Photothrombosis inducida por isquemia focal como un modelo de lesión de médula espinal en ratones
Summary
Photothrombosis is a minimally invasive and highly reproducible procedure to induce focal ischemia in the spinal cord and serves as a model of spinal cord injury in mice.
Abstract
Spinal cord injury (SCI) is a devastating clinical condition causing permanent changes in sensorimotor and autonomic functions of the spinal cord (SC) below the site of injury. The secondary ischemia that develops following the initial mechanical insult is a serious complication of the SCI and severely impairs the function and viability of surviving neuronal and non-neuronal cells in the SC. In addition, ischemia is also responsible for the growth of lesion during chronic phase of injury and interferes with the cellular repair and healing processes. Thus there is a need to develop a spinal cord ischemia model for studying the mechanisms of ischemia-induced pathology. Focal ischemia induced by photothrombosis (PT) is a minimally invasive and very well established procedure used to investigate the pathology of ischemia-induced cell death in the brain. Here, we describe the use of PT to induce an ischemic lesion in the spinal cord of mice. Following retro-orbital sinus injection of Rose Bengal, the posterior spinal vein and other capillaries on the dorsal surface of SC were irradiated with a green light resulting in the formation of a thrombus and thus ischemia in the affected region. Results from histology and immunochemistry studies show that PT-induced ischemia caused spinal cord infarction, loss of neurons and reactive gliosis. Using this technique a highly reproducible and relatively easy model of SCI in mice can be achieved that would serve the purpose of scientific investigations into the mechanisms of ischemia induced cell death as well as the efficacy of neuroprotective drugs. This model will also allow exploration of the pathological changes that occur following SCI in live mice like axonal degeneration and regeneration, neuronal and astrocytic Ca2+ signaling using two-photon microscopy.
Introduction
Lesión medular traumática (SCI) es una condición clínica devastadora que afecta a las funciones sensoriomotoras y autonómicas de la SC. Los pacientes que sobreviven SCI a menudo se dejan con paraplejia que afecta significativamente sus actividades y la calidad de vida 1 diarias debilitante. Modelos experimentales SCI han sido una herramienta indispensable en la investigación científica para comprender la fisiopatología de la lesión medular y los procesos de reparación neuronal asociados. Estos modelos también se han utilizado para probar la eficacia preclínica de varias intervenciones neuroprotectoras experimentales que tienen por objeto la recuperación funcional. Actualmente, la mayoría de los modelos de SCI en la práctica emplear el uso de la fuerza física contundente para interrumpir mecánicamente y lesionar a la SC. Estos métodos incluyen contusión, compresión, dislocación y transección del SC 2. Se ha sugerido que después de la lesión mecánica primaria una lesión secundaria en forma de conjuntos de isquemia en lesionada en el SC 3,4. La etiología de la isquemia secundaria incluye una amplia degeneración de los tejidos, la hemorragia parenquimatosa y, a veces por la obstrucción de los vasos sanguíneos por edema tisular 5-7. Como resultado de la lesión secundaria de la integridad de SC se ve afectado aún más, las neuronas y las células gliales son severamente deteriorados en la función y viabilidad y sufren apoptosis que conduce a la del infarto de crecimiento durante la fase crónica de la lesión, de forma análoga al crecimiento de la penumbra isquémica después del accidente cerebrovascular 8,9. Varios mecanismos como excitotoxicidad, la producción de radicales libres y la inflamación se han notificado a ser responsable de la muerte celular isquémica tras SCI 10,11. Además, SC isquemia es una complicación grave de la cirugía de reparación de aneurisma de aorta toraco-abdominales que a menudo conducen a la paraplejia en los pacientes 12,13. A pesar de tal impacto clínico de alta muy pocos modelos de isquemia de la médula espinal con alta reproducibilidad están disponibles actualmente.
nt "> Photothrombosis (PT) es un método comúnmente utilizado para la inducción de la isquemia focal en el cerebro 14-20. La técnica es bastante no invasiva, altamente reproducible y produce una lesión isquémica focal precisa en el área expuesta del cerebro 17 -21. Esto se logra mediante la administración sistémica de colorantes fotoactivos como Rosa de Bengala (RB) 16-20,22 o eritrosina B 23 seguido de irradiación localizada de vasos sanguíneos con fuente de luz apropiada. fotoactivación del colorante hace que la generación de radicales libres que perturbar la integridad del endotelio vascular liso, y hacen que las plaquetas se acumulen, que posteriormente se forma un trombo. La obstrucción del flujo sanguíneo por los resultados de trombos en un infarto en la región suministrada por el recipiente 24. Debido a la facilidad de control en el intensidad y duración de la irradiación Este procedimiento produce un infarto muy uniforme y reproducible. Además, este método puede ser empleado para inducir una infarct en varios lugares anatómicos permitiendo espacial (por ejemplo, la materia gris vs. materia blanca) comprensión de los efectos de la isquemia.El objetivo del presente estudio es desarrollar un modelo fácil y altamente reproducible de SC isquemia en ratones. Hemos descrito el procedimiento de un modelo de PT de SC isquemia en ratones. Los resultados de la histología y la inmunotinción demostraron que PT puede inducir eficazmente miocardio SC, la pérdida neuronal y gliosis reactiva.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este estudio, hemos descrito un modelo photothrombotic de SC isquemia. Debido a los avances en la ingeniería genética no ha habido un aumento en los ratones transgénicos disponibles en el mercado que ha hecho posible el estudio del impacto de los genes específicos implicados en la fisiopatología isquémica en las CEC. El objetivo del estudio fue desarrollar un modelo reproducible de ratón de la isquemia de la médula espinal. Aquí hemos adaptado un modelo PT cortical para inducir SCI en ratone…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta labor fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud [de Grant no. R01NS069726] y la Asociación Americana del Corazón Grant en Cooperación Financiera No Reembolsable [subvención no. 13GRNT17020004] para SD.
