En modell for encefalomyosynangiose behandling etter Middle Cerebral Artery okklusjon-indusert hjerneslag hos mus
Summary
Protokollen tar sikte på å gi metoder for encefalomyosynangiose-podning av en vaskulær temporalis muskelklaff på den piale overflaten av iskemisk hjernevev – for behandling av ikke-moyamoya akutt iskemisk slag. Tilnærmingens effekt ved økende angiogenese evalueres ved hjelp av en forbigående okklusjonsmodell for cerebri cerebralt stadium hos mus.
Abstract
Det er ingen effektiv behandling tilgjengelig for de fleste pasienter som lider av iskemisk hjerneslag, noe som gjør utvikling av nye terapier avgjørende. Hjernens evne til å helbrede seg selv etter iskemisk slag er begrenset av utilstrekkelig blodtilførsel i det berørte området. Encephalomyosynangiosis (EMS) er en nevrokirurgisk prosedyre som oppnår angiogenese hos pasienter med moyamoya sykdom. Det innebærer kraniotomi med plassering av et vaskulært temporalis muskeltransplantat på den iskemiske hjerneoverflaten. EMS har aldri blitt studert i forbindelse med akutt iskemisk slag hos mus. Hypotesen som driver denne studien er at EMS forbedrer cerebral angiogenese på den kortikale overflaten som omgir muskeltransplantatet. Protokollen vist her beskriver prosedyren og gir innledende data som støtter gjennomførbarheten og effekten av EMS-tilnærmingen. I denne protokollen, etter 60 minutter med forbigående okklusjon av cerebrifer i midten (MCAo), ble mus randomisert til enten MCAo- eller MCAo + EMS-behandling. EMS ble utført 3-4 timer etter okklusjon. Musene ble ofret 7 eller 21 dager etter MCAo eller MCAo + EMS-behandling. Temporalis graft levedyktighet ble målt ved bruk av nikotinamid adenin dinukleotid redusert-tetrazolium reduktase analyse. En museangiogenesegruppe kvantifiserte angiogent og nevromodulerende proteinuttrykk. Immunhistokjemi ble brukt til å visualisere transplantatbinding med hjernebarken og endring i fartøyets tetthet. De foreløpige dataene her tyder på at podet muskel forble levedyktig 21 dager etter EMS. Immunfarging viste vellykket transplantatimplantasjon og økning i kartetthet nær muskeltransplantatet, noe som indikerer økt angiogenese. Data viser at EMS øker fibroblastvekstfaktoren (FGF) og reduserer osteopontinnivået etter hjerneslag. I tillegg økte EMS etter hjerneslag ikke dødeligheten, noe som tyder på at protokollen er trygg og pålitelig. Denne nye prosedyren er effektiv og godt tolerert og har potensial til å gi informasjon om nye tiltak for forbedret angiogenese etter akutt iskemisk hjerneslag.
Introduction
Iskemisk hjerneslag er en akutt nevrovaskulær skade med ødeleggende kroniske sekveler. De fleste av slagoverlevende, 650 000 per år, i USA lider av permanent funksjonshemning1. Ingen av de tilgjengelige behandlingene gir nevrobeskyttelse og funksjonell gjenoppretting etter den akutte fasen av iskemisk hjerneslag. Etter et akutt iskemisk slag reduseres både direkte og sikkerhetsblodforsyninger, noe som fører til dysfunksjon av hjerneceller og nettverk, noe som resulterer i plutselige nevrologiske underskudd 2,3. Restaurering av blodtilførsel til iskemisk region er fortsatt det fremste målet for slagbehandling. Dermed er forbedring av angiogenese for å fremme blodtilførselen i det iskemiske territoriet en lovende terapeutisk tilnærming; Tidligere studerte metoder for å fremme angiogenese etter hjerneslag, inkludert erytropoietin, statiner og vekstfaktorer, har imidlertid vært begrenset av uakseptable nivåer av toksisitet eller oversettbarhet4.
Encephalomyosynangiosis (EMS) er en kirurgisk prosedyre som forbedrer cerebral angiogenese hos mennesker med moyamoya sykdom, en tilstand av trange kraniale arterier som ofte fører til hjerneslag. EMS innebærer delvis løsrivelse av en vaskulær del av pasientens temporalismuskel fra skallen, etterfulgt av kraniotomi og podning av muskelen på den berørte cortex. Denne prosedyren tolereres godt og induserer cerebral angiogenese, noe som reduserer risikoen for iskemisk slag hos pasienter med moyamoya sykdom 5,6. Dermed tjener prosedyren i stor grad en forebyggende rolle hos disse pasientene. Angiogenesen forårsaket av denne prosedyren kan også ha en rolle i å fremme nevrovaskulær beskyttelse og gjenoppretting i innstillingen av iskemisk slag. Denne rapporten støtter hypotesen om at angiogenese forårsaket av EMS har potensial til å utvide forståelsen av og terapeutiske muligheter for cerebral iskemi.
