Summary

ラットモデルにおける実験的くも膜下出血を誘発するための自己血の交叉前単回注射

Published: June 18, 2021
doi:

Summary

くも膜下出血は、ヒトにおける死亡率および罹患率の高い負担を負い続けている。状態とその病態生理学のさらなる研究を容易にするために、交叉前の単回注射モデルが提示されます。

Abstract

過去数十年にわたる治療の進歩にもかかわらず、くも膜下出血(SAH)は、罹患率と死亡率の高い負担を負い続けており、主にかなり若い人口を苦しめています。SAHの背後にある病態生理学的メカニズムを調査し、薬理学的介入をテストするために、SAHのいくつかの動物モデルが開発されています。この記事で提示されたラットの交叉前の単回注射モデルは、所定の血液量を有するSAHの実験モデルである。簡単に説明すると、動物は麻酔をかけられ、挿管され、そして機械的換気下に保たれる。温度は加熱パッドで調整されます。尾動脈にはカテーテルを装着し、継続的な血圧測定や採血が可能です。大西洋後頭膜を切開し、大槽に圧力記録用のカテーテルを配置して脳内圧測定を可能にします。このカテーテルは、髄腔内治療介入にも使用できます。ラットを脳定位固定装置フレームに入れ、ブレグマの前方にバリ穴を開け、カテーテルをバリ穴に挿入して視交叉のすぐ前に配置します。自己血(0.3mL)を尾部カテーテルから抜き取り、手動で注入する。これにより、脳内圧が上昇し、脳血流が減少します。動物を30分間鎮静させ続け、皮下生理食塩水および鎮痛薬を与える。動物は抜管され、ケージに戻されます。交叉前モデルは、再現性が高く、事前に決定された血液量のために動物間の変動が限られています。人間のSAHを模倣しており、SAH研究に関連するモデルとなっています。

Introduction

非外傷性くも膜下出血(SAH)は脳卒中の一種であり、全症例の約5%を占めています。非外傷性SAHの最も一般的な原因は、SAHの85%を占める動脈瘤(aSAH)の突然の破裂です。その他の原因としては、動脈静脈奇形の破裂、凝固障害、脳周囲出血における静脈の破裂などがあります1。発生率は10万人年あたり9人で、死亡率は約3人に1人、SAH 2,3後の日常生活の支援が必要です。

最初の安定化と診断の確認後、治療は出血の重症度に依存します。最も重症の患者は、脳内圧(ICP)を下げるために心室に脳室外ドレーンを挿入し、神経集中治療室に入院し、そこで綿密に監視されます。患者は血管造影を受けて(可能性のある)動脈瘤を特定し、その後、再出血を防ぐために動脈瘤をコイル状またはクリップします4。薬理学的療法の多数の試験にもかかわらず、カルシウムチャネル拮抗薬であるニモジピンだけが転帰を改善することを示しています5。現在、複数の臨床試験が進行中です。広範なリストについては、Daouらによるレビューを参照してください6

動脈瘤の破裂は、これまでに経験した中で最悪の頭痛または雷鳴頭痛の突然の発症として説明されています。破裂により、ICPが急激に上昇し、続いて脳血流(CBF)が減少します。この減少は脳の全体的な虚血をもたらし、意識の喪失をもたらす可能性があります。このより機序的な経路は、血液の血管外漏出要素の開始された分解とともに、サイトカイン放出および自然免疫系の活性化を引き起こし、無菌の神経炎症をもたらす。さらに、血液脳関門の破壊は、脳浮腫およびイオン恒常性の乱れをもたらし、しばしば観察される。早期脳損傷(EBI)と呼ばれるこれらすべての変化は、最初の数日以内に発生し、ニューロンの喪失とアポトーシスをもたらします7

aSAHに苦しむ患者の約1/3は、4日目から14日目の間に遅発性脳虚血(DCI)を発症します8。DCIは、発作や再出血などの他の原因が除外されている場合、焦点性、神経学的障害のデビュー、またはグラスゴー昏睡スケールで最低1時間続く最低2ポイントの低下のいずれかとして定義されます。DCIは、aSAH9後の死亡リスクの増加と機能的転帰の低下に関連しています。脳動脈の狭窄である脳血管れん縮(CVS)は、何十年にもわたってDCIに関連していることが知られており、以前はDCIの唯一の理由であると考えられていました。それ以来、CVSはDCIの発症なしに発生する可能性があることが示されており、微小血管血栓症および狭窄、皮質拡散抑制、およびEBIの炎症反応を含むより多くの要因がそれ以来同定されている10,11,12

