Endovaskulär perforeringsmodell för subaraknoidalblödning i kombination med magnetisk resonanstomografi (MRI)
Summary
Här presenterar vi en standardiserad SAH-musmodell, inducerad av endovaskulär filamentperforering, i kombination med magnetisk resonansavbildning (MRI) 24 timmar efter operationen för att säkerställa rätt blödningsställe och utesluta andra relevanta intrakraniella patologier.
Abstract
Den endovaskulära filamentperforeringsmodellen för att efterlikna subaraknoidalblödning (SAH) är en vanlig modell – men tekniken kan orsaka en hög dödlighet samt en okontrollerbar volym SAH och andra intrakraniella komplikationer som stroke eller intrakraniell blödning. I detta protokoll presenteras en standardiserad SAH-musmodell, inducerad av endovaskulär filamentperforering, i kombination med magnetisk resonansavbildning (MRI) 24 timmar efter operationen för att säkerställa rätt blödningsställe och utesluta andra relevanta intrakraniella patologier. Kortfattat bedövas C57BL/6J-möss med en intraperitoneal ketamin/xylazin (70 mg/16 mg/kg kroppsvikt) injektion och placeras i ryggläge. Efter snitt i midline-halsen exponeras den gemensamma halspulsådern (CCA) och karotisförgrening, och en 5-0 icke-absorberbar monofilament polypropensutur sätts in på ett retrograd sätt i den yttre halspulsådern (ECA) och avanceras in i den gemensamma halspulsådern. Därefter invagineras filamentet i den inre halspulsådern (ICA) och skjuts framåt för att perforera den främre hjärnartären (ACA). Efter återhämtning från operationen genomgår möss en 7,0 T MR 24 h senare. Blödningsvolymen kan kvantifieras och graderas via postoperativ MR, vilket möjliggör en robust experimentell SAH-grupp med möjlighet att utföra ytterligare subgruppsanalyser baserade på blodmängd.
Introduction
Subaraknoidalblödning (SAH) orsakas av bristning av ett intrakraniellt aneurysm och utgör en livshotande nödsituation, förknippad med betydande sjuklighet och dödlighet, som står för cirka 5% av stroke 1,2. SAH-patienter med svår huvudvärk, neurologisk dysfunktion och progressiv medvetandestörning3. Omkring 30 % av SAH-patienterna dör inom de första 30 dagarna efter den förstablödningshändelsen 4. Kliniskt upplever 50% av patienterna försenad hjärnskada (DBI) efter tidig hjärnskada. DBI kännetecknas av fördröjd cerebral ischemi och fördröjda neurologiska underskott. Aktuella studier har visat att de synergistiska effekterna av flera olika faktorer leder till förlust av neurologisk funktion, inklusive förstörelse av blod-hjärnbarriären, sammandragning av små artärer, mikrocirkulationsdysfunktion och trombos 5,6.
En unik aspekt av SAH är att patogenesen härstammar från en extraparenkymal plats men sedan leder till skadliga kaskader inuti parenkymen: patologin börjar med ackumulering av blod i subaraknoidutrymmet, vilket utlöser en mängd intraparenkymala effekter, såsom neuroinflammation, neuronal och endotelcellapoptos, kortikal spridning av depolarisering och hjärnödembildning7, 8.
Klinisk forskning begränsas av flera faktorer, vilket gör djurmodellen till ett kritiskt element för att konsekvent och exakt efterlikna de patomekanistiska förändringarna av sjukdomen. Olika SAH-modellprotokoll har föreslagits, t.ex. autolog blodinjektion i cisterna magna (ACM). Dessutom en modifierad metod med en dubbel injektion av autologt blod i cisterna magna respektive optisk chiasmcistern (APC) 9,10. Medan autolog blodinjektion är ett enkelt sätt att simulera den patologiska processen med vasospasm och inflammatoriska reaktioner efter subaraknoidalblödning, är följande ökning av intrakraniellt tryck (ICP) relativt långsam, och inga anmärkningsvärda förändringar i permeabiliteten hos blod-hjärnbarriären induceras 11,12. En annan metod, periarterial blodplacering, som vanligtvis används i stora SAH-modeller (t.ex. apor och hundar), innebär att man placerar antikoagulerat autologt blod eller jämförbara blodprodukter runt kärlet. Diameterförändringarna i artären kan observeras med ett mikroskop, som fungerar som en indikator för cerebral vasospasm efter SAH13.
beskrev först en endovaskulär perforeringsmodell 1979 där basilarartären exponeras efter att skallen har tagits bort; artären punkteras sedan med volframmikroelektroder med användning av en mikroskopisk stereotaktisk teknik14. 1995 modifierade Bederson och Veelken Zea-Longa-modellen av cerebral ischemi och etablerade den endovaskulära perforeringen, som kontinuerligt har förbättrats sedan15,16. Denna metod är baserad på det faktum att möss och människor delar ett liknande intrakraniellt vaskulärt nätverk, känt som Willis cirkel.