Ved siden av EMS er det flere farmakologiske og kirurgiske tilnærminger for å forbedre angiogenesen, men de har flere begrensninger. Farmakologiske tilnærminger som administrasjon av vaskulær endotelial vekstfaktor (VEGF) har vist seg å være utilstrekkelig eller til og med skadelig på grunn av flere begrensninger, inkludert dannelse av kaotiske, uorganiserte, lekkende og primitive vaskulære plexuser, som ligner de som finnes i tumorvevet 7,8 og har ingen gunstige effekter i kliniske studier9.
Kirurgiske tilnærminger inkluderer direkte anastomose som overfladisk temporal arterie-midtre cerebral arterie anastomose, indirekte anastomose som encephalo-duro arterio-synangiosis (EDAS), encefalomyosynangiose (EMS) og kombinasjoner av direkte og indirekte anastomose10. Alle disse prosedyrene er svært teknisk utfordrende og krevende hos små dyr, bortsett fra EMS. Mens de andre prosedyrene krever kompleks vaskulær anastomose, krever EMS et relativt enkelt muskeltransplantat. Videre gjør nærheten til temporalismuskelen til cortex det til et naturlig valg for podning, da det ikke trenger å bli fullstendig skåret ut eller koblet fra blodtilførselen, som det ville være nødvendig hvis en fjernere muskel ble brukt til podning.
EMS har blitt studert i kroniske cerebrale hypoperfusjonsmodeller hos rotter 7,11. Imidlertid har EMS ved hjelp av et temporalis muskeltransplantat aldri blitt studert ved akutt iskemisk slag hos gnagere. Her beskriver vi en ny protokoll av EMS hos mus etter et iskemisk slag via midtre cerebral arterie okklusjonsmodell (MCAo). Dette manuskriptet fungerer som en beskrivelse av metoder og tidlige data for denne nye tilnærmingen til EMS hos mus etter MCAo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen beskriver en vellykket EMS-prosedyre i en musemodell av MCAo-indusert slag. Dataene viser at podet vev forblir levedyktig og kan danne bindinger med hjernebarken lenge etter EMS-kirurgi. Disse funnene støtter begrunnelsen for å bruke et cerebralt muskeltransplantat for gradvis å utvikle et rikt vaskulært trofisk miljø på slagstedet. EMS er en lovende terapi for potensielt å reparere infarkt hjernevev i samme miljø.
De kritiske trinnene i protokollen inkluderer trinn 2…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Research Excellence Program-UConn Health (til Ketan R Bulsara og Rajkumar Verma) og UConn Health oppstart (til Rajkumar Verma).
Materials
| 6-0 monocryl suture | Ethilon | 697G | |
| 70% ethanol to sanitize operating surface | Walgreen | ||
| Bupivacaine 0.25% solution | Midwest Vet | ||
| Clamps for tissue retraction | Roboz | ||
| Doccal suture with Nylon coating | Doccal corporation Sharon MA | 602145PK10Re | |
| Electric heating pad for operating surface | |||
| Isoflurane anesthesia | Piramal Critical Care Inc | ||
| Isoflurane delivery apparatus | –B6Surgivet (Isotech 4) | ||
| Micro drill | Harvard Apparatus | ||
| Microdissecting tweezers, curved x2 | Piramal Critical Care Inc | ||
| mouse angiogenesis panel arrat | R& D biotech | ARY015 | |
| Needle driver | Ethilon | ||
| Ointment for eye protection | walgreen | ||
| Operating microscope | Olympus | ||
| Operating surface | Olympus | ||
| Povidone iodine solution | walgreen | ||
| Rectal thermometer | world precison instrument | ||
| Saline or 70% ethanol for irrigation | walgreen | ||
| Small electric razor to shave operative site | generic | ||
| Surgical scissors | Roboz |
Riferimenti
- Stroke, Last updated 10/22/20. , (2020).
- Cipolla, M. J., McCall, A. L., Lessov, N., Porter, J. M. Reperfusion decreases myogenic reactivity and alters middle cerebral artery function after focal cerebral ischemia in rats. Stroke. 28 (1), 176-180 (1997).
- Arai, K., et al. Cellular mechanisms of neurovascular damage and repair after stroke. Journal of Child Neurology. 26 (9), 1193-1198 (2011).
- Ergul, A., Alhusban, A., Fagan, S. C. Angiogenesis: a harmonized target for recovery after stroke. Stroke. 43 (8), 2270-2274 (2012).
- Imai, H., et al. The importance of encephalo-myo-synangiosis in surgical revascularization strategies for moyamoya disease in children and adults. World Neurosurgery. 83 (5), 691-699 (2015).
- Ravindran, K., Wellons, J. C., Dewan, M. C. Surgical outcomes for pediatric moyamoya: a systematic review and meta-analysis. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 24 (6), 663-672 (2019).