EBIとDCIは病気の経過と苦しんでいる患者の転帰に大きな影響を与えるため、動物モデルは再現性を持ちながら、これらを可能な限り模倣する必要があります。研究者は、マウスから非ヒト霊長類まで、さまざまな動物でさまざまなモデルを使用して、aSAHをシミュレートしようとしました。Sprague-DawleyおよびWistar野生型ラットは現在最も一般的に使用されている実験動物であり、最も一般的なモデルは血管内穿孔モデル、システルナ-マグナ二重注入モデル、そして最後に本稿13で説明する交叉前単回注入モデルである。

交叉前の単回注入モデルは、もともと他の実験モデルの欠点のいくつかに対抗するためにPrunellらによって開発されました14。手術は、習得すると再現性が高く、動物間のばらつきを最小限に抑えます。このモデルは、血液注入後のICPの突然の上昇を含む複数の点でヒトのSAHを模倣し、CBFの低下による一時的な全体的な虚血をもたらします15,16。それは、ヒトのほとんどのaSAHが発生する前循環に影響を及ぼします17。死亡率は、研究と注入された血液の量に応じて10%〜33%の範囲です14,18。遅延細胞死および神経炎症は2日目および7日目に検出することができ、それによってEBIおよびDCIの結果を研究するための変数を提供する19,20

この研究では、ラットにおける交叉前単回注射モデルの更新された説明と、ICPプローブを髄腔内投与のポートとして利用する方法の説明を示します。

Protocol

この手順は、科学的目的で使用される動物の保護に関する欧州連合の指令2010/63 / EUに従って行われ、デンマーク動物実験検査官によって承認されました(ライセンス番号2016-15-0201-00940)。手術は、滅菌器具、手袋、カテーテル、縫合糸など、可能な限り無菌技術を使用して行われます。この研究では、体重230〜350 gのオスとメスのSprague-Dawleyラットを使用し、12時間の明暗サイクルで飼育され、?…

Representative Results

女性は男性と比較してaSAHのリスクが高くなります。それにもかかわらず、雄のげっ歯類は、雌の発情周期の不均一性からの偏りの可能性があるため、主に実験に使用されます。ここに提示された代表的な結果は、雌ラットと雄ラットを比較した最近の出版物からのものであり、モデルが雄21と比較して雌動物で同様の結果を生成することを確認しています。この研究には、3…

Discussion

SAHの交叉前単回注入モデルは、ICPのスパイク、CBFの減少、一過性のグローバル虚血、神経炎症マーカーのアップレギュレーション、CVS1415、16181920などヒトSAHのいくつかの重要な要素を模倣しています。ICPプローブは、髄腔内投与用の…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この作業は、ルンドベック財団とルンドベック優秀助成金(番号R59-A5404)によってサポートされました。資金提供者は原稿のどの部分にも役割を果たさなかった。

