פרוטוקול יצירת פצעים כרוניים עכברים סוכרתית
Summary
פצעים כרוניים מפותחים פציעות חריפה על מודל עכבר סוכרתית על ידי גרימת רמות גבוהות של לחץ חמצוני לאחר פצע מלאה בעובי עורית. הפצע מטופל במעכבי לקטלאז ולperoxidase גלוטתיון, והתוצאה היא ריפוי לקוי ופיתוח של ביו, על ידי חיידקים המצויים במיקרובידום העור.
Abstract
פצעים כרוניים מתפתחים כתוצאה מרגולציה פגומה בתהליכים סלולריים ומולקולריים מורכבים, המעורבים בריפוי נאות. הם משפיעים על ~ 6.5 M אנשים ועלות ~ $40B/שנה בארה ב בלבד. למרות שמאמץ משמעותי הושקע בהבנת האופן שבו מתפתחים פצעים כרוניים בבני אדם, שאלות עקרוניות נותרו ללא מענה. לאחרונה, פיתחנו מודל העכבר הרומן עבור פצעים כרוניים סוכרתית שיש להם מאפיינים רבים של פצעים כרוניים אנושית. באמצעות db/db-/- עכברים, אנחנו יכולים ליצור פצעים כרוניים על ידי גרימת רמות גבוהות של מתח חמצוני (OS) ברקמת הפצע מיד לאחר פצעו, באמצעות טיפול חד פעמי עם מעכבי ספציפיים אנזימים נוגדי חמצון הקטלאז ו peroxidase גלוטתיון. פצעים אלה יש רמות גבוהות של מערכת ההפעלה, לפתח באופן טבעי ביוilm, להיות כרונית לחלוטין בתוך 20 ימים לאחר הטיפול יכול להישאר פתוח יותר עבור יותר מ 60 ימים. מודל זה הרומן יש תכונות רבות של פצעים כרוניים סוכרתית בבני אדם ולכן יכול לתרום באופן משמעותי כדי לקדם את ההבנה הבסיסית של איך פצעים הופכים כרוניים. זוהי פריצת דרך גדולה כי פצעים כרוניים בבני אדם לגרום לכאב ומצוקה משמעותיים לחולים והתוצאה קטיעה אם לא פתורות. כמו-כן, פצעים אלה יקרים מאוד וצורכים זמן רב לטיפול, ומובילים לאובדן משמעותי של הכנסה אישית למטופלים. התקדמויות בתחום זה של המחקר באמצעות השימוש במודל הפצע הכרוני שלנו יכול לשפר באופן משמעותי את טיפול בריאות עבור מיליונים הסובלים תחת מצב זה מתישה. בפרוטוקול זה, אנו מתארים בפירוט רב את ההליך לגרום פצעים חריפה להיות כרונית, אשר לא נעשה בעבר.
Introduction
ריפוי הפצע כרוך תהליכים סלולריים ומולקולריים מורכבים, כי הם זמניות ו מרחב מוסדר, מאורגן בשלבים רציפים וחופפים הכרוכים סוגים רבים של תאים שונים, כולל אך לא מוגבל לתגובה החיסונית ואת כלי הדם מערכת1. מיד לאחר שהעור מקיים פציעה, גורמים ותאי דם מצטברים לאתר הפצע ומפעילים את מדרג קרישת הדם כדי ליצור קריש דם. לאחר הומאוסטזיס מושגת, כלי הדם מתרחבים כדי להכניס את הפצע באתר חמצן, חומרים מזינים, אנזימים, נוגדנים גורמים כימוכאוטקטיק למשוך פולימנוקלציטים כדי לנקות את המיטה הפצע של פסולת זרים להפריש אנזימים פרוטקליפה 2. טסיות מופעל מפרישות מגוון של גורמי גדילה כדי לעורר את keratinocytes בקצה הפצע כדי האפיתל מחדש את האזור הפצוע. מונוולוציטים גויס הפצע באתר להבדיל לתוך מקרופאגים אשר בקטריה phagocytose מתים נויטרופילים להפריש גורמים נוספים כדי לשמור על מתרבים keratinocyte ו פרו-נדידה אותות. בשלב התפשטות, בעוד הרקמה מחדש ממשיכה, רקמת גרטולזה חדש מורכב של פיברופיצוצים, מונוציטים/מקרופאגים, לימפוציטים, ותאי האנדותל להמשיך את תהליך השיקום2. אנגיוגנזה מגורה על ידי קידום התפשטות והגירה של תאי האנדותל, והתוצאה היא פיתוח כלי חדש. אפיתל ושיפוץ של מטריקס החילוץ לבנות מחסום נגד הסביבה. כאשר הפצע מרפא ורקמות הגרטולציות מתפתחת לתוך צלקת, אפופטוזיס מבטלת תאים דלקתיים, פיברותקיעות, ותאי אנדותל מבלי לגרום נזק נוסף לרקמות. חוזק מתיחה של הרקמה מוגברת על ידי שיפוץ מרכיבים שונים של מטריצה החילוץ, כמו קולגן, כך הרקמה החדשה שנוצר הוא כמעט חזק וגמיש כמו עור בלתי מושפע2.