- Kim, H. S., et al. The neovascularization effect of bone marrow stromal cells in temporal muscle after encephalomyosynangiosis in chronic cerebral ischemic rats. Journal of Korean Neurosurgical Society. 44 (4), 249-255 (2008).
- Srivastava, P., et al. Neuroprotective and neuro-rehabilitative effects of acute purinergic receptor P2X4 (P2X4R) blockade after ischemic stroke. Experimental Neurology. , 329 (2020).
- Cao, R., et al. VEGFR1-mediated pericyte ablation links VEGF and PlGF to cancer-associated retinopathy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (2), 856-861 (2010).
- Hedlund, E., Hosaka, K., Zhong, Z., Cao, R., Cao, Y. Malignant cell-derived PlGF promotes normalization and remodeling of the tumor vasculature. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (41), 17505-17510 (2009).
- Cao, Y. Therapeutic angiogenesis for ischemic disorders: what is missing for clinical benefits. Discovery Medicine. 9 (46), 179-184 (2010).
- Verma, R., et al. Inhibition of miR-141-3p ameliorates the negative effects of poststroke social isolation in aged mice. Stroke. 49 (7), 1701-1707 (2018).
- Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20 (1), 84-91 (1989).
- Engel, O., Kolodziej, S., Dirnagl, U., Prinz, V. Modeling stroke in mice-middle cerebral artery occlusion with the filament model. Journal of Visualized Experiments. 47 (47), 2423 (2011).
- Pétrault, M., et al. Neither nefopam nor acetaminophen can be used as postoperative analgesics in a rat model of ischemic stroke. Fundam Clin Pharmacol. (2), 194-200 (2017).
- Khansari PS, ., Halliwell RF, . Mechanisms Underlying Neuroprotection by the NSAID Mefenamic Acid in an Experimental Model of Stroke. (64), (2019).
- Mishra, V., Verma, R., Raghubir, R. Neuroprotective effect of flurbiprofen in focal cerebral ischemia: the possible role of ASIC1a. Neuropharmacology. 59 (7-8), 582-588 (2010).
- Chen, T. Y., Goyagi, T., Toung, T. J., Kirsch, J. R., Hurn, P. D., Koehler, R. C., Bhardwaj, A. Prolonged opportunity for ischemic neuroprotection with selective kappa-opioid receptor agonist in rats. Stroke. 35 (5), 1180-1185 (2004).
- Turóczi, Z., et al. Muscle fiber viability, a novel method for the fast detection of ischemic muscle injury in rats. PLoS ONE. 9 (1), e84783 (2014).
- Im, K., Mareninov, S., Diaz, M. F. P., Yong, W. H. An introduction to performing immunofluorescence staining. Methods in Molecular Biology. , 299-311 (2019).
- Zheng, J., et al. Protective roles of adenosine A1, A2A, and A3 receptors in skeletal muscle ischemia and reperfusion injury. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 293 (6), H3685-H3691 (2007).
- Jiao, C., et al. Visualization of mouse choroidal and retinal vasculature using fluorescent tomato lectin perfusion. Translational Vision Science and Technology. 9 (1), (2020).
- Simard, J. M., Sahuquillo, J., Sheth, K. N., Kahle, K. T., Walcott, B. P. Managing malignant cerebral infarction. Current Treatment Options in Neurology. 13 (2), 217-229 (2011).
- Liu, X., et al. Osteoclasts protect bone blood vessels against senescence through the angiogenin/plexin-B2 axis. Nature Communications. 12 (1), 1832 (2021).
- Paro, M., Gamiotea-Turro, D., Blumenfeld, L., Bulsara KR, ., Verma, R. A Novel Model for Encephalomyosynangiosis Surgery after Middle Cerebral Artery Occlusion-Induced Stroke in Mice. BioXriv. 10, (2021).
- Venkat, P., et al. Treatment with an Angiopoietin-1 mimetic peptide promotes neurological recovery after stroke in diabetic rats. CNS Neuroscience & Therapeutics. 27 (1), 48-59 (2021).
- Cheng, X., et al. Acidic fibroblast growth factor delivered intranasally induces neurogenesis and angiogenesis in rats after ischemic stroke. Neurological Research. 33 (7), 675-680 (2011).
- Xu, H. Protective effects of mutant of acidic fibroblast growth factor against cerebral ischaemia-reperfusion injury in rats. Injury. 40 (9), 963-967 (2009).
- Tsai, M. J., et al. Acidic FGF promotes neurite outgrowth of cortical neurons and improves neuroprotective effect in a cerebral ischemic rat model. Neuroscienze. 305, 238-247 (2015).
- Meller, R., et al. Neuroprotection by osteopontin in stroke. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 25 (2), 217-225 (2005).
- Meseguer, E., et al. Osteopontin predicts three-month outcome in stroke patients treated by reperfusion therapies. Journal of Clinical Medicine. 9 (12), 4028 (2020).
- Zhu, Z., et al. Plasma osteopontin levels and adverse clinical outcomes after ischemic stroke. Atherosclerosis. 332, 33-40 (2021).
