En rotte halspulsåren Tryk-kontrolleret segmental ballon skade med Periadventitial Terapeutisk Application
Summary
Den rotte halspulsåren ballon skade efterligner den kliniske angioplastik procedure, der udføres for at genoprette blodgennemstrømningen i aterosklerotiske fartøjer. Denne model fremkalder arteriel skade respons ved distending arteriel væg, og benægte intimal lag af endotelceller, i sidste ende forårsager remodeling og en intimal hyperplastisk reaktion.
Abstract
Hjerte-kar-sygdomme er fortsat den hyppigste årsag til død og handicap på verdensplan, dels på grund af åreforkalkning. Aterosklerotisk plak indsnævrer det luminale overfladeareal i arterierne og reducerer derved tilstrækkelig blodgennemstrømning til organer og distal væv. Klinisk, revascularization procedurer såsom ballon angioplastik med eller uden stent placering har til formål at genoprette blodgennemstrømningen. Selvom disse procedurer genopretter blodgennemstrømningen ved at reducere plakbyrden, beskadiger de karvæggen, som indleder den arterielle helbredende reaktion. Den langvarige helbredende reaktion forårsager arteriel restenosis, eller re-indsnævring, i sidste ende begrænser den langsigtede succes af disse revascularization procedurer. Derfor er prækliniske dyremodeller en integreret del af analysen af de patofysiologiske mekanismer, der driver restenosis, og giver mulighed for at teste nye terapeutiske strategier. Murine modeller er billigere og lettere at operere på end store dyremodeller. Ballon eller wire skade er de to almindeligt accepterede skade modaliteter, der anvendes i murine modeller. Især ballonskademodeller efterligner den kliniske angioplastikprocedure og forårsager tilstrækkelig skade på arterien til udvikling af restenose. Heri beskriver vi de kirurgiske detaljer for at udføre og histologisk analysere den modificerede, trykstyrede rotte halspulsåren ballon skade model. Derudover fremhæver denne protokol, hvordan lokal periadventitial anvendelse af terapi kan bruges til at hæmme neointimal hyperplasi. Endelig præsenterer vi lysark fluorescens mikroskopi som en ny tilgang til billeddannelse og visualisering af arteriel skade i tre dimensioner.
Introduction
Hjerte-kar-sygdomme (CVD) er fortsat den hyppigste dødsårsag på verdensplan1. Åreforkalkning er den underliggende årsag til de fleste CVD-relaterede sygelighed og dødelighed. Åreforkalkning er opbygningen af plak inde i arterierne, der resulterer i en indsnævret lumen, der hindrer korrekt blodperfusion til organer og distal væv2. Kliniske indgreb til behandling af svær åreforkalkning omfatter ballon angioplastik med eller uden stent placering. Denne intervention indebærer at fremme en ballon kateter til det sted, plak, og oppustning af ballonen til at komprimere plak til arteriel væg, udvidelse af luminal område. Denne procedure skader arterien, dog indlede arteriel skade svar3. Langvarig aktivering af denne skadesrespons fører til arteriel restenosis, eller re-indsnævring, sekundær til neointimal hyperplasi og fartøj remodeling. Under angioplastik den intimale lag er denuded af endotelceller, der fører til øjeblikkelig blodplade rekruttering og lokal inflammation. Lokal signalering fremkalder fænotypiske ændringer i vaskulære glatte muskelceller (VSMC) og adventitial fibroblaster. Dette fører til migration og spredning af VSMC og fibroblaster indad til lumen, hvilket fører til neointimal hyperplasi4,5. Cirkulerende stamceller og immunceller bidrager også til det samlede volumen af restenosis6. Hvor det er relevant, er narkotika-eluting stenter (DES) den nuværende standard for hæmning af restenosis7. DES hæmmer arteriel re-endothelialization, dog skabe en pro-trombotisk miljø, der kan resultere i sent in-stent trombose8. Derfor er dyremodeller integreret for både at forstå patofysiologien af restenosis og for at udvikle bedre terapeutiske strategier for at forlænge effekten af revasculariseringsprocedurer.