כל סטייה מהתקדמות זו מאוד כלפי הסגר הפצע מוביל לקויי ו/או פצעים כרוניים3. פצעים כרוניים מאופיינים לחץ חמצוני מוגבר, דלקת כרונית, פגום microvascuלטורה, ומטריצה קולגן נורמלי בפצע4. לחץ חמצוני, במיוחד בפצע, יכול לעכב את סגירת הפצע2,5. כאשר, בשלב הראשון של ריפוי הפצע, השלב הדלקתי הופך בלתי מבוקר, הרקמה המארחת מניח נזק נרחב עקב זרם רציף של תאים דלקתיים5 שחרור אנזימים ציטוטוקסיים, עלייה ברדיקלים חופשיים חמצן, ו , מתווכים דלקתיים לא מפוקחים. וכתוצאה מכך מוות תאים6,7
בסביבת מיקרו הרסנית זו, חיידקים יוצרי בקטריה לנצל החומרים המזינים מארחים לתרום לנזק של רקמת המארח2. ביואילאמים אלה קשה לשלוט ולהסיר משום חומרים פולימרים מסירות מתוך המורכב של חלבונים, DNA, RNA, ו פוליסכדים מאפשר חיידקים הרעמנים בתוך להיות סובלני טיפולים אנטיביוטי קונבנציונלי להתחמק ה המארח של הפונדקאי ואת התגובה החיסונית מסתגלת2,8,9.
לימוד פצעים כרוניים הוא חיוני כי הם השפעה ~ 6,500,000 אנשים ועלות ~ $40,000,000,000 בשנה בארה ב בלבד10. חולים עם סוכרת הגדילו את הסיכונים לפיתוח פצעים כרוניים הדורשים קטיעה כדי להכיל את התפשטות הזיהום. למטופלים אלה יש 50% תמותה הסיכון בתוך 5 שנים של קטיעה כי הוא מיוחס מנגנון pathפסיולוגיה של סוכרת11. הקשר בין המערכת החיסונית של המארח לבין מיקרובידום בריפוי הפצע הוא נושא חיוני של מחקר שוטף, כי השלכות של פצעים כרוניים, אם לא מזוהים, כוללים קטיעה ומוות12.
