Herzstillstandsmodell der Maus für die Bildgebung des Gehirns und die Überwachung der Gehirnphysiologie während Ischämie und Wiederbelebung
Summary
Dieses Protokoll demonstriert ein einzigartiges Mausmodell für Asphyxie-Herzstillstand, bei dem keine Herzdruckmassage zur Wiederbelebung erforderlich ist. Dieses Modell ist nützlich für die Überwachung und Bildgebung der Dynamik der Gehirnphysiologie während eines Herzstillstands und einer Wiederbelebung.
Abstract
Die meisten Überlebenden eines Herzstillstands (CA) leiden unter unterschiedlich starken neurologischen Defiziten. Um die Mechanismen zu verstehen, die der CA-induzierten Hirnschädigung zugrunde liegen, und in der Folge wirksame Behandlungen zu entwickeln, ist die experimentelle CA-Forschung unerlässlich. Zu diesem Zweck wurden einige Maus-CA-Modelle etabliert. In den meisten dieser Modelle werden die Mäuse in Rückenlage gebracht, um eine Thoraxkompression für die Herz-Lungen-Wiederbelebung (CPR) durchzuführen. Dieses Wiederbelebungsverfahren macht jedoch die Echtzeit-Bildgebung/Überwachung der Gehirnphysiologie während der CA und der Wiederbelebung zu einer Herausforderung. Um dieses wichtige Wissen zu erlangen, stellt das vorliegende Protokoll ein Maus-Asphyxie-CA-Modell vor, das den HLW-Schritt der Thoraxkompression nicht erfordert. Dieses Modell ermöglicht die Untersuchung dynamischer Veränderungen des Blutflusses, der Gefäßstruktur, der elektrischen Potentiale und des Sauerstoffgehalts des Hirngewebes von der Prä-CA-Baseline bis zur frühen Post-CA-Reperfusion. Wichtig ist, dass dieses Modell auf gealterte Mäuse zutrifft. Daher wird erwartet, dass dieses Maus-CA-Modell ein wichtiges Werkzeug für die Entschlüsselung des Einflusses von CA auf die Gehirnphysiologie sein wird.
Introduction
Herzstillstand ist nach wie vor eine globale Krise der öffentlichen Gesundheit1. Allein in den USA werden jährlich mehr als 356.000 Fälle von CA außerhalb des Krankenhauses und 290.000 Fälle im Krankenhaus gemeldet, und die meisten CA-Opfer sind über 60 Jahre alt. Bemerkenswert ist, dass neurologische Beeinträchtigungen nach einer CA bei Überlebenden häufig sind und eine große Herausforderung für das CA-Management darstellen 2,3,4,5. Um pathologische Veränderungen des Gehirns nach der CA und ihre Auswirkungen auf die neurologischen Ergebnisse zu verstehen, wurden verschiedene neurophysiologische Überwachungs- und Hirngewebeüberwachungstechniken bei Patienten angewendet 6,7,8,9,10,11,12. Mittels Nahinfrarotspektroskopie wurde auch eine Echtzeit-Gehirnüberwachung bei CA-Ratten durchgeführt, um neurologische Ergebnisse vorherzusagen13.
In murinen CA-Modellen wurde ein solcher bildgebender Ansatz jedoch durch die Notwendigkeit von Herzdruckmassagen zur Wiederherstellung der spontanen Durchblutung erschwert, die immer mit erheblichen körperlichen Bewegungen verbunden ist und daher empfindliche bildgebende Verfahren behindert. Darüber hinaus werden CA-Modelle normalerweise mit Mäusen in Rückenlage durchgeführt, während die Mäuse für viele bildgebende Verfahren des Gehirns in die Bauchlage gedreht werden müssen. Daher ist in vielen Fällen ein Mausmodell mit minimaler Körperbewegung während der Operation erforderlich, um eine Echtzeit-Bildgebung/Überwachung des Gehirns während des gesamten CA-Eingriffs durchzuführen, der sich von der Prä-CA bis zur Nachreanimation erstreckt.
Zuvor berichteten Zhang et al. über ein Maus-CA-Modell, das für die Bildgebung des Gehirns nützlich sein könnte14. In ihrem Modell wurde CA durch Bolusinjektionen von Vecuronium und Esmolol induziert, gefolgt von der Beendigung der mechanischen Beatmung. Sie zeigten, dass nach 5 Minuten CA eine Wiederbelebung durch Infusion einer Wiederbelebungsmischung erreicht werden konnte. Bemerkenswert ist jedoch, dass der Kreislaufstillstand in ihrem Modell erst etwa 10 s nach der Esmolol-Injektion auftrat. Daher rekapituliert dieses Modell nicht das Fortschreiten der Asphyxie-induzierten CA bei Patienten, einschließlich Hyperkapnie und Gewebehypoxie während der Präarrest-Phase.
