En råtta halsartären tryckkontrollerad segmental ballong skada med periadventitial terapeutisk tillämpning
Summary
Råtta halsartären ballong skada efterliknar kliniska angioplastik förfarande utförs för att återställa blodflödet i åderförkalkning fartyg. Denna modell inducerar kranskärlens skada svar genom att distending kranskärlens väggen, och denuding intimal skiktet av endotelceller, i slutändan orsakar ombyggnad och en intimal hyperplastic svar.
Abstract
Hjärt-kärlsjukdom är fortfarande den främsta dödsorsaken och funktionshinder över hela världen, delvis på grund av åderförkalkning. Atherosclerotic plack smalnar av den luminala ytan i artärer och minskar därmed adekvat blodflöde till organ och distala vävnader. Kliniskt, revascularization förfaranden såsom ballong angioplastik med eller utan stent placering syftar till att återställa blodflödet. Även om dessa förfaranden återupprättar blodflödet genom att minska plackbördan, skadar de kärlväggen, som initierar kranskärlens helande svar. Det långvariga helande svaret orsakar kranskärlens restenosis, eller re-narrowing, vilket i slutändan begränsar den långsiktiga framgången för dessa revascularization förfaranden. Därför är prekliniska djurmodeller integrerade för att analysera de patofysiologiska mekanismerna som driver restenosis, och ger möjlighet att testa nya terapeutiska strategier. Murinmodeller är billigare och lättare att använda än stora djurmodeller. Ballong- eller trådskada är de två allmänt accepterade skademodaliteterna som används i murinmodeller. Ballong skada modeller i synnerhet efterlikna den kliniska angioplastik förfarandet och orsaka adekvat skada på artären för utveckling av restenosis. Häri beskriver vi de kirurgiska detaljerna för att utföra och histologiskt analysera den modifierade, tryckstyrda råtta halsartären ballong skada modell. Dessutom belyser detta protokoll hur lokala periadventitial tillämpning av terapier kan användas för att hämma neointimal hyperplasi. Slutligen presenterar vi ljusplåt fluorescensmikroskopi som ett nytt tillvägagångssätt för bildbehandling och visualisering av kranskärlens skada i tre dimensioner.
Introduction
Hjärt-kärlsjukdom (CVD) är fortfarande den främsta dödsorsaken i världen1. Åderförkalkning är den underliggande orsaken till de flesta CVD-relaterade sjuklighet och dödlighet. Åderförkalkning är uppbyggnaden av plack inuti artärer som resulterar i en smal lumen, vilket hindrar korrekt blodperfusion till organ och distalavävnader 2. Kliniska interventioner för behandling av svår åderförkalkning inkluderar ballong angioplastik med eller utan stent placering. Denna intervention innebär att föra en ballongkateter till plackplatsen och blåsa upp ballongen för att komprimera plack till artärväggen och bredda luminalområdet. Detta förfarande skadar artären, men initierar kranskärlens skaderespons3. Långvarig aktivering av denna skada svar leder till kranskärlens restenosis, eller re-narrowing, sekundärt till neointimal hyperplasi och fartyg ombyggnad. Under angioplastik denuderas intimal skiktet av endotelceller som leder till omedelbar trombocyt rekrytering och lokal inflammation. Lokala signalering inducerar fenotypiska förändringar i vaskulär glatt muskelceller (VSMC) och oavsiktliga fibroblaster. Detta leder till migration och spridning av VSMC och fibroblaster inåt till lumen, vilket leder till neointim hyperplasi4,5. Cirkulerande stamceller och immunceller bidrar också till den totala volymen av restenosis6. I tillämpliga fall är läkemedelsutspänande stentar (DES) den nuvarande standarden för att hämma restenosis7. DES hämmar kranskärlens återendotelisering, vilket skapar en pro-trombotisk miljö som kan resultera i sen in-stent trombos8. Därför är djurmodeller integrerade för att både förstå restosis patofysiologi och för att utveckla bättre terapeutiska strategier för att förlänga effekten av revaskulariseringsprocedurer.
Flera stora och små djurmodeller9 används för att studera denna patologi. Dessa inkluderar ballongskada3,10 eller trådskada11 på den luminala sidan av en artär, liksom partiell ligatur12 eller manschettplacering13 runt artären. Ballong och tråd skada båda förnekar endotel skiktet i gatan, härma vad som uppstår kliniskt efter angioplastik. I synnerhet använder ballongskada modeller liknande verktyg som i den kliniska inställningen (dvs. ballongkateter). Ballongskadan utförs bäst i råttmodeller, eftersom råttartärer är en lämplig storlek för kommersiellt tillgängliga ballongkatetrar. Häri beskriver vi en tryck-kontrollerade segmental kranskärlens skada, en väletablerad, modifierad version av råtta halsartären ballong skada. Detta tryckkontrollerade tillvägagångssätt efterliknar noggrant det kliniska angioplastikförfarandet och möjliggör reproducerbar neointimal hyperplasibildning två veckor efterskada 14,15. Dessutom resulterar denna tryckkontrollerade kranskärlsskada i fullständig endotel skikt restaurering av 2 veckor efter kirurgi16. Detta kontrasterar direkt den ursprungliga ballongskadamodellen, beskriven av Clowes, där det endotelskiktet aldrig återgår till full täckning3.
Efter operationen kan terapier appliceras på eller riktas mot den skadade artären genom flera tillvägagångssätt. Metoden som beskrivs häri använder periadventitial tillämpning av en liten molekyl inbäddad i en pluronic gel lösning. Specifikt applicerar vi en lösning på 100 μM cinnamic aldehyd i 25% Pluronic-F127 gel på artären omedelbart efter skada för att hämma neointimal hyperplasi bildas15. Pluronic-F127 är en giftfri, termo-reversibel gel som kan leverera läkemedel lokalt på ett kontrollerat sätt17. Samtidigt är arteriell skada lokal, därför tillåter lokal administration att testa en aktiv princip samtidigt som man minimerar off-target effekter. Ändå kommer effektiv leverans av en terapeutisk med denna metod att bero på kemin hos den lilla molekylen eller den biologiska som används.
Protocol
Representative Results
Discussion
Råttkarotidartärens ballongskada är en av de mest använda och studerade restenosis djurmodellerna. Både den ursprungliga ballongskadamodell 3 och den modifierade tryckstyrda segmental skada variation10 har informerat många aspekter av kranskärlens skada svar som också uppstår hos människor, med de få begränsningarna är att fibrin-rika blodproppar sällan utvecklas och lokal inflammation är minimal jämfört med andra skademodeller såsom i hypercholesterolemic…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
N.E.B. fick stöd av ett utbildningsbidrag från National Institute of Environmental Health Sciences (5T32ES007126-35, 2018) och american heart association pre-doctoral fellowship (20PRE35120321). E.S.M.B. var en KL2-forskare som delvis stöddes av UNC Clinical and Translational Science Award-K12 Scholars Program (KL2TR002490, 2018) och National Heart, Lung, and Blood Institute (K01HL145354). Författarna tackar Dr Pablo Ariel från UNC Microscopy Services Laboratory för att ha hjälpt till med LSFM. Light Sheet Fluorescence Microscopy utfördes på Microscopy Services Laboratory. Microscopy Services Laboratory, Institutionen för patologi och laboratoriemedicin, stöds delvis av P30 CA016086 Cancer Center Core Support Grant till 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).