למרות שמאמץ משמעותי הושקע בהבנת האופן שבו מתפתחים פצעים כרוניים בבני אדם, עדיין לא ברור כיצד ומדוע פצעים כרוניים יוצרים. ניסויים לחקר מנגנוני הריפוי לקויי קשה לנהל בבני אדם, והפצע מומחים ריפוי רק לראות חולים עם פצעים כרוניים שכבר הגיעו המתעד במשך שבועות חודשים. לכן, מומחים אינם מסוגלים ללמוד מה התהליכים השתבש להוביל את הפצע להתפתח להיות כרונית2. יש חוסר במודלים של בעלי חיים אשר לכידה של המורכבות של פצעים כרוניים אנושיים. עד שהמודל שלנו פותח, לא היה. מודל למחקרים כרוניים בפצע
מודל הפצע כרונית פותחה בעכברים כי יש מוטציה בקולטן לפטין (db/db-/-)13. עכברים אלה הם שמנים, סוכרתית, יש לקויי ריפוי, אבל לא לפתח פצעים כרוניים14. רמת הגלוקוז בדם בממוצע סביב 200 mg/dL, אבל יכול להיות גבוה כמו 400 mg/dL15. כאשר רמות גבוהות של לחץ חמצוני (OS) ברקמת הפצע הם המושרה מיד לאחר פצעו, הפצע הופך כרונית16. Db/db-/- פצעים נחשבים כרוניים על ידי 20 ימים ונשארים פתוחים במשך 60 ימים או יותר. ביוilm המיוצר על ידי חיידקים ניתן לראות מתפתח מתחיל שלושה ימים לאחר פציעתו; ביוilm בוגר ניתן לראות 20 יום לאחר פציעתו ונמשך עד לסגירת הפצע. החיידק היוצר של הביוilm שאנו מוצאים בעכברים האלה נמצא גם בפצעים כרוניים של האדם.
מתח חמצוני נגרמת על ידי טיפול בפצעים עם שני מעכבי של אנזימים נוגדי חמצון, קטלאז ו peroxidase גלוטתיון, שני אנזימים עם היכולת לשבור חמצן מימן. תחמוצת המימן הוא מינים חמצן תגובתי יכול לגרום נזק הסלולר דרך חמצון של חלבונים, שומנים, ו-DNA. קטלאז מזרז את הפירוק של חמצן מימן לתוך כימיקלים מזיקים פחות חמצן ומים. 3-אמינו -1, 2, 4-triazole (עץ) מעכב קטלאז על ידי קשירה באופן ספציפי ומלא למרכז הפעיל של האנזים, הפעלת אותו17,18,19. עץ שימש כדי לחקור את ההשפעות של לחץ חמצוני הן בתוך מבחנה ב vivo דרך עיכוב של קטלאז20,21,22,23,24. גלוטתיון peroxidase מזרז את הפחתת מי חמצן דרך נוגדי חמצון, גלוטתיון, והוא אנזים חשוב המגן על התא נגד לחץ חמצוני25. חומצה מרקוטוקסינית (מס א) מעכבת גלוטתיון peroxidase על ידי קשירה לאתר הפעיל של האנזים הכולל את האנזימים באמצעות הפעלה זו, שאינה מפעילה26. מס ‘ א נעשה שימוש כדי ללמוד את ההשפעות של לחץ חמצוני בתוך מבחנה ב vivo כמו גם20,27,28.
זה מודל הרומן של פצעים כרוניים הוא מודל רב עוצמה ללמוד כי זה מניות רבות מאותן תכונות שנצפו בפצעים כרוניים סוכרתית האדם, כולל דלקת ממושכת מערכת הפעלה מוגברת והיווצרות ביוilm טבעי מ-microbiome העור. הפצעים לקויי המגע העורי-באפידרמיס, תצהיר מטריצה חריגה, אנגיוגנזה עני והוא ניזוק. פצעים כרוניים יתפתחו בעכברים זכריים ונקביים, כך שניתן יהיה להשתמש בשני המינים כדי ללמוד פצעים כרוניים. לכן, מודל הפצע הכרוני יכול לתרום באופן משמעותי לקידום ההבנה הבסיסית של אופן התחלת הפצעים. שימוש זה מודל הפצע כרונית יכול לספק תשובות לשאלות בסיסיות על איך המתעד הוא יזם/מושגת באמצעות תרומות מן הפיזיולוגיה של ריפוי פצע לקוי ואת המיקרובידום של המארח.