Materials
| Rose Bengal | Sigma-Aldrich | 330000 | 20 mg/ml in sterile saline |
| C57Bl6/J | Jackson lab | 664 | 22-25g |
| Ketamine | VEDCO | NDC-50989-996-06 | 100 mg/ml |
| Xylazine | VEDCO | NDC-50989-234-11 | 100 mg/ml |
| Betadine solution | Purdue | NDC-67618-150-01 | 10% povidone iodine topical solution |
| Normal saline | Abott Laboratories | 04930-04-10 | For diluting RB, anaesthesia and for preventing tissue from drying |
| Artificial tears ointment | Rugby | NDC-0536-6550-91 | 83% white petrolatum |
| Ethanol | Decon labs.Inc | 2716 | 70% ethanol for disinfection |
| Metal halide lamp | EXFO, Canada | X-Cite 120 PC | Set power at 12% |
| Spring scissors | Fine Science Tool | 15000-10 | for minor dissection |
| Scissors (angled to side) | Fine Science Tool | 14063-011 | No. 3 handle |
| Standard scalpel | Fine Science Tool | 10003-12 | for removing muscle |
| Scalpel blade | Feather | 2976 | No. 10 |
| Forceps (curved) | Fine Science Tool | 11150-10 | for holding tissue |
| Forceps (straight) | Fine Science Tool | 11151-10 | for holding tissue |
| Needle holder | Fine Science Tool | 12002-12 | for suturing |
| Tissue adhesive glue | 3M Vetbond | 1469SB | to adhere to edges of the cut skin |
| Monofilament polypropylene | USSC Sutures | VP-521 | Size = 4-0 (for fascia) |
| Perma-hand silk | Ethicon | 683G | Size = 4-0 (for skin) |
| Micro drill | Roboz Surgical Instrument Co. Inc. | RS-6300 | with bone polishing drill bit |
| Laser doppler flowmeter | Moor Instruments | moorVMS-LDF1 | for monitoring change in blood flow |
| Heating pad | Fine Science Tool | 21052-00 | to prevent hypothermia |
| Lab-Jack | Fisher scientific | 14-673-50 | 4×4 in plate to adjust the height of the animal |
| X-Y gliding stage | Amscope | GT100 | for positioning the animal under microscope |
References
- Cadotte, D. W., Fehlings, M. G. Spinal cord injury: a systematic review of current treatment options. Clin Orthop Relat Res. 469 (3), 732-741 (2011).
- Cheriyan, T., et al. Spinal cord injury models: a review. Spinal Cord. 52 (8), 588-595 (2014).
- Young, W. Secondary injury mechanisms in acute spinal cord injury. J Emerg Med. 11, 13-22 (1993).
- Crowe, M. J., Bresnahan, J. C., Shuman, S. L., Masters, J. N., Beattie, M. S. Apoptosis and delayed degeneration after spinal cord injury in rats and monkeys. Nat Med. 3 (1), 73-76 (1997).
- Soubeyrand, M., et al. Effect of norepinephrine on spinal cord blood flow and parenchymal hemorrhage size in acute-phase experimental spinal cord injury. Eur Spine J. 23 (3), 658-665 (2014).
- Soubeyrand, M., et al. Real-time and spatial quantification using contrast-enhanced ultrasonography of spinal cord perfusion during experimental spinal cord injury. Spine (Phila Pa 1976). 37 (22), E1376-E1382 (2012).
- Mautes, A. E., Weinzierl, M. R., Donovan, F., Noble, L. J. Vascular events after spinal cord injury: contribution to secondary pathogenesis). Phys Ther. 80 (7), 673-687 (2000).
- Liu, X. Z., et al. Neuronal and glial apoptosis after traumatic spinal cord injury. J Neurosci. 17 (14), 5395-5406 (1997).
