Agravamiento de la isquemia miocárdica tras la exposición a partículas en un modelo animal de aterosclerosis
Summary
Este protocolo describe un modelo animal compuesto con exposición a partículas (PM) que agrava la isquemia miocárdica con aterosclerosis.
Abstract
Los problemas de salud causados por la contaminación del aire (especialmente la contaminación por partículas) están recibiendo cada vez más atención, especialmente entre los pacientes con enfermedades cardiovasculares, lo que agrava los trastornos complicados y causa un mal pronóstico. El modelo de exposición a isquemia miocárdica simple (IM) o partículas (PM) no es adecuado para tales estudios de enfermedades con múltiples causas. Aquí, se ha descrito un método para construir un modelo compuesto que combina la exposición a PM, la aterosclerosis y la isquemia miocárdica. Los ratones ApoE-/− fueron alimentados con una dieta alta en grasas durante 16 semanas para desarrollar aterosclerosis, se realizó la instilación traqueal de la suspensión estándar de PM para simular la exposición pulmonar de PM, y la arteria coronaria descendente anterior izquierda se ligó una semana después de la última exposición. La instilación traqueal de PM puede simular la exposición pulmonar aguda al tiempo que reduce significativamente el costo del experimento; La clásica ligadura de la arteria descendente anterior izquierda con intubación traqueal no invasiva y un nuevo dispositivo de expansión auxiliar pueden garantizar la tasa de supervivencia del animal y reducir la dificultad de la operación. Este modelo animal puede simular razonablemente los cambios patológicos del paciente de infarto de miocardio agravados por la contaminación del aire y proporcionar una referencia para la construcción de modelos animales relacionados con estudios que involucran enfermedades con múltiples causas.
Introduction
La contaminación del aire se ha asociado con una alta mortalidad por todas las causas y contribuyó con una carga significativa de enfermedad más que la suma de la contaminación del agua, la contaminación del suelo y la exposición ocupacional1. Un informe de la OMS reveló que la contaminación del aire exterior causó 4,2 millones de muertes prematuras tanto en ciudades como en zonas rurales de todo el mundo en 20162. El 91% de las personas en todo el mundo viven en lugares donde la calidad del aire excede los límites de las directrices de la OMS2. Además, la materia particulada fina (PM) (≤2,5 μm de diámetro, PM2,5) es reconocida como la amenaza más importante de contaminación del aire para la salud pública mundial3, especialmente para las personas que viven en ciudades de países de ingresos bajos y medios.
Los efectos adversos de la contaminación del aire en las enfermedades cardiovasculares merecen más atención. Estudios previos han demostrado que la PM conduce a un mayor riesgo de enfermedad cardiovascular (ECV)4. La exposición a altas concentraciones de partículas ultrafinas durante varias horas puede conducir a un aumento de la mortalidad por infarto de miocardio. Para las personas con antecedentes de infarto de miocardio, la exposición a partículas ultrafinas puede aumentar significativamente el riesgo de recurrencia5. Además, generalmente se acepta que la exposición a PM acelera la progresión de la aterosclerosis6.
Para la investigación médica, es crucial seleccionar un modelo animal adecuado. Ya existen modelos animales de aterosclerosis simple7, modelos animales de isquemia miocárdica8 y modelos animales de exposición a PM9. El ratón ApoE−/− (apolipoproteína E noqueada) es un modelo de ratón tradicional utilizado en estudios de aterosclerosis. La capacidad de eliminar las lipoproteínas plasmáticas en ratones ApoE−/− se ve gravemente afectada. La alimentación con dieta alta en grasas causaría aterosclerosis severa, asemejándose a la dependencia dietética de la cardiopatía aterosclerótica observada en humanos7. La ligadura de la arteria coronaria descendente anterior izquierda (LAD) es un método clásico para inducir el evento isquémico 8,10. La infusión traqueal ha sido utilizada en muchas investigaciones y se destaca de los modelos de exposición11,12 debido a su mejor simulación y menor costo.