Das übergeordnete Ziel des aktuellen chirurgischen Verfahrens ist es, die klinische Asphyxie-CA bei Mäusen zu modellieren, gefolgt von einer Wiederbelebung ohne Herzdruckmassage. Dieses CA-Modell ermöglicht daher den Einsatz komplexer bildgebender Verfahren zur Untersuchung der Gehirnphysiologie bei Mäusen15.
Protocol
Representative Results
Discussion
In experimentellen CA-Studien wurden Asphyxie, Kaliumchlorid-Injektionen oder durch elektrischen Strom abgeleitetes Kammerflimmern verwendet, um CA 16,17,18,19,20,21,22,23 zu induzieren. Normalerweise ist bei diesen CA-Modellen, insbesondere bei Mäusen, ei…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Kathy Gage für ihre redaktionelle Unterstützung. Diese Studie wurde durch Mittel der Abteilung für Anästhesiologie (Duke University Medical Center), Zuschuss der American Heart Association (18CSA34080277) und Zuschüsse der National Institutes of Health (NIH) (NS099590, HL157354, NS117973 und NS127163) unterstützt.
Materials
| Adrenalin | Par Pharmaceutical | NDC 42023-159-01 | |
| Alcohol swabs | BD | 326895 | |
| Animal Bio Amp | ADInstruments | FE232 | |
| BP transducer | ADInstruments | MLT0699 | |
| Bridge Amp | ADInstruments | FE117 | |
| Heparin sodium injection, USP | Fresenius Kabi | NDC 63323-540-05 | |
| Isoflurane | Covetrus | NDC 11695-6777-2 | |
| Laser Doppler perfusion monitor | Moor Instruments | moorVMS-LDF1 | |
| Laser speckle imaging system | RWD | RFLSI III | |
| Lubricant eye ointment | Bausch + Lomb | 339081 | |
| Micro clip | Roboz | RS-5431 | |
| Mouse rectal probe | Physitemp | RET-3 | |
| Needle electrode | ADInstruments | MLA1213 | 29 Ga, 1.5 mm socket |
| Nitrogen | Airgas | UN1066 | |
| Optic plastic fibre | Moor Instruments | POF500 | |
| Otoscope | Welchallyn | 728 | 2.5 mm Speculum |
| Oxygen | Airgas | UN1072 | |
| PE-10 tubing | BD | 427401 | Polyethylene tubing |
| Povidone-iodine | CVS | 955338 | |
| PowerLab 8/35 | ADInstruments | ||
| Rimadyl (carprofen) | Zoetis | 6100701 | Injectable 50 mg/ml |
| Small animal ventilator | Kent Scientific | RoVent Jr. | |
| Temperature controller | Physitemp | TCAT-2DF | |
| Triple antibioric & pain relief | CVS | NDC 59770-823-56 | |
| Vaporizer | RWD | R583S | |
| 0.25% bupivacaine | Hospira | NDC 0409-1159-18 | |
| 0.9% sodium chroride | ICU Medical | NDC 0990-7983-03 | |
| 1 mL plastic syringe | BD | 309659 | |
| 4-0 silk suture | Look | SP116 | Black braided silk |
| 6-0 nylon suture | Ethilon | 1698G | |
| 8.4% sodium bicarbonate Inj., USP | Hospira | NDC 0409-6625-02 | |
| 20 G IV catheter | BD | 381534 | 20GA 1.6 IN |
| 30 G PrecisionGlide needle | BD | 305106 | 30 G X 1/2 |
References
- Smith, A., Masters, S., Ball, S., Finn, J. The incidence and outcomes of out-of-hospital cardiac arrest in metropolitan versus rural locations: A systematic review and meta-analysis. Resuscitation. 185, 109655 (2022).
- Amacher, S. A., et al. Predicting neurological outcome in adult patients with cardiac arrest: systematic review and meta-analysis of prediction model performance. Critical Care. 26 (1), 382 (2022).
