Injection d’échafaudages de biomatériaux d’hydrogel au cerveau après un AVC

Summary

L’AVC est un problème mondial avec des options de traitement minimales et aucune thérapie clinique actuelle pour régénérer le tissu cérébral perdu. Nous décrivons ici des méthodes pour créer un AVC photothrombotique précis dans le cortex moteur des rongeurs et l’injection ultérieure de biomatériaux d’hydrogel pour étudier leurs effets sur la régénération tissulaire après un AVC.

Abstract

L’AVC est la principale cause d’invalidité et la cinquième cause de décès aux États-Unis. Environ 87% de tous les accidents vasculaires cérébraux sont des accidents vasculaires cérébraux ischémiques et sont définis comme le blocage soudain d’un vaisseau fournissant du sang au cerveau. Dans les minutes qui suivent le blocage, les cellules commencent à mourir et entraînent des lésions tissulaires irréparables. Les traitements thérapeutiques actuels se concentrent sur l’élimination des caillots ou la lyse pour permettre la reperfusion et prévenir des lésions cérébrales plus graves. Bien que la plasticité cérébrale transitoire puisse sauver une partie des tissus endommagés au fil du temps, des fractions importantes de patients se retrouvent avec des déficits neurologiques qui ne disparaîtront jamais. Il y a un manque d’options thérapeutiques pour traiter les déficits neurologiques causés par un ACCIDENT VASCULAIRE CÉRÉBRAL, ce qui souligne la nécessité de développer de nouvelles stratégies pour traiter cette population croissante de patients. Les biomatériaux injectables sont actuellement conçus pour améliorer la plasticité cérébrale et améliorer la réparation endogène grâce à l’administration d’agents actifs ou de cellules souches. Une méthode pour tester ces approches consiste à utiliser un modèle d’AVC de rongeur, à injecter le biomatériau dans le noyau de l’AVC et à évaluer la réparation. Connaître l’emplacement précis du noyau de l’AVC est impératif pour le traitement précis après l’AVC, par conséquent, un modèle d’AVC qui aboutit à un emplacement prévisible de l’AVC est préférable pour éviter le besoin d’imagerie avant l’injection. Le protocole suivant couvrira comment induire un accident vasculaire cérébral photothrombotique, comment injecter un hydrogel de manière contrôlée et précise, et comment extraire et cryosectionner le cerveau tout en gardant le biomatériau intact. En outre, nous soulignerons comment ces mêmes matériaux d’hydrogel peuvent être utilisés pour la co-administration de cellules souches. Ce protocole peut être généralisé à l’utilisation d’autres biomatériaux injectables dans le noyau de l’AVC.

Introduction

L’AVC est la principale cause d’invalidité et la cinquième cause de décès aux États-Unis¹. Environ 87% de tous les accidents vasculaires cérébraux sont ischémiques, tandis que la majorité des 13% restants sont hémorragiques². Un AVC ischémique est défini comme le blocage du flux sanguin dans une artère vers le tissu environnant. Cette occlusion entraîne une privation d’oxygène et une nécrose subséquente qui entraîne souvent une invalidité permanente chez les patients survivants. Bien qu’il y ait eu une diminution du taux de mortalité des accidents vasculaires cérébraux^3,sa prévalence devrait augmenter pour atteindre 3,4 millions de personnes d’ici 2030⁴. Cette augmentation du nombre de survivants handicapés et le fardeau économique qui en résulte ont conduit à une poussée pour la recherche sur les accidents vasculaires cérébraux qui se concentre sur les mécanismes de réparation neuronale. Après un AVC, il y a une période inflammatoire qui conduit à la formation d’une cicatrice qui empêche la région nécrotique de se développer. La région entourant le noyau nécrotique est appelée « péri-infarctus » et il existe des preuves solides que la plasticité dans cette région, qui comprend une augmentation de l’angiogenèse, de la neurogenèse et de la germination axonale, est directement liée à la récupération observée chez les modèles animaux et les humains⁵. Comme il n’existe pas de modèles in vitro capables de reproduire correctement les interactions complexes qui suivent un AVC, les modèles animaux sont essentiels pour la recherche sur l’AVC.