Sin embargo, los modelos animales de una sola enfermedad tienen limitaciones significativas en la investigación científica. La isquemia miocárdica inducida simplemente por la ligadura de LAD no se simula en la situación real. En el estado natural, la isquemia miocárdica suele ser causada por la ruptura de la placa y el bloqueo de las arterias coronarias13. Los pacientes con miocardiopatía isquémica suelen presentar lesiones básicas ateroscleróticas13. También hay metabolismo anormal de los lípidos y reacciones inflamatorias en el cuerpo14. Por lo tanto, la isquemia causada por factores físicos o en condiciones naturales tiene diferentes manifestaciones patológicas. Estudios existentes han demostrado que el infarto y la inflamación en modelos de isquemia miocárdica con aterosclerosis son más graves15,16. La exposición a PM puede agravar aún más la aterosclerosis y la isquemia miocárdica al inducir inflamación y estrés oxidativo1. Tres factores generalmente coexisten en el estado natural, por lo que la situación real podría simularse mejor mediante el uso de un modelo compuesto.
Este protocolo describe el desarrollo de un modelo animal de isquemia miocárdica (IM) que combina aterosclerosis (EA) y exposición aguda a PM. Los ratones ApoE−/− fueron alimentados con una dieta alta en grasas para inducir aterosclerosis. La exposición pulmonar de PM fue imitada por goteo de suspensión de PM a través de la tráquea. La ligadura de la LAD en ratones se utilizó para inducir isquemia miocárdica. Estos métodos se combinaron y optimizaron para simular mejor el estado de la enfermedad y mejorar la tasa de supervivencia de los animales. No se necesita una gran unidad de exposición o una máquina de anestesia de gas, lo que hace que el experimento sea fácil de realizar. Este modelo se puede utilizar para estudiar el impacto de la exposición a PM en la contaminación del aire en la aterosclerosis y la miocardiopatía isquémica y realizar investigaciones sobre nuevos medicamentos desarrollados para tratar enfermedades con factores tan complejos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El establecimiento de un modelo animal compuesto es ligeramente diferente del modelo IM único. Mantener una alta tasa de supervivencia es un desafío en el desarrollo del modelo compuesto. La gravedad de la aterosclerosis en ratones ApoE−/− se volverá más severa con la extensión del tiempo de alimentación alto en grasas7, y la debilidad de los ratones conduce a una mayor mortalidad. Por lo tanto, es necesario monitorear la condición de los ratones durante el experimento contin…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este modelo fue desarrollado con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Nos. 81673640, 81841001 y 81803814) y el Programa Nacional Principal de Ciencia y Tecnología de China para Medicamentos Innovadores (2017ZX09301012002 y 2017ZX09101002001-001-3).
Materials
| 2,2,2-Tribromoethanol | Sigma-Aldrich | T48402 | |
| 75% alcohol disinfectant | |||
| Animal ventilator | Shanghai Alcott Biotech | ALC-V8S | |
| Cotton swabs | Sterile | ||
| Cotton swabs for babies | Sterile , Approximately 3 mm in diameter | ||
| Culture Dish | Corning | 430597 | 150 mm x 25 mm |
| Diesel Particulate Matter | National Institute of Standards Technology | 1650b | |
| Dissection board | About 25 x 17 cm. The dissecting board can be replaced with a wooden board of the same size | ||
| High-fat diet for mice | Prescription: egg yolk powder 10%, lard 10%, sterol 1%, maintenance feed 79% | ||
| Iodophor disinfectant | |||
| LED spotlight | 5 V, 3 W,with hoses and clamps | ||
| Medical silk yarn ball | Shanghai Medical Suture Needle Factory Co., Ltd. | – | 0-0 |
| Medical tape | 3M | 1527C-0 | |
| Micro Vascular Hemostatic Forceps | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | W40350 | |
| Needle Holders | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | JC32010 | |
| Normal saline | |||
| Ophthalmic Scissors | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | Y00040 | |
| Ophthalmic tweezer, 10cm, curved, with hooks | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | JD1080 | |
| Ophthalmic tweezer, 10cm, curved, with teeth | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | JD1060 | |
| Pipet Tips | Axygen | T-200-Y-R-S | 0-200 μL |
| Pipette | eppendorf | 3121000074 | 100 uL |
| Safety pin | Approximately 4.5 cm in length , for making chest opening tools | ||
| Small Animal I.V. Cannulas | Baayen healthcare suzhou | BAAN-322025 | I.V CATHETER 22FG x 25 MM |
| Suture needle with thread | Shanghai Medical Suture Needle Factory Co., Ltd. | – | 6-0,Nylon line |
| Suture needle with thread | JinHuan Medical | F503 | 5-0 |
| Syringe | 1 mL | ||
| Tert-amyl alcohol | |||
| Zoom-stereo microscope | Mshot | MZ62 |
Riferimenti
- Al-Kindi, S. G., Brook, R. D., Biswal, S., Rajagopalan, S. Environmental determinants of cardiovascular disease: lessons learned from air pollution. Nature Reviews: Cardiology. 17 (10), 656-672 (2020).