- Matsuyama, T., Ohta, B., Kiyohara, K., Kitamura, T. Intra-arrest partial carbon dioxide level and favorable neurological outcome after out-of-hospital cardiac arrest: A nationwide multicenter observational study in Japan (the JAAM-OHCA registry). European Heart Journal of Acute Cardiovascular Care. 12 (1), 14-21 (2023).
- Takahagi, M., Sawano, H., Moriyama, T. Long-term neurological outcome of extracorporeal cardiopulmonary resuscitation for out-of-hospital cardiac arrest patients with nonshockable rhythms: A single-center, consecutive, retrospective observational study. The Journal of Emergency Medicine. 63 (3), 367-375 (2022).
- Mork, S. R., Botker, M. T., Christensen, S., Tang, M., Terkelsen, C. J. Survival and neurological outcome after out-of-hospital cardiac arrest treated with and without mechanical circulatory support. Resuscition Plus. 10, 100230 (2022).
- Koenig, M. A., Kaplan, P. W., Thakor, N. V. Clinical neurophysiologic monitoring and brain injury from cardiac arrest. Neurologic Clinics. 24 (1), 89-106 (2006).
- Cavazzoni, E., Schibler, A. Monitoring of brain tissue oxygen tension and use of vasopressin after cardiac arrest in a child with catecholamine-induced cardiac arrhythmia. Critical Care & Resuscitation. 10 (4), 316-319 (2008).
- Topjian, A. A., et al. Multimodal monitoring including early EEG improves stratification of brain injury severity after pediatric cardiac arrest. Resuscitation. 167, 282-288 (2021).
- Beekman, R., et al. Bedside monitoring of hypoxic ischemic brain injury using low-field, portable brain magnetic resonance imaging after cardiac arrest. Resuscitation. 176, 150-158 (2022).
- Sinha, N., Parnia, S. Monitoring the brain after cardiac arrest: A new era. Current Neurology Neuroscience Report. 17 (8), 62 (2017).
- Reis, C., et al. Pathophysiology and the monitoring methods for cardiac arrest associated brain injury. International Journal of Molecular Sciences. 18 (1), 129 (2017).
- Zhou, H., Lin, C., Liu, J., Wang, X. Continuous monitoring of brain perfusion by cerebral oximetry after spontaneous return of circulation in cardiac arrest: A case report. BMC Neurology. 22 (1), 365 (2022).
- Takegawa, R., et al. Real-time brain monitoring by near-infrared spectroscopy predicts neurological outcome after cardiac arrest and resuscitation in rats: A proof of concept study of a novel prognostic measure after cardiac arrest. Journal Clinical Medicine. 11 (1), 131 (2021).
- Zhang, C., et al. Invasion of peripheral immune cells into brain parenchyma after cardiac arrest and resuscitation. Aging and Disease. 9 (3), 412-425 (2018).
- Duan, W., et al. Cervical vagus nerve stimulation improves neurologic outcome after cardiac arrest in mice by attenuating oxidative stress and excessive autophagy. Neuromodulation. 25 (3), 414-423 (2022).
- Liu, H., et al. Novel modification of potassium chloride induced cardiac arrest model for aged mice. Aging and Disease. 9 (1), 31-39 (2018).
- Shen, Y., et al. Aging is associated with impaired activation of protein homeostasis-related pathways after cardiac arrest in mice. Journal of American Heart Association. 7 (17), e009634 (2018).
- Wang, P., et al. Manganese porphyrin promotes post cardiac arrest recovery in mice and rats. Biologie. 11 (7), 957 (2022).
- Wang, W., et al. Development and evaluation of a novel mouse model of asphyxial cardiac arrest revealed severely impaired lymphopoiesis after resuscitation. Journal of American Heart Association. 10 (11), e019142 (2021).
- Li, R., et al. Activation of the XBP1s/O-GlcNAcylation pathway improves functional outcome after cardiac arrest and resuscitation in young and aged mice. Shock. 56 (5), 755-761 (2021).
- Shen, Y., et al. Activation of the ATF6 (activating transcription factor 6) signaling pathway in neurons improves outcome after cardiac arrest in mice. Journal American Heart Association. 10 (12), e020216 (2021).
- Jiang, M., et al. MCC950, a selective NLPR3 inflammasome inhibitor, improves neurologic function and survival after cardiac arrest and resuscitation. Journal of Neuroinflammation. 17 (1), 256 (2020).
- Zhao, Q., et al. Cardiac arrest and resuscitation activates the hypothalamic-pituitary-adrenal axis and results in severe immunosuppression. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 41 (5), 1091-1102 (2021).