Protocol
Representative Results
Discussion
לאחר פציעות כרוניות נוצרות על העכברים, המודל יכול לשמש כדי ללמוד תהליכים ריפוי בפצע לקוי המעורבים בייזום של כותבי. המודל יכול לשמש גם כדי לבדוק את היעילות של מגוון רחב של כימיקלים ותרופות שיכולים להפוך את התפתחות הפצע כרונית וריפוי לקוי ולגרום לסגירת הפצע וריפוי. נקודות זמן שונות לאחר התח…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
. למחברים אין תודות
Materials
| B6.BKS(D)-Leprdb/J | The Jackson Laboratory | 00697 | Homozygotes and heterozygotes available |
| Nair Hair Remover Lotion with Soothing Aloe and Lanolin | Nair | a chemical depilatory | |
| Buprenex (buprenorphine HCl) | Henry Stein Animal Health | 059122 | 0.3 mg/ml, Class 3 |
| 3-Amino-1,2,4-triazole (ATZ) | TCI | A0432 | |
| Mercaptosuccinic acid (MSA) | Aldrich | 88460 | |
| Phosphate buffer solution (PBS) | autoclave steriled | ||
| Isoflurane | Henry Schein Animal Health | 029405 | NDC 11695-6776-2 |
| Oxygen | Tank must be compatible with vaporizing system | ||
| Isoflurane vaporizer | JA Baulch & Associates | ||
| Wahl hair clipper | Wahl | Lithium Ion Pro | |
| Acu Punch 7mm skin biopsy punches | Acuderm Inc. | P750 | |
| Tegaderm | 3M | Ref: 1624W | Transparent film dressing (6 cm x 7 cm) |
| Heating pad | Conair | Moist Dry Heating Pad | |
| Insulin syringes | BD | 329461 | 0.35 mm (28G) x 12.7 mm (1/2") |
| 70% ethanol | |||
| Kimwipes | |||
| Tweezers | |||
| Sharp surgical scissors | |||
| Thin metal spatula | |||
| Tubing | |||
| Mouse nose cone | |||
| Gloves | |||
| small plastic containers |
References
- Singer, A. J., Clark, R. A. F. Cutaneous wound healing. New England Journal of Medicine. 341 (10), 738-746 (1999).
- Nouvong, A., Ambrus, A. M., Zhang, E. R., Hultman, L., Coller, H. A. Reactive oxygen species and bacterial biofilms in diabetic wound healing. Physiological Genomics. 48 (12), 889-896 (2016).
- MacLeod, A. S., Mansbridge, J. N. The innate immune system in acute and chronic wounds. Advanced Wound Care. 5 (2), 65-78 (2016).
- Zhao, G., et al. Biofilms and Inflammation in Chronic Wounds. Advanced Wound Care. 2 (7), 389-399 (2013).
- Wlaschek, M., Scharffetter-Kochanek, K. Oxidative stress in chronic venous leg ulcers. Wound Repair and Regeneration. 13 (5), 452-461 (2005).
- Stadelmann, W. K., Digenis, A. G., Tobin, G. R. Physiology and healing dynamics of chronic cutaneous wounds. American Journal of Surgery. 176 (2), 26-38 (1998).
- Loots, M. A., Lamme, E. N., Zeegelaar, J., Mekkes, J. R., Bos, J. D., Middelkoop, E. Differences in cellular infiltrate and extracellular matrix of chronic diabetic and venous ulcers versus acute wounds. Journal of Investigative Dermatology. 111 (5), 850-857 (1998).
- Costerton, W., Veeh, R., Shirtliff, M., Pasmore, M., Post, C., Ehrlich, G. The application of biofilm science to the study and control of chronic bacterial infections. Journal of Clinical Investigation. 112 (10), 1466-1477 (2003).
- Fux, C. A., Costerton, J. W., Stewart, P. S., Stoodley, P. Survival strategies of infectious biofilms. Trends in Microbiology. 13 (1), 34-40 (2005).
- Sen, C. K., et al. Human skin wounds: A major and snowballing threat to public health and the economy. Wound Repair and Regeneration. 17 (6), 763-771 (2009).
- Armstrong, D. G., Wrobel, J., Robbins, J. M. Are diabetes-related wounds and amputations worse than cancer. International Wound Journal. 4 (4), 286-287 (2007).