Materials

16 G peripheral vein catheter BD Venflon 393229 Needle shortened, distal 1 cm curved. Wings removed
Anesthesia bell/ chamber Unknown
Blood gas analyzer Radiometer ABL80
Blood pressure (BP) monitor Adinstruments ML117 Connects to Powerlab
Curved forceps, 12 cm x 3 F.S.T 11001-12 For anesthesia
Cylindrical pillow, 28 cm x 4 cm Homemade Made from surgical towels
Data acquisition hardware Adinstruments ML870 Powerlab
Data acquistion software Adinstruments LabChart 6.0
Drill KMD 1189
Drill controller Silfradent 300 IN
Flexible light Schott KL200
Heating pad Minco 1135
Hypodermic needle, 20 G KD Medical 301300 Connects to stereotaxic frame
ICP monitor Adinstruments ML117 Connects to Powerlab
Isoflurane vaporizer Ohmeda TEC3
Laptop Lenovo T410
Laser doppler monitor Adinstruments ML191
Laser doppler probe Oxford Optronics MSF100XP Connects to laser doppler monitor
Needle holder, 13 cm F.S.T 12001-13 For anesthesia
Precision syringe, 0.025 mL Hamilton 547407
Stereotaxic frame Kopf Instruments M900
Surgical microscope Carl Zeiss F170
Suture needle Allgaier 1245 For anesthesia
Temperaure controller CWE,INC. TC-1000
Transducer x 2 Adinstruments MLT0699 Connects to BP and ICP monitor
Ventilator Ugo Basile 7025
Veterinary clipper Aesculap GT421
3-pronged Blair retractor, 13.5 cm Agnthos 17022–13
Blunt Alm retractor F.S.T 17008-07
Curved forceps, 12 cm x 2 F.S.T 11001-12
Needle holder, 13 cm F.S.T 12001-13
Straight Dumont forceps, 11 cm F.S.T 11252-00
Straight Halsted-Mosquito hemostat x 2 F.S.T 13008-12
Straight Iris scissor, 9 cm F.S.T 14090-09
Straight Vannas scissor, 10.5 cm F.S.T 15018-10
Absorpable swabs Kettenbach 31603
Black silk thread, 4-0, 5 x 15 cm Vömel 14757
Bone wax Aesculap 1029754
Carbomer eye gel 2 mg/g Paranova
Cotton swab Heinz Herenz WA-1
Cotton tipped applicator x 4 Selefa 120788
Hypodermic needle, 23 G x2 KD Medical 900284 Connects to stopcock. Remove distal end
Hypodermic needle, 23 G x3 KD Medical 900284 Remove distal end. 2 connects to stopcock, 1 to syringe
ICP probe: Homemade Made of the following:
Polythene tubing, 20 mm Smiths medical 800/100/200 Inner diameter (ID): 0.58 mm, Outer diameter (OD): 0.96 mm.
Silicone tubing, 10 mm Fisher 15202710 ID: 0.76 mm, OD: 2.4 mm.
Silicone tubing, 2 mm Fisher 11716513 ID: 1.0 mm, OD: 3.0 mm.
Micro hematocrit tubes Brand 7493 11
OP-towel, 45 cm x75 cm Mölnlycke 800430
PinPort adapter, 22 G Instech PNP3F22
PinPort injector Instech PNP3M
Polythene tubing, 2 x 20 cm Smiths medical 800/100/200 Connects to syringe. ID: 0.58 mm, OD: 0.96 mm.
Rubberband Unknown
Scalpel, 10 blade Kiato 23110
Spinalneedle, 25 G x 3.5'' Braun 5405905-01
Stopcock system, Discofix x 2 Braun 16494C Connects to transducer
Suture, 4-0, monofil, non-resorbable x 3 Ethicon EH7145H
Syringe, 1 mL BD Plastipak 1710023
Syringe, luer-lock, 10 mL x 4 BD Plastipak 305959 Connects to transducer
Tissue adhesive glue 3M 1469SB
0.5% Chlorhexidine spirit Faaborg Pharma 210918
Carprofen 50 mg/mL ScanVet 43715 Diluted 1:10
Isoflurane Baxter
Isotonic saline Amgros 16404
Lidocaine-Adrenaline 10 mg/5 µg/mL Amgros 16318