Flere store og små dyremodeller9 bruges til at studere denne patologi. Disse omfatter ballon-skade3,10 eller wire-skade11 af luminal side af en arterie, samt delvis ligation12 eller manchet placering13 omkring arterien. Ballonen og wire skade både denude den endotel lag af arterien, efterligne, hvad der sker klinisk efter angioplastik. Især ballon-skade modeller udnytte lignende værktøjer som i den kliniske indstilling (dvs. ballon kateter). Ballonen skade er bedst udføres i rotte modeller, som rotte arterier er en passende størrelse for kommercielt tilgængelige ballon katetre. Heri beskriver vi en trykstyret segmentåre skade, en veletableret, modificeret version af rotte halspulsåren ballon skade. Denne trykstyrede tilgang efterligner nøje den kliniske angioplastikprocedure og giver mulighed for reproducerbar neointimal hyperplasidannelse to uger efter skade14,15. Derudover resulterer denne trykkontrollerede arteriel skade i fuldstændig endotellagsgendannelse med 2 uger efter operationen16. Dette direkte kontrasterer den oprindelige ballon skade model, beskrevet af Clowes, hvor endotel lag aldrig vender tilbage til fuld dækning3.
Efter operationen, kan terapeutiske anvendes til eller rettet mod den skadede arterie gennem flere tilgange. Den metode, der er beskrevet heri, bruger periadventitial anvendelse af et lille molekyle indlejret i en pluronisk gelopløsning. Specifikt anvender vi en opløsning på 100 μM cinnamic aldehyd i 25% Pluronic-F127 gel til arterien umiddelbart efter skade for at hæmme neointimal hyperplasidannelse15. Pluronic-F127 er en ikke-giftig, termo-reversibel gel i stand til at levere lægemidler lokalt på en kontrolleret måde17. I mellemtiden arteriel skade er lokal, og derfor lokale administration giver mulighed for at teste et aktivt princip og samtidig minimere off-target effekter. Ikke desto mindre vil effektiv levering af en terapeutisk ved hjælp af denne metode afhænge af kemien i det lille molekyle eller den anvendte biologiske.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rottepulsåreballonskaden er en af de mest udbredte og undersøgte dyremodeller. Både den oprindelige ballon skade model3 og den modificerede trykstyrede segmentale skade variation10 har informeret mange aspekter af arteriel skade svar, der også forekommer hos mennesker, med de få begrænsninger er, at fibrin-rige thrombus sjældent udvikler sig og lokal inflammation er minimal i forhold til andre skade modeller såsom i hypercholesterolemic kanin eller svin modeller<sup…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
N.E.B. blev støttet af et uddannelsesstipendium fra National Institute of Environmental Health Sciences (5T32ES007126-35, 2018) og et pre-ph.d.-stipendium fra American Heart Association (20PRE35120321). E.S.M.B. var en KL2-forsker delvist støttet af UNC Clinical and Translational Science Award-K12 Scholars Program (KL2TR002490, 2018) og National Heart, Lung, and Blood Institute (K01HL145354). Forfatterne takker Dr. Pablo Ariel fra UNC Microscopy Services Laboratory for at hjælpe med LSFM. Light Sheet Fluorescens Mikroskopi blev udført på Mikroskopi Services Laboratory. Microscopy Services Laboratory, Institut for Patologi og Laboratoriemedicin, støttes delvist af P30 CA016086 Cancer Center Core Support Grant til UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center.