- James, G. A., et al. Biofilms in chronic wounds. Wound Repair and Regeneration. 16 (1), 37-44 (2008).
- Chen, H., et al. Evidence that the diabetes gene encodes the leptin receptor: Identification of a mutation in the leptin receptor gene in db/db mice. Cell. 84 (3), 491-495 (1996).
- Coleman, D. L. Obese and diabetes: Two mutant genes causing diabetes-obesity syndromes in mice. Diabetologia. 14 (3), 141-148 (1978).
- Garris, D. R., Garris, B. L. Genomic modulation of diabetes (db/db) and obese (ob/ob) mutation-induced hypercytolipidemia: cytochemical basis of female reproductive tract involution. Cell Tissue Research. 316 (2), 233-241 (2014).
- Dhall, S., et al. Generating and reversing chronic wounds in diabetic mice by manipulating wound redox parameters. Journal of Diabetes Research. , (2014).
- Feinstein, R. N., Berliner, S., Green, F. O. Mechanism of inhibition of catalase by 3-amino-1,2,4-triazole. Archives of Biochemistry and Biophysics. 76 (1), 32-44 (1958).
- Margoliash, E., Novogrodsky, A. A study of the inhibition of catalase by 3-amino-1:2:4:-triazole. Biochemical Journal. 68 (3), 468-475 (1958).
- Margoliash, E., Novogrodsky, A., Schejter, A. Irreversible reaction of 3-amino-1:2:4-triazole and related inhibitors with the protein of catalase. Biochemical Journal. 74 (2), 339-348 (1960).
- Shiba, D., Shimamoto, N. Attenuation of endogenous oxidative stress-induced cell death by cytochrome P450 inhibitors in primary cultures of rat hepatocytes. Free Radical Biology and Medicine. 27 (9-10), 1019-1026 (1999).
- Ishihara, Y., Shimamoto, N. Critical role of exposure time to endogenous oxidative stress in hepatocyte apoptosis. Redox Report. 12 (6), 275-281 (2007).
- Valenti, V. E., de Abreu, L. C., Sato, M. A., Ferreira, C. ATZ (3-amino-1,2,4-triazole) injected into the fourth cerebral ventricle influences the Bezold-Jarisch reflex in conscious rats. Clinics. 65 (12), 1339-1343 (2010).
- Welker, A. F., Campos, E. G., Cardoso, L. A., Hermes-Lima, M. Role of catalase on the hypoxia/reoxygenation stress in the hypoxia-tolerant Nile tilapia. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 302 (9), 1111-1118 (2012).
- Bagnyukova, T. V., Vasylkiv, O. Y., Storey, K. B., Lushchak, V. I. Catalase inhibition by amino triazole induces oxidative stress in goldfish brain. Brain Research. 1052 (2), 180-186 (2005).
- Falck, E., Karlsson, S., Carlsson, J., Helenius, G., Karlsson, M., Klinga-Levan, K. Loss of glutathione peroxidase 3 expression is correlated with epigenetic mechanisms in endometrial adenocarcinoma. Cancer Cell International. 10 (46), (2010).
- Chaudiere, J., Wilhelmsen, E. C., Tappel, A. L. Mechanism of selenium-glutathione peroxidase and its inhibition by mercaptocarboxylic acids and other mercaptans. Journal of Biological Chemistry. 259 (2), 1043-1050 (1984).
- Dunning, S., et al. Glutathione and antioxidant enzymes serve complementary roles in protecting activated hepatic stellate cells against hydrogen peroxide-induced cell death. Biochimica et Biophysica Acta. 1832 (12), 2027-2034 (2013).
- Franco, J. L., et al. Methylmercury neurotoxicity is associated with inhibition of the antioxidant enzyme glutathione peroxidase. Free Radical Biology and Medicine. 47 (4), 449-457 (2009).
- Sundberg, J. P., Silva, K. A. What color is the skin of a mouse. Veterinary Pathology. 49 (1), 142-145 (2012).