References

  1. van Gijn, J., Kerr, R. S., Rinkel, G. J. Subarachnoid haemorrhage. Lancet. 369 (9558), 306-318 (2007).
  2. de Rooij, N. K., Linn, F. H. H., vander Plas, J. A., Algra, A., Rinkel, G. J. E. Incidence of subarachnoid haemorrhage: a systematic review with emphasis on region, age, gender and time trends. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 78 (12), 1365-1372 (2007).
  3. Feigin, V. L., Lawes, C. M., Bennett, D. A., Barker-Collo, S. L., Parag, V. Worldwide stroke incidence and early case fatality reported in 56 population-based studies: a systematic review. The Lancet, Neurology. 8 (4), 355-369 (2009).
  4. Maher, M., Schweizer, T. A., Macdonald, R. L. Treatment of spontaneous subarachnoid hemorrhage: guidelines and gaps. Stroke. 51 (4), 1326-1332 (2020).
  5. Pickard, J. D., et al. Effect of oral nimodipine on cerebral infarction and outcome after subarachnoid haemorrhage: British aneurysm nimodipine trial. British Medical Journal (Clinical Research ed.). 298 (6674), 636-642 (1989).
  6. Daou, B. J., Koduri, S., Thompson, B. G., Chaudhary, N., Pandey, A. S. Clinical and experimental aspects of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. CNS Neuroscience and Therapeutics. 25 (10), 1096-1112 (2019).
  7. Fujii, M., et al. Early brain injury, an evolving frontier in subarachnoid hemorrhage research. Translational Stroke Research. 4 (4), 432-446 (2013).
  8. Roos, Y. B., et al. Complications and outcome in patients with aneurysmal subarachnoid haemorrhage: A prospective hospital based cohort study in the Netherlands. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 68 (3), 337-341 (2000).
  9. Vergouwen, M. D. I., et al. Definition of delayed cerebral ischemia after aneurysmal subarachnoid hemorrhage as an outcome event in clinical trials and observational studies: proposal of a multidisciplinary research group. Stroke. 41 (10), 2391-2395 (2010).
  10. Brown, R. J., Kumar, A., Dhar, R., Sampson, T. R., Diringer, M. N. The relationship between delayed infarcts and angiographic vasospasm after aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Neurosurgery. 72 (5), 702-707 (2013).
  11. Dhar, R., et al. Relationship between angiographic vasospasm and regional hypoperfusion in aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Stroke. 43 (7), 1788-1794 (2012).
  12. Macdonald, R. L. Delayed neurological deterioration after subarachnoid haemorrhage. Nature Reviews. Neurology. 10 (1), 44-58 (2014).
  13. Marbacher, S., et al. Systematic review of in vivo animal models of subarachnoid hemorrhage: species, standard parameters, and outcomes. Translational Stroke Research. 10 (3), 250-258 (2019).
  14. Prunell, G. F., Mathiesen, T., Svendgaard, N. -. A. A new experimental model in rats for study of the pathophysiology of subarachnoid hemorrhage. Neuroreport. 13 (18), 2553-2556 (2002).
  15. Prunell, G. F., Mathiesen, T., Diemer, N. H., Svendgaard, N. A. Experimental subarachnoid hemorrhage: subarachnoid blood volume, mortality rate, neuronal death, cerebral blood flow, and perfusion pressure in three different rat models. Neurosurgery. 52 (1), 165-176 (2003).
  16. Prunell, G. F., et al. Experimental Subarachnoid Hemorrhage: Cerebral blood flow and brain metabolism during the acute phase in three different models in the rat. Neurosurgery. 54 (2), 426-437 (2004).
  17. Velthuis, B. K., et al. Subarachnoid hemorrhage: Aneurysm detection and preoperative evaluation with CT angiography. Radiology. 208 (2), 423-430 (1998).
  18. Leclerc, J. L., et al. A comparison of pathophysiology in humans and rodent models of subarachnoid hemorrhage. Frontiers in Molecular Neuroscience. 11, 71 (2018).
  19. Prunell, G. F., Svendgaard, N. A., Alkass, K., Mathiesen, T. Inflammation in the brain after experimental subarachnoid hemorrhage. Neurosurgery. 56 (5), 1082-1091 (2005).
  20. Prunell, G. F., Svendgaard, N. A., Alkass, K., Mathiesen, T. Delayed cell death related to acute cerebral blood flow changes following subarachnoid hemorrhage in the rat brain. Journal of Neurosurgery. 102 (6), 1046-1054 (2005).
  21. Spray, S., Haanes, K. A., Edvinsson, L., Johansson, S. E. Subacute phase of subarachnoid haemorrhage in female rats: increased intracranial pressure, vascular changes and impaired sensorimotor function. Microvascular Research. 135, 104127 (2020).
  22. Ansar, S., Vikman, P., Nielsen, M., Edvinsson, L. Cerebrovascular ETB, 5-HT1B, and AT1 receptor upregulation correlates with reduction in regional CBF after subarachnoid hemorrhage. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 293 (6), 3750-3758 (2007).
  23. Hansen-Schwartz, J., et al. Subarachnoid hemorrhage enhances endothelin receptor expression and function in rat cerebral arteries. Neurosurgery. 52 (5), 1188-1194 (2003).
  24. Hayman, E. G., Wessell, A., Gerzanich, V., Sheth, K. N., Simard, J. M. Mechanisms of global cerebral edema formation in aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Neurocritical Care. 26 (2), 301-310 (2017).
  25. Miyata, H., et al. Vasa vasorum formation is associated with rupture of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. , 1-11 (2019).
  26. Tada, Y., et al. Roles of hypertension in the rupture of intracranial aneurysms. Stroke. 45 (2), 579-586 (2014).
  27. Nuki, Y., et al. Elastase-induced intracranial aneurysms in hypertensive mice. Hypertension. 54 (6), 1337-1344 (1979).
  28. Marbacher, S., Wanderer, S., Strange, F., Grüter, B. E., Fandino, J. Saccular aneurysm models featuring growth and rupture: A systematic review. Brain Sciences. 10 (2), 101 (2020).
  29. Altay, O., et al. Isoflurane on brain inflammation. Neurobiology of Disease. 62, 365-371 (2014).
  30. Hockel, K., Trabold, R., Schöller, K., Török, E., Plesnila, N. Impact of anesthesia on pathophysiology and mortality following subarachnoid hemorrhage in rats. Experimental and Translational Stroke Medicine. 4 (1), 5 (2012).
  31. Kamp, M. A., et al. A Systematic and meta-analysis of mortality in experimental mouse models analyzing delayed cerebral ischemia after subarachnoid hemorrhage. Translational Stroke Research. 8 (3), 206-219 (2017).
  32. Povlsen, G. K., Johansson, S. E., Larsen, C. C., Samraj, A. K., Edvinsson, L. Early events triggering delayed vasoconstrictor receptor upregulation and cerebral ischemia after subarachnoid hemorrhage. BMC Neuroscience. 14, 34 (2013).

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Bömers, J. P., Johansson, S. E., Edvinsson, L., Mathiesen, T. I., Haanes, K. A. Pre-Chiasmatic, Single Injection of Autologous Blood to Induce Experimental Subarachnoid Hemorrhage in a Rat Model. J. Vis. Exp. (172), e62567, doi:10.3791/62567 (2021).

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