Il existe plusieurs modèles in vivo qui peuvent être utilisés pour produire un AVC ischémique. L’un des modèles les plus couramment utilisés chez la souris est l’occlusion de l’artère cérébrale moyenne, ou MCAo, par occlusion distale ou proximale (via un filament intra-artériel). Le modèle proximal, également connu sous le nom de filament MCAo (fMCAo), entraîne généralement de grands accidents vasculaires cérébraux ischémiques qui englobent de 5% à 50% de l’hémisphère cérébral, en fonction du nombre de facteurs^6. Dans ces modèles, une suture ou un filament est avancé de l’artère carotide interne à la base de l’artère cérébrale moyenne (ACM) et maintenu en place pendant une période de temps spécifique. Cette méthode d’occlusion, qui peut être rendue temporaire ou permanente, produit un infarctus centré dans le striatum et peut ou non impliquer une sus-couche du cortex^6. La taille de la course résultante est très variable et des techniques d’imagerie, telles que le doppler laser, sont nécessaires pour confirmer l’efficacité de la procédure chez chaque souris. L’occlusion de filament intra-artérielle ou intra-luminale qui dure plus de 30 minutes produit des traits à l’extrémité la plus large de la plage de taille. Certains chercheurs se sont concentrés sur des temps d’occlusion de filament plus courts, ce qui nécessite une mise au point expérimentale substantielle et une validation en laboratoire⁷. Les modèles de filament MCAo chez la souris suivent des stades similaires de mort cellulaire, de progression ischémique et de formation d’une région de péri-infarctus comme on le voit dans les cas d’accident vasculaire cérébral humain; cependant, les accidents vasculaires cérébraux plus importants ressemblent davantage à l’état pathologique des infarctus cérébraux malins, qui sont moins fréquents, moins traitables accidents vasculaires cérébraux humains⁶. Pendant ce temps, l’occlusion distale de MCA nécessite une chirurgie et une craniectomie plus impliquées. Dans ce modèle, la partie distale du MCA qui longe la surface du cerveau est directement obstruée par une attache de suture ou une cautérisation. Dans certaines variantes de la technique, les artères carotides sont obstruées unilatéralement ou transitoirement-bilatéralement. Un avantage du MCAo distal est qu’il produit une course corticale de taille moins variable que le modèle de filament. Cependant, le modèle distal produit un rendement comportemental plus faible en raison de la transsection de l’artère carotide externe (ECA), ce qui est également une préoccupation avec fMCAo⁶.

Un modèle d’AVC alternatif connu pour être moins invasif est le modèle photothrombotique (PT). Le modèle PT donne un emplacement bien défini de l’ischémie et est associé à un taux de survie élevé⁸. La technique repose sur un colorant photosensible injecté par voie intrapéritonéale qui permet la photo-oxydation intravasculaire simplement en irradiant le tissu désiré avec une lumière ou un laser^9. Lors de l’excitation, des radicaux d’oxygène se forment qui causent des dommages endothéliaux, ce qui active l’agrégation plaquettaire et la formation de caillots dans la zone irradiée^8,9. Le contrôle étroit de la taille et de l’emplacement de la course, ainsi que la reproductibilité élevée du modèle PT, le rendent idéal pour l’étude des biomatériaux. Bien que la précision soit rendue possible à l’aide d’un laser et de coordonnées stéréotaxiques, certains inconvénients peuvent rendre ce modèle moins idéal pour peu d’études. Contrairement au modèle fMCAo, le modèle PT stroke ne peut pas être réaffûté. Par conséquent, les matériaux pour étudier les agents neuroprotecteurs spécifiques aux dommages après la reperfusion ou les mécanismes suivant la reperfusion ne seraient pas utiles ici⁸. De plus, en raison de l’insulte microvasculaire du modèle PT, une pénombre ischémique relativement petite est observée. Au lieu de cela, un œdème vasogénique local se produit, ce qui n’est pas caractéristique de l’accident vasculaire cérébral humain, ce qui rend ce modèle indésirable pour les études précliniques sur les médicaments axées sur la zone du péri-infarctus^6,8.

L’objectif global des stratégies de biomatériaux dans l’AVC est soit de fournir des agents bioactifs, soit d’agir comme une matrice extracellulaire de substitution pour la croissance des tissus cérébraux. Une stratégie que nous explorerons à l’aide de nos méthodes consiste à administrer de l’hydrogel directement dans le noyau de l’AVC, par opposition au tissu péri-infarctus où de nombreuses thérapies cellulaires actuelles sont administrées¹⁰. La raison d’être de cette approche est que l’administration dans le tissu nécrotique trouvé dans le noyau évitera de perturber le tissu sain ou en convalescence environnant. Nous supposons que la diffusion de tous les agents actifs inclus dans le biomatériau pourra atteindre le péri-infarctus à partir du noyau, d’autant plus que nous constatons que la livraison de biomatériaux hydrogel réduit l’épaisseur de la cicatrice^{gliale 11}. Ceci est important car il a été démontré que la région du péri-infarctus présente une neuroplasticité après un AVC, ce qui en fait une cible attrayante. En outre, l’administration d’une matrice de substitution au noyau de l’AVC peut être chargée de facteurs angiogéniques¹² ou neurogènes¹³ pour guider la formation de nouveaux tissus, ainsi que de cellules pour l’accouchement¹⁴. L’administration cellulaire est grandement améliorée par l’utilisation d’une matrice car elle protège les cellules des forces d’injection sévères et de l’environnement local présents pendant l’accouchement, ainsi que favorise la différenciation et la greffe¹⁵.