- Curtis, A., Calabro, K., Galarneau, J. R., Bigio, I. J., Krucker, T. Temporal variations of skin pigmentation in C57BL/6 mice affect optical bioluminescence quantitation. Molecular Imaging & Biology. 13 (6), 1114-1123 (2011).
- Kim, J. H., Martins-Green, M. Protocol to create chronic wounds in diabetic mice. Nature Protocols Exchange. , (2016).
- Aasum, E., Hafstad, A. D., Severson, D. L., Larsen, T. S. Age-dependent changes in metabolism, contractile function, and ischemic sensitivity in hearts from db/db mice. Diabetes. 52 (2), 434-441 (2003).
- Vannucci, S. J., et al. Experimental stroke in the female diabetic, db/db, mouse. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 21 (1), 52-60 (2001).
- Janssen, B. J., et al. Effects of anesthetics on systemic hemodynamics in mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 287 (4), 1618-1624 (2004).
- Osborn, O., et al. Metabolic characterization of a mouse deficient in all known leptin receptor isoforms. Cellular and Molecular Neurobiology. 30 (1), 23 (2010).
- Scales, B. S., Huffnagle, G. B. The microbiome in wound repair and tissue fibrosis. Journal of Pathology. 229 (2), 323-331 (2013).
- Gjødsbøl, K., et al. No need for biopsies: Comparison of three sample techniques for wound microbiota determination. International Wound Journal. 9 (3), 295-302 (2012).
- Wolcott, R. D., et al. Analysis of the chronic wound microbiota of 2,963 patients by 16S rDNA pyrosequencing. Wound Repair Regeneration. 24 (1), 163-174 (2016).
- Gjødsbøl, K., Christensen, J. J., Karlsmark, T., Jørgensen, B., Klein, B. M., Krogfelt, K. A. Multiple bacterial species reside in chronic wounds: a longitudinal study. International Wound Journal. 3 (3), 225-231 (2006).
- Dowd, S. E., et al. Survey of bacterial diversity in chronic wounds using Pyrosequencing, DGGE, and full ribosome shotgun sequencing. BMC Microbiology. 8 (43), (2008).
- Price, L. B., et al. Community analysis of chronic wound bacteria using 16S rrna gene-based pyrosequencing: Impact of diabetes and antibiotics on chronic wound microbiota. PLoS One. 4 (7), 6462 (2009).
- Scales, B. S., Huffnagle, G. B. The microbiome in wound repair and tissue fibrosis. Journal of Pathology. 229 (2), 323-331 (2013).
- Dowd, S. E., et al. Polymicrobial nature of chronic diabetic foot ulcer biofilm infections determined using bacterial tag encoded FLX amplicon pyrosequencing (bTEFAP). PLoS One. 3 (10), 3326 (2008).
- Price, L. B., et al. Macroscale spatial variation in chronic wound microbiota: A cross-sectional study. Wound Repair and Regeneration. 19 (1), 80-88 (2011).
- Gontcharova, V., Youn, E., Sun, Y., Wolcott, R. D., Dowd, S. E. Comparison of bacterial composition in diabetic ulcers and contralateral intact skin. Open Microbiology Journal. 4, 8-19 (2010).
- Smith, K., et al. One step closer to understanding the role of bacteria in diabetic foot ulcers: characterising the microbiome of ulcers. BMC Microbiologyogy. 16 (54), (2016).
- Gardner, S. E., Hillis, S. L., Heilmann, K., Segre, J. A., Grice, E. A. The Neuropathic diabetic foot ulcer microbiome is associated with clinical factors. Diabetes. 62 (3), 923-930 (2013).
- Loesche, M., et al. Temporal stability in chronic wound microbiota is associated with poor healing. Journal of Investigative Dermatology. 137 (1), 237-244 (2017).
- Kalan, L., et al. Redefining the chronic-wound microbiome: Fungal communities are prevalent, dynamic, and associated with delayed healing. MBio. 7 (5), 01058-01116 (2016).
- Blakytny, R., Jude, E. The molecular biology of chronic wounds and delayed healing in diabetes. Diabetic Medicine. 23 (6), 594-608 (2006).