Materials
| 1 mL Syringe | Fisher | 14955450 | |
| 1 mL Syringe with needle | BD | 309626 | |
| 2 French Fogarty Balloon Embolectomy Catheter | Edwards LifeSciences | 120602F | |
| 4-0 Ethilon (Nylon) Suture | Ethicon Inc | 662H | |
| 4-0 Vicryl Suture | Ethicon Inc | J214H | |
| 7-0 Prolene Suture | Ethicon Inc | 8800H | |
| 70% ethyl alcohol | |||
| Anti-Rabbit Alexa Fluor 647 | Thermo Fisher Scientific | A21245 | |
| Atropine Sulfate | Vedco Inc | for veterinary use | |
| Cotton Swabs | Puritan | 806-WC | |
| Curved Hemostats | Fine Science Tools | 13009-12 | |
| Fine Curved Forceps | Fine Science Tools | 11203-25 | |
| Fine Scissors | Fine Science Tools | 14090-11 | |
| Gauze | Covidien | 2252 | |
| IHC-Tek Diluent (pH 7.4) | IHC World | IW-1000 | |
| Insufflator | Merit Medical | IN4130 | |
| Iodine solution | |||
| Lubricating Eye Ointment | Dechra | for veterinary use | |
| Mayo Scissors | Fine Science Tools | 14010-15 | |
| Micro Serrefines | Fine Science Tools | 18055-05 | |
| Microdissection Scissors | Fine Science Tools | 15004-08 | |
| Micro-Serrefine Clamp Applying Forceps | Fine Science Tools | 18057-14 | |
| Needle Holder | Fine Science Tools | 12003-15 | |
| Pluronic-127 (diluted in sterile water) | Sigma-Aldrich | P2443 | 25% prepared |
| Rabbit Anti-CD31 | Abcam | ab28364 | |
| Retractor | Bent paper clips work well | ||
| Rimadyl (Carprofen) | Zoetis Inc | for veterinary use | |
| Saline solution | |||
| Standard Forceps | Fine Science Tools | 11006-12 | |
| Sterile Drape | Dynarex | 4410 | |
| T-Pins |
Riferimenti
- American Heart Association. Cardiovascular Disease: A Costly Burden for America, Projections Through 2035. American Heart Association CVD Burden Report. , (2017).
- Singh, R. B., Mengi, S. A., Xu, Y. J., Arneja, A. S., Dhalla, N. S. Pathogenesis of atherosclerosis: A multifactorial process. Experimental and Clinical Cardiology. 7 (1), 40-53 (2002).
- Clowes, A. W., Reidy, M. A., Clowes, M. M. Mechanisms of stenosis after arterial injury. Laboratory Investigation. 49 (2), 208-215 (1983).
- Clowes, A. W., Reidy, M. A., Clowes, M. M. Kinetics of cellular proliferation after arterial injury. I. Smooth muscle growth in the absence of endothelium. Laboratory Investigation. 49 (3), 327-333 (1983).
- Sartore, S., et al. Contribution of adventitial fibroblasts to neointima formation and vascular remodeling: from innocent bystander to active participant. Circulation Research. 89 (12), 1111-1121 (2001).
- Tanaka, K., et al. Circulating progenitor cells contribute to neointimal formation in nonirradiated chimeric mice. The FASEB Journal. 22 (2), 428-436 (2008).
- Henry, M., et al. Carotid angioplasty and stenting under protection. Techniques, results and limitations. The Journal of Cardiovascular Surgery. 47 (5), 519-546 (2006).
- Kounis, N. G., et al. Thrombotic responses to coronary stents, bioresorbable scaffolds and the Kounis hypersensitivity-associated acute thrombotic syndrome. Journal of Thoracic Disease. 9 (4), 1155-1164 (2017).
- Jackson, C. L. Animal models of restenosis. Trends in Cardiovascular Medicine. 4 (3), 122-130 (1994).
- Shears, L. L., et al. Efficient inhibition of intimal hyperplasia by adenovirus-mediated inducible nitric oxide synthase gene transfer to rats and pigs in vivo. Journal of the American College of Surgeons. 187 (3), 295-306 (1998).
- Takayama, T., et al. A murine model of arterial restenosis: technical aspects of femoral wire injury. Journal of Visualized Experiments. (97), (2015).
- Zhang, L. N., Parkinson, J. F., Haskell, C., Wang, Y. X. Mechanisms of intimal hyperplasia learned from a murine carotid artery ligation model. Current Vascular Pharmacology. 6 (1), 37-43 (2008).
- Jahnke, T., et al. Characterization of a new double-injury restenosis model in the rat aorta. Journal of Endovascular Therapy. 12 (3), 318-331 (2005).
- Gregory, E. K., et al. Periadventitial atRA citrate-based polyester membranes reduce neointimal hyperplasia and restenosis after carotid injury in rats. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 307 (10), 1419-1429 (2014).
- Buglak, N. E., Jiang, W., Bahnson, E. S. M. Cinnamic aldehyde inhibits vascular smooth muscle cell proliferation and neointimal hyperplasia in Zucker Diabetic Fatty rats. Redox Biology. 19, 166-178 (2018).