För postoperativ utvärdering och gradering av SAH i musmodellen har olika tillvägagångssätt föreslagits. utvecklade en betygsskala som har använts i stor utsträckning sedan 200817. Denna metod bedömer svårighetsgraden av SAH baserat på morfologiska förändringar. För denna metod måste dock musens hjärnvävnadsmorfologi undersökas under direkt syn, och därför måste musen offras för bedömning. Dessutom har flera metoder för att bestämma SAH-svårighetsgrad in vivo fastställts. Tillvägagångssätten sträcker sig från enkel neurologisk poängsättning till övervakning av intrakraniellt tryck (ICP) till olika radiologiska avbildningstekniker. Dessutom har MR-gradering visats som ett nytt, icke-invasivt verktyg för att gradera SAH-svårighetsgrad, vilket korrelerar med neurologisk poäng18,19.
Här presenteras ett protokoll för en SAH-modell orsakad av endovaskulär perforering, kombinerat med postoperativ MR. I ett försök att etablera ett system för att objektifiera blödningsmängden i en in vivo-miljö utvecklade vi också ett system för SAH-gradering och kvantifiering av total blodvolym baserat på 7,0 T högupplöst T2-viktad MR. Detta tillvägagångssätt säkerställer korrekt induktion av SAH och uteslutning av andra patologier såsom stroke, hydrocephalus eller intracerebral blödning (ICH) och komplikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sammanfattningsvis presenteras en standardiserad SAH-musmodell inducerad av endovaskulär filamentperforeringsoperation med mindre invasion, kort operativ tid och acceptabla dödlighetsnivåer. MR utförs 24 h postoperativt för att säkerställa rätt blödningsställe och uteslutning av andra relevanta intrakraniella patologier. Dessutom klassificerade vi olika SAH-blödningsgrader och mätte blödningsvolymer, vilket möjliggjorde ytterligare subgruppsanalyser baserade på blödningsgrad.
T…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SL stöddes av det kinesiska stipendierådet. KT stöddes av BIH-MD-stipendiet från Berlin Institute of Health och Sonnenfeld-Stiftung. RX stöds av BIH-Charité Clinician Scientist Program, finansierat av Charité -Universitätsmedizin Berlin och Berlin Institute of Health. Vi erkänner stöd från den tyska forskningsstiftelsen (DFG) och Open Access Publication Fund of Charité – Universitätsmedizin Berlin.
Materials
| Eye cream | Bayer | 815529836 | Bepanthen |
| Images analysis software | ImageJ | Bundled with Java 1.8.0_172 | |
| Ligation suture (5-0) | SMI | Silk black USP | |
| Light source for microscope | Zeiss | CL 6000 LED | |
| Ketamine | CP-pharma | 797-037 | 100 mg/mL |
| MRI | Bruker | Pharmascan 70/16 | 7 Tesla |
| MRI images acquired software | Bruker | Bruker Paravision 5.1 | |
| Paracetamol (40 mg/mL) | bene Arzneimittel | 4993736 | |
| Prolene filament (5-0) | Erhicon | EH7255 | |
| Razor | Wella | HS61 | |
| Surgical instrument (Fine Scissors) | FST | 14060-09 | |
| Surgical instrument (forceps#1) | AESCULAP | FM001R | |
| Surgical instrument (forceps#2) | AESCULAP | FD2855R | |
| Surgical instrument (forceps#3) | Hammacher | HCS 082-12 | |
| Surgical instrument (Needle holder) | FST | 91201-13 | |
| Surgical instrument (Vannas Spring Scissors) | FST | 15000-08 | |
| Surgical microscope | Zeiss | Stemi 2000 C | |
| Ventilation monitoring | Stony Brook | Small Animal Monitoring & Gating System | |
| Wounding suture(4-0) | Erhicon | CB84D | |
| Xylavet | CP-pharma | 797-062 | 20 mg/mL |
References
- Macdonald, R. L., Schweizer, T. A. Spontaneous subarachnoid haemorrhage. The Lancet. 389 (10069), 655-666 (2017).
- van Gijn, J., Kerr, R. S., Rinkel, G. J. Subarachnoid haemorrhage. The Lancet. 369 (9558), 306-318 (2007).
- Abraham, M. K., Chang, W. -. T. W. Subarachnoid hemorrhage. Emergency Medicine Clinics of North America. 34 (4), 901-916 (2016).
- Schertz, M., Mehdaoui, H., Hamlat, A., Piotin, M., Banydeen, R., Mejdoubi, M. Incidence and mortality of spontaneous subarachnoid hemorrhage in martinique. PLOS ONE. 11 (5), 0155945 (2016).
- Okazaki, T., Kuroda, Y. Aneurysmal subarachnoid hemorrhage: intensive care for improving neurological outcome. Journal of Intensive Care. 6 (1), 28 (2018).