Ces biomatériaux thérapeutiques injectables ont une pertinence clinique dans les applications d’AVC, car il n’existe actuellement aucune thérapie médicale qui stimule la récupération neuronale après un AVC. Les circuits neuronaux sous-jacents impliqués dans la récupération se trouvent dans le tissu cérébral adjacent au noyau de l’AVC¹⁶, tandis que le noyau de l’AVC lui-même est dépourvu de tissu neural viable. Nous prévoyons que l’administration d’un biomatériau dans le noyau de l’AVC nécrotique a le potentiel de stimuler le tissu adjacent vers des processus de régénération par un certain nombre de mécanismes mentionnés précédemment, y compris la libération de dépôt de facteurs de croissance¹³, la stimulation de la croissance tissulaire et la promotion de la récupération du développement du tissu cérébral^11,12, l’altération des réponses immunitaires¹⁷, et l’administration de thérapies dérivées de cellules souches^{14, 18}. Cependant, pour étudier efficacement la possibilité de ces applications, une méthode cohérente et reproductible pour induire un AVC et injecter des biomatériaux est nécessaire. Le modèle de course PT utilise des techniques qui offrent un contrôle précis sur l’orientation et l’emplacement de la course. Un laser fixé au dispositif stéréotaxique guide les orientations et des pompes fixées aux dispositifs stéréotaxiques contrôlent le taux d’injection du matériau sans avoir besoin de formes supplémentaires d’imagerie. Par conséquent, nous avons choisi de décrire les méthodes permettant d’effectuer un AVC PT dans les cortex moteurs de souris et d’injecter des biomatériaux dans le noyau de l’AVC. Ici, nous utilisons des hydrogels de particules recuites microporeuses (MAP) comme biomatériau pour injection sans cellules ni facteurs de croissance ajoutés. De plus, nous expliquons comment récupérer avec succès le cerveau avec des biomatériaux intacts et nous discutons des tests d’immunochimie utilisés pour analyser le résultat de l’AVC avec et sans injection de biomatériaux.

Protocol

Les expériences ont été menées conformément à l’IUCAC de l’Université Duke et de l’Université de Californie à Los Angeles. Des souris mâles C57Bl/6J âgées de 8 à 12 semaines ont été utilisées dans cette étude. Les animaux ont été logés sous température contrôlée (22 ± 2 °C), avec une période de cycle lumière-obscurité de 12 h et un accès ad libitum à de la nourriture et de l’eau en granulés. Les protocoles d’analgésie et de sédation sont décrits comme approuvés par l’IUCAC, …

Representative Results

Le but de cette méthode était de démontrer comment injecter des biomatériaux dans le cerveau après un AVC. Un modèle photothrombotique avec du bengale rose et un laser de 520 nm a été utilisé pour contrôler l’orientation de la lésion de course en taille et en emplacement. Cinq jours après l’AVC, l’infarctus a pu être visualisé pendant la chirurgie(Figure 1B)et par TTC et imagerie des lames colorées par IHC (Figure 2). Une augmentation du dia…

Discussion

Ici, nous démontrons un modèle d’AVC permanent, peu invasif et facilement reproductible et décrivons comment injecter un biomatériau dans l’infarctus cinq jours après l’AVC. L’utilisation du colorant photothrombotique Rose Bengal et d’un laser collimaté de 520 nm connecté au dispositif stéréotaxique nous donne la possibilité de positionner le coup au niveau du cortex moteur de la souris avec une précision accrue. Cinq jours après l’AVC, l’emplacement de l’infarctus est visible à l’œil nu a…