- Liu, L., et al. An experimental study of cell apoptosis and correlative gene expression after tractive spinal cord injury in rats. Zhonghua Wai Ke Za Zhi. 42 (23), 1434-1437 (2004).
- Hirose, K., et al. Activated protein C reduces the ischemia/reperfusion-induced spinal cord injury in rats by inhibiting neutrophil activation. Ann Surg. 232 (2), 272-280 (2000).
- Oyinbo, C. A. Secondary injury mechanisms in traumatic spinal cord injury: a nugget of this multiply cascade. Acta Neurobiol Exp (Wars). 71 (2), 281-299 (2011).
- Guerit, J. M., Dion, R. A. State-of-the-art of neuromonitoring for prevention of immediate and delayed paraplegia in thoracic and thoracoabdominal aorta surgery). Ann Thorac Surg. 74 (5), S1867-S1869 (2002).
- Schepens, M. A., Heijmen, R. H., Ranschaert, W., Sonker, U., Morshuis, W. J. Thoracoabdominal aortic aneurysm repair: results of conventional open surgery. Eur J Vasc Endovasc Surg. 37 (6), 640-645 (2009).
- Braeuninger, S., Kleinschnitz, C. Rodent models of focal cerebral ischemia: procedural pitfalls and translational problems. Exp Transl Stroke Med. 1, 8 (2009).
- Carmichael, S. T. Rodent models of focal stroke: size, mechanism, and purpose. NeuroRx. 2 (3), 396-409 (2005).
- Dietrich, W. D., Ginsberg, M. D., Busto, R., Watson, B. D. Photochemically induced cortical infarction in the rat. 1. Time course of hemodynamic consequences. J Cereb Blood Flow Metab. 6 (2), 184-194 (1986).
- Zhang, W., et al. Neuronal protective role of PBEF in a mouse model of cerebral ischemia. J Cereb Blood Flow Metab. 30 (12), 1962-1971 (2010).
- Li, H., Zhang, N., Sun, G., Ding, S. Inhibition of the group I mGluRs reduces acute brain damage and improves long-term histological outcomes after photothrombosis-induced ischaemia. ASN Neuro. 5 (3), 195-207 (2013).
- Li, H., et al. Histological, cellular and behavioral assessments of stroke outcomes after photothrombosis-induced ischemia in adult mice. BMC Neurosci. 15, 58 (2014).
- Wang, T., Cui, W., Xie, Y., Zhang, W., Ding, S. Controlling the Volume of the Focal Cerebral Ischemic Lesion through Photothrombosis. American Journal of Biomedical Sciences. 2 (1), 33-42 (2010).
- Schroeter, M., Jander, S., Stoll, G. Non-invasive induction of focal cerebral ischemia in mice by photothrombosis of cortical microvessels: characterization of inflammatory responses. J Neurosci Methods. 117 (1), 43-49 (2002).
- Boquillon, M., Boquillon, J. P., Bralet, J. Photochemically induced, graded cerebral infarction in the mouse by laser irradiation evolution of brain edema. J Pharmacol Toxicol Methods. 27 (1), 1-6 (1992).
- Kim, G. W., Lewen, A., Copin, J., Watson, B. D., Chan, P. H. The cytosolic antioxidant, copper/zinc superoxide dismutase, attenuates blood-brain barrier disruption and oxidative cellular injury after photothrombotic cortical ischemia in mice. 신경과학. 105 (4), 1007-1018 (2001).
- Schmidt, A., et al. Photochemically induced ischemic stroke in rats. Exp Transl Stroke Med. 4 (1), 13 (2012).
- Lang-Lazdunski, L., et al. Spinal cord ischemia. Development of a model in the mouse. Stroke. 31 (1), 208-213 (2000).
- Wang, Z., et al. Development of a simplified spinal cord ischemia model in mice. J Neurosci Methods. 189 (2), 246-251 (2010).
- Labat-gest, V., Tomasi, S. Photothrombotic ischemia: a minimally invasive and reproducible photochemical cortical lesion model for mouse stroke studies. J Vis Exp. (76), (2013).
- Lu, H., et al. Induction and imaging of photothrombotic stroke in conscious and freely moving rats. J Biomed Opt. 19 (9), 96013 (2014).
- Seto, A., et al. Induction of ischemic stroke in awake freely moving mice reveals that isoflurane anesthesia can mask the benefits of a neuroprotection therapy. Front Neuroenergetics. 6 (1), (2014).
- Bell, M. T., et al. Toll-like receptor 4-dependent microglial activation mediates spinal cord ischemia-reperfusion injury. Circulation. 128 (11 Suppl 1), S152-S156 (2013).
- Smith, P. D., et al. The evolution of chemokine release supports a bimodal mechanism of spinal cord ischemia and reperfusion injury. Circulation. 126 (11 Suppl 1), S110-S117 (2012).
- Jia, Z., et al. Oxidative stress in spinal cord injury and antioxidant-based intervention. Spinal Cord. 50 (4), 264-274 (2012).