- Kilbourn, K. J., Levy, S., Staff, I., Kureshi, I., McCullough, L. Clinical characteristics and outcomes of neurogenic stress cadiomyopathy in aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Clinical Neurology and Neurosurgery. 115 (7), 909-914 (2013).
- de Oliveira Manoel, A. L., et al. The critical care management of spontaneous intracranial hemorrhage: a contemporary review. Critical Care. 20 (1), 272 (2016).
- Schneider, U. C., et al. Microglia inflict delayed brain injury after subarachnoid hemorrhage. Acta Neuropathologica. 130 (2), 215-231 (2015).
- Delgado, T. J., Brismar, J., Svendgaard, N. A. Subarachnoid haemorrhage in the rat: angiography and fluorescence microscopy of the major cerebral arteries. Stroke. 16 (4), 595-602 (1985).
- Piepgras, A., Thomé, C., Schmiedek, P. Characterization of an anterior circulation rat subarachnoid hemorrhage model. Stroke. 26 (12), 2347-2352 (1995).
- Suzuki, H., et al. Heme oxygenase-1 gene induction as an intrinsic regulation against delayed cerebral vasospasm in rats. Journal of Clinical Investigation. 104 (1), 59-66 (1999).
- Dudhani, R. V., Kyle, M., Dedeo, C., Riordan, M., Deshaies, E. M. A Low mortality rat model to assess delayed cerebral vasospasm after experimental subarachnoid hemorrhage. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (71), e4157 (2013).
- Iuliano, B. A., Pluta, R. M., Jung, C., Oldfield, E. H. Endothelial dysfunction in a primate model of cerebral vasospasm. Journal of Neurosurgery. 100 (2), 287-294 (2004).
- Barry, K. J., Gogjian, M. A., Stein, B. M. Small animal model for investigation of subarachnoid hemorrhage and cerebral vasospasm. Stroke. 10 (5), 538-541 (1979).
- Bederson, J. B., Germano, I. M., Guarino, L. Cortical blood flow and cerebral perfusion pressure in a new noncraniotomy model of subarachnoid hemorrhage in the rat. Stroke. 26 (6), 1086-1092 (1995).
- Veelken, J. A., Laing, R. J. C., Jakubowski, J. The Sheffield model of subarachnoid hemorrhage in rats. Stroke. 26 (7), 1279-1284 (1995).
- Sugawara, T., Ayer, R., Jadhav, V., Zhang, J. H. A new grading system evaluating bleeding scale in filament perforation subarachnoid hemorrhage rat model. Journal of Neuroscience Methods. 167 (2), 327-334 (2008).
- Egashira, Y., Shishido, H., Hua, Y., Keep, R. F., Xi, G. New grading system based on magnetic resonance imaging in a mouse model of subarachnoid hemorrhage. Stroke. 46 (2), 582-584 (2015).
- Mutoh, T., Mutoh, T., Sasaki, K., Nakamura, K., Taki, Y., Ishikawa, T. Value of three-dimensional maximum intensity projection display to assist in magnetic resonance imaging (MRI)-based grading in a mouse model of subarachnoid hemorrhage. Medical Science Monitor. 22, 2050-2055 (2016).
- Kothari, R. U., et al. The ABCs of measuring intracerebral hemorrhage volumes. Stroke. 27 (8), 1304-1305 (1996).
- Leclerc, J. L., et al. A comparison of pathophysiology in humans and rodent models of subarachnoid hemorrhage. Frontiers in Molecular Neuroscience. 11, 71 (2018).
- Titova, E., Ostrowski, R. P., Zhang, J. H., Tang, J. Experimental models of subarachnoid hemorrhage for studies of cerebral vasospasm. Neurological Research. 31 (6), 568-581 (2009).
- Marbacher, S., et al. Systematic review of in vivo animal models of subarachnoid hemorrhage: Species, standard parameters, and outcomes. Translational Stroke Research. 10 (3), 250-258 (2019).
- Marbacher, S., Fandino, J., Kitchen, N. D. Standard intracranial in vivo animal models of delayed cerebral vasospasm. British Journal of Neurosurgery. 24 (4), 415-434 (2010).
- Thompson, J. W., et al. In vivo cerebral aneurysm models. Neurosurgical Focus. 47 (1), 1-8 (2019).
- Frontera, J. A., et al. Prediction of symptomatic vasospasm after subarachnoid hemorrhage: The modified fisher scale. Neurosurgery. 59 (1), 21-26 (2006).
- Fisher, C. M., Kistler, J. P., Davis, J. M. Relation of cerebral vasospasm to subarachnoid hemorrhage visualized by computerized tomographic scanning. Neurosurgery. 6 (1), 1-9 (1980).
- Wilson, D. A., et al. A simple and quantitative method to predict symptomatic vasospasm after subarachnoid hemorrhage based on computed tomography: Beyond the fisher scale. Neurosurgery. 71 (4), 869-875 (2012).
- Schüller, K., Bühler, D., Plesnila, N. A murine model of subarachnoid hemorrhage. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (81), e50845 (2013).