Materials

10% Normal Goat Serum	VWR	100504-028	For blocking buffer
2-ply alcohol pre pad, Sterile, Medium	Medline	MDS090735
25uL Hamilton Syringe 702RN, no needle	Fishcer Scientific	14824663	Syringes used to inject biomaterials
25uL Positive displacement pipette	Gilson	M-25
2x Beam Expander, 400-650nm	Thorlabs	GBE02-A	Laser beam expander
Adjustable Stage Platform	Kopf Instruments	901
Anti-Glucose Transporter GLUT1 antibody, rabbit	Abcam	ab113435
Anti-Iba1 Antibody, goat	abcam	ab5076
BD Vacutainer Safety-Lok Blood Collection Sets. 25G, 12"	Medsupply	367294	For perfusions
BKF12- Matte Black Aluminum Foil	Thorlabs	BKF12	To cover anything that is reflective when using laser.
Bone Iris Mini Scissors – 3-1/2"	Sklar surgical instruments	64-2035
C57BL/6 Mice	Jackson Laboratory	000664	8-12 weeks of age
Cage Assembly Rob	Thorlabs	ER3-P4	3" Long, diameter 6mm, 4 pack – for attaching laser to sterotax
Carbon Steel Burrs -0.5mm Diameter	Fine Science Tools	19007-05	For creating burr hole
Chromium(III) potassium sulfate dodecahydrate	VWR	EM1.01036.0250
Compact Controller for pigtailed lasers	Thorlabs	CLD1010LP
Cotton Swabs	VWR	89031-288
CP 25 pipette tips	Gilson	F148012
Donkey anti-goat IgG H&L (488)	abcam	ab150129
Donkey Anti-rabbit IgG H&L (647)	abcam	ab150075
Donkey Anti-rat IgG H&L (555)	abcam	ab150154
EMS DPX Mountant	Elecron Microscopy Sciences	13512	Mounting solution for slides
EMS Gelatin Powder Type A 300 Bloom	Electron Microscopy Sciences	16564	For gelatin coating slides
EMS Paraformaldehyde, Granular	VWR	100504-162	For making 45 PFA
ESD Worstation kit	Elmstat	WSKK5324SB	Need for setting up the laser
Fiber Bench Wall Plate, unthreaded	Thorlabs	HCA3	Need for connecting laser to Kopf shaft
FiberPort	Thorlabs	PAF-X-5-A	FC/APC& APC, f=4.6mm, 350-700nm, diameter 0.75mm
Fine Scissors – straight/sharp-blunt/10cm	Fine Science Tools	14028-10
GFAP Antibody, rat	Thermo Fisher Scientific	13-0300
Heating Plate	Kopf Instruments	HP-4M
ImmEdge Hydrophobic Barrier Pen	Vector Laboratories	H-4000	For staining slides
IMPAC 6-Integrated Multi Patient Anesthesia Center	VetEquip	901808
Iodine Prep Pads	Medx Supple	MED MDS093917H
Jewlers Forceps #5	GFS chemicals	46085
Laser Safety Glasses	Thorlabs	LG10B	Amber Lenses, 35% Visible light (googles versions available too)
M27-1084 Powerful LED Dual Goose-neck	United Scope	LED-11C
Medical USP Grade Oxygen	Airgas	OX USP250
Miltex Adson Dressing Forceps, Disecting-grade	Intefra Miltex	V96-118
Mini Cord/Cordless Small Animal Trimmer	Harvard aparatus	72-6110
Mini-pump variable flow	Thomas Scientific	70730-064	Pump for perfusions
Mouse Brain Matrices, Coronal Slices, 1mm	Kent Scientific	RBMA-200c	For TTC slices
Mouse Gas Anethesia Head Holder	Kopf Instruments	923-B
Nanojet Control Box	Chemyx	10050
Nanojet pump header	Chemxy	10051	Attach to stereotaxic device for injecting biomaterial
Needle RN 30G PT STY 3, 0.5 inch	Fishcer Scientific	NC9459562
Non-rupture ear bars 60º	Kopf Instruments	922
PBS buffer pH 7.4	VWR	97062 338
Pigtaled laser 520 nm, 100mW, 5G Pin	Thorlabs	LP520-MF100
Positive charge glass slides	Hareta	AHS90-WH
Power engergy meter	Thorlabs	PM100D	Used to measure your mW laser output
Puralube Vet Ointment	Dr. Foster Smith	9N-76855
Rectal Probe Mouse	kopf Instruments	Ret-3-ISO
Rose Bengal Dye 95%	Sigma-Aldrich	330000-5G
Shaft Modified 8-32 threaded hole 1/2" depth	Kopf Instruments	1770-02	For connecting laser to sterotaxic device
Slim photodiode power sensor	Thorlabs	S130VC	Used with power energy meter
SM1-Threaed 30 mm Cage Plate 0.35" thick 2 Retaining	Thorlabs	CP02	For connecting laser expander
Sol-M U-100 Insuline syringe with 1/2 unit markings 0.5 mL	VWR	10002-726	To inject rose bengal
StainTray Slide Staining System	Simport Scientific	M920-2	For staining slides
Sterotaxic device	Kopf Instruments	940	Small Animal Stereotaxic Instrument
Student Adson Forceps -1×2 teeth	Fine Science Tools	91127-12
Student Fine Forceps – straight/broad Shanks	Fine Science Tools	91113-10
Temperature Controller	Kopf Instruments	TCAT-2LV
Tissue-Tek OCT compound	VWR	25608-930
Triton X-100	VWR	97063-864
Upper Bracket Clamp	Kopf Instruments	1770-c	For connecting laser to sterotaxic device
Vetbond Tissue Adhessive 3mL	Santa Cruz Biotechnology	sc-361931
Vogue Professional My Manicurist	Bargin Source	6400	For Burrs
VWR Bead Sterilizers	VWR	75999-328
Tissue Tek OCT compound	Sakura	4583	For tissue embeding