- Bahnson, E. S., et al. Long-term effect of PROLI/NO on cellular proliferation and phenotype after arterial injury. Free Radical Biology and Medicine. 90, 272-286 (2016).
- Gilbert, J. C. W., Davies, M. C., Hadgraft, J. The behaviour of Pluronic F127 in aqueous solution studied using fluorescent probes. International Journal of Pharmaceutics. 40 (1-2), 93-99 (1987).
- Tulis, D. A. Histological and morphometric analyses for rat carotid balloon injury model. Methods in Molecular Medicine. 139, 31-66 (2007).
- Buglak, N. E., et al. Light Sheet Fluorescence Microscopy as a New Method for Unbiased Three-Dimensional Analysis of Vascular Injury. Cardiovascular Research. , (2020).
- Renier, N., et al. iDISCO: a simple, rapid method to immunolabel large tissue samples for volume imaging. Cell. 159 (4), 896-910 (2014).
- Ariel, P. . UltraMicroscope II – A User Guide. , (2018).
- Touchard, A. G., Schwartz, R. S. Preclinical restenosis models: challenges and successes. Toxicologic Pathology. 34 (1), 11-18 (2006).
- Xiangdong, L., et al. Animal models for the atherosclerosis research: a review. Protein Cell. 2 (3), 189-201 (2011).
- Chen, H., Li, D., Liu, M. Novel Rat Models for Atherosclerosis. Journal of Cardiology and Cardiovascular Sceinces. 2 (2), 29-33 (2018).
- Xing, D., Nozell, S., Chen, Y. F., Hage, F., Oparil, S. Estrogen and mechanisms of vascular protection. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 29 (3), 289-295 (2009).
- Tulis, D. A. Rat carotid artery balloon injury model. Methods in Molecular Medicine. 139, 1-30 (2007).
- Pellet-Many, C., et al. Neuropilins 1 and 2 mediate neointimal hyperplasia and re-endothelialization following arterial injury. Cardiovascular Research. 108 (2), 288-298 (2015).
- Wu, B., et al. Perivascular delivery of resolvin D1 inhibits neointimal hyperplasia in a rat model of arterial injury. Journal of Vascular Surgery. 65 (1), 207-217 (2017).
- Tan, J., Yang, L., Liu, C., Yan, Z. MicroRNA-26a targets MAPK6 to inhibit smooth muscle cell proliferation and vein graft neointimal hyperplasia. Scientific Reports. 7, 46602 (2017).
- Pearce, C. G., et al. Beneficial effect of a short-acting NO donor for the prevention of neointimal hyperplasia. Free Radical Biology and Medicine. 44 (1), 73-81 (2008).
- Cao, T., et al. S100B promotes injury-induced vascular remodeling through modulating smooth muscle phenotype. Biochimica et Biophysica Acta – Molecular Basis of Disease. 1863 (11), 2772-2782 (2017).
- Madigan, M., Entabi, F., Zuckerbraun, B., Loughran, P., Tzeng, E. Delayed inhaled carbon monoxide mediates the regression of established neointimal lesions. Journal of Vascular Surgery. 61 (4), 1026-1033 (2015).
- Khurana, R., et al. Angiogenesis-dependent and independent phases of intimal hyperplasia. Circulation. 110 (16), 2436-2443 (2004).
- Tsihlis, N. D., Vavra, A. K., Martinez, J., Lee, V. R., Kibbe, M. R. Nitric oxide is less effective at inhibiting neointimal hyperplasia in spontaneously hypertensive rats. Nitric Oxide. 35, 165-174 (2013).
- Chen, J., et al. Inhibition of neointimal hyperplasia in the rat carotid artery injury model by a HMGB1 inhibitor. Atherosclerosis. 224 (2), 332-339 (2012).
- Mano, T., Luo, Z., Malendowicz, S. L., Evans, T., Walsh, K. Reversal of GATA-6 downregulation promotes smooth muscle differentiation and inhibits intimal hyperplasia in balloon-injured rat carotid artery. Circulation Research. 84 (6), 647-654 (1999).
- Becher, T., et al. Three-Dimensional Imaging Provides Detailed Atherosclerotic Plaque Morphology and Reveals Angiogenesis after Carotid Artery Ligation. Circulation Research. 126 (5), 619-632 (2020).
