste gas evacuation tubing and two VapoGuard filters |
250 mL isoflurane | Butler Schein | NDC-11695 | |
D-6 Vet Trim Animal Cordless Trimmer | Andis | #23905 | Replacement blades are available from Andis (#23995) |
Betadine | Fisher Scientific | 19-898-867 | |
Q-tips | Multiple sellers | Catalog number not available | |
Gauze Pads | Fisher Scientific | 67622 | |
Surgical drape | Fisher Scientific | GM300 | |
Silk Sutures | Look/Div Surgical Specialties | SP115 | |
Nylon Sutures | Look/Div Surgical Specialties | SP185 | |
Durmont #5 forceps (2) | Fine Science Tools | 11251-35 | Angled 45° |
Surgical Scissors | Fine Science Tools | 14028-10 | |
3mm Vannas | Kent Scientific Corporation | INS600177 | Straight blade |
Hartman Hemostats | Fine Scientific Tools | 13002-10 | |
Occluding filaments | Washington University | Specialty order | Filaments are silicone coated at Washington Univeristy and provided to UTSW facilities for a fee. |
Evans Blue | Sigma Aldritch | E2129-10G | |
Filter Paper | Sigma Aldritch | WHA1001150 | 150 mm, circles, Grade 1 |
Weigh Boats | Fisher Scientific | 02-202-101 | 2.5" diameter |
0.9% Sodium Chloride Injection USP | Baxter Pharmaceutics | 2B1321 | |
0.3cc insulin syringe with 29 g needle | Becton Dickinson Labware | 309301 | |
Flat bottom restrainer | Braintree Scientific | FB M | 2.0" diameter |
TTC | Sigma | T8877 | |
10X PBS, pH 7.4 | Fisher Scientific | BP399-20 | |
Water Bath | Multiple sellers | Catalog number not available | Scintillation tubes with TTC may be manually held under running warm water as an alternative to the water bath. |
Styrofoam board | Multiple sellers | Catalog number not available | |
Large Syringe Kit | PumpSystems Inc | P-SYRKIT-LG | |
Perfusion Pump | PumpSystems Inc | NE-300 | |
60 cc syringe | Fisher Scientific | NC9203256 | |
27g winged infusion set | Kawasumi Laboratories, Inc | D3K1-25G 1 | |
20 ml scintillation vial | Fisher Scientific | 50-367-126 | |
Stainless steel spatula | Fisher Scientific | 14-373-25A | |
Alto acrylic 1.0 mm mouse brain, coronal | CellPoint Scientific | Catalog number not available | |
0.21 mm stainless steel blades, 25 pk | CellPoint Scientific | Catalog number not available | Reusable cryostat blades are an inexpensive alternative. |
4% paraformaldehyde | Santa Cruz Biotechnology | SC-281692 | |
Superfrost microscope slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
HP Scanjet G4050 | Multiple sellers | Catalog number not available | Other commercial scanners are suitable for this step in the protocol. |
ImageJ | National Institute of Health | Catalog number not available | |
Analytical Balance | Mettler Toledo | XSE 205U | |
Precision Compact Oven | Thermo Scientific | PR305225M | |
1.7 mL microcentrifuge tubes (Eppendorfs) | Denville Scientific | C2170 | |
Formamide | Fisher Scientific | BP228-100 | |
96-well plates | Fisher Scientific | 07-200-9 | |
Epoch Microplate Spectrophotometer | BioTek | Catalog number not available |