- Ambient (outdoor) Air Pollution. WHO Available from: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor) (2021)
- Kim, K. H., Kabir, E., Kabir, S. A review on the human health impact of airborne particulate matter. Environment International. 74, 136-143 (2015).
- Rajagopalan, S., Al-Kindi, S. G., Brook, R. D. Air pollution and cardiovascular disease: JACC State-of-the-Art Review. Journal of the American College of Cardiology. 72 (17), 2054-2070 (2018).
- Wolf, K., et al. Associations between short-term exposure to particulate matter and ultrafine particles and myocardial infarction in Augsburg, Germany. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 218 (6), 535-542 (2015).
- Sun, Q., Hong, X., Wold, L. E. Cardiovascular effects of ambient particulate air pollution exposure. Circulation. 121 (25), 2755-2765 (2010).
- Emini Veseli, B., et al. Animal models of atherosclerosis. European Journal of Pharmacology. 816, 3-13 (2017).
- Reichert, K., et al. Murine Left anterior descending (LAD) coronary artery ligation: An improved and simplified model for myocardial infarction. Journal of Visualized Experiments. (122), e55353 (2017).
- Lei, J., et al. The acute effect of diesel exhaust particles and different fractions exposure on blood coagulation function in mice. International Journal of Environmental Research and Public Health. 18 (8), 4136 (2021).
- Gao, E., et al. A novel and efficient model of coronary artery ligation and myocardial infarction in the mouse. Circulation Research. 107 (12), 1445-1453 (2010).
- Pei, Y. H., et al. LncRNA PEAMIR inhibits apoptosis and inflammatory response in PM2.5 exposure aggravated myocardial ischemia/reperfusion injury as a competing endogenous RNA of miR-29b-3p. Nanotoxicology. 14 (5), 638-653 (2020).
- Jia, H., et al. PM2.5-induced pulmonary inflammation via activating of the NLRP3/caspase-1 signaling pathway. Environmental Toxicology. 36 (3), 298-307 (2021).
- Vogel, B., et al. ST-segment elevation myocardial infarction. Nature Reviews Disease Primers. 5 (1), 39 (2019).
- Libby, P. The changing landscape of atherosclerosis. Nature. 592 (7855), 524-533 (2021).
- Zhou, Z., et al. Excessive neutrophil extracellular trap formation aggravates acute myocardial infarction injury in Apolipoprotein E deficiency mice via the ROS-dependent pathway. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2019, 1209307 (2019).
- Pluijmert, N. J., Bart, C. I., Bax, W. H., Quax, P. H. A., Atsma, D. E. Effects on cardiac function, remodeling and inflammation following myocardial ischemia-reperfusion injury or unreperfused myocardial infarction in hypercholesterolemic APOE*3-Leiden mice. Scientific Reports. 10 (1), 16601 (2020).
- Centa, M., Ketelhuth, D. F. J., Malin, S., Gistera, A. Quantification of atherosclerosis in mice. Journal of Visualized Experiments. (148), e59828 (2019).
- Benedek, A., et al. Use of TTC staining for the evaluation of tissue injury in the early phases of reperfusion after focal cerebral ischemia in rats. Brain Research. 1116 (1), 159-165 (2006).
- Mehlem, A., Hagberg, C. E., Muhl, L., Eriksson, U., Falkevall, A. Imaging of neutral lipids by oil red O for analyzing the metabolic status in health and disease. Nature Protocols. 8 (6), 1149-1154 (2013).
- Nelson, A. M., Nolan, K. E., Davis, I. C. Repeated orotracheal intubation in mice. Journal of Visualized Experiments. (157), e60844 (2020).
- Zheng, Z., et al. Exposure to fine airborne particulate matters induces hepatic fibrosis in murine models. Journal of Hepatology. 63 (6), 1397-1404 (2015).
- Bai, N., van Eeden, S. F. Systemic and vascular effects of circulating diesel exhaust particulate matter. Inhalation Toxicology. 25 (13), 725-734 (2013).
- Furuyama, A., Kanno, S., Kobayashi, T., Hirano, S. Extrapulmonary translocation of intratracheally instilled fine and ultrafine particles via direct and alveolar macrophage-associated routes. Archives of Toxicology. 83 (5), 429-437 (2009).
- Brunekreef, B., Holgate, S. T. Air pollution and health. Lancet. 360 (9341), 1233-1242 (2002).
