Pre-chiasmatisk, enstaka injektion av autologt blod för att inducera experimentell subaraknoidalblödning i en råttmodell
Summary
Subaraknoidalblödning fortsätter att bära en hög börda av dödlighet och sjuklighet hos människa. För att underlätta vidare forskning om tillståndet och dess patofysiologi presenteras en pre-chiasmatisk modell med en injektion.
Abstract
Trots framsteg inom behandling under de senaste decennierna fortsätter subaraknoidalblödning (SAH) att bära en hög börda av sjuklighet och dödlighet, vilket till stor del drabbar en ganska ung befolkning. Flera djurmodeller av SAH har utvecklats för att undersöka de patofysiologiska mekanismerna bakom SAH och för att testa farmakologiska interventioner. Den pre-chiasmatiska modellen med en injektion hos råtta som presenteras i denna artikel är en experimentell modell av SAH med en förutbestämd blodvolym. Kortfattat bedövas djuret, intuberas och hålls under mekanisk ventilation. Temperaturen regleras med en värmepanna. En kateter placeras i svansartären, vilket möjliggör kontinuerlig blodtrycksmätning samt blodprovstagning. Atlantooccipitalmembranet skärs och en kateter för tryckregistrering placeras i cisterna magna för att möjliggöra intracerebral tryckmätning. Denna kateter kan också användas för intratekala terapeutiska ingrepp. Råttan placeras i en stereotaxisk ram, ett borrhål borras framåt mot bregma och en kateter sätts in genom borrhålet och placeras precis framför den optiska chiasmen. Autologt blod (0,3 ml) dras ut från svanskatetern och injiceras manuellt. Detta resulterar i en ökning av intracerebralt tryck och en minskning av cerebralt blodflöde. Djuret hålls nedsövt i 30 minuter och ges subkutan saltlösning och smärtstillande medel. Djuren extuberas och återförs till sin bur. Den pre-chiasmatiska modellen har en hög reproducerbarhet och begränsad variation mellan djur på grund av den förutbestämda blodvolymen. Det efterliknar SAH hos människor vilket gör det till en relevant modell för SAH-forskning.
Introduction
Icke-traumatisk subaraknoidalblödning (SAH) är en form av stroke, som representerar cirka 5% av alla fall. Den vanligaste orsaken till icke-traumatisk SAH är den plötsliga bristningen av en aneurysm (aSAH), som står för 85% av SAH. Andra orsaker inkluderar bristning av en arterio-venös missbildning, koagulopatier och bristning av vener i perimesencefalisk blödning1. Incidensen är 9 per 100 000 årsverken med dödlighet omkring en av tre och ytterligare en tredjedel som kräver stöd i det dagliga livet efter SAH 2,3.
Efter initial stabilisering och diagnosbekräftelse beror behandlingen på blödningens svårighetsgrad. De svårast drabbade patienterna kommer att ha en extraventrikulär dränering insatt i ventriklerna för att minska det intracerebrala trycket (ICP) och läggas in på neurointensivvårdsavdelningen, där de övervakas noggrant. Patienterna kommer att genomgå en angiografi för att identifiera den (troliga) aneurysmen och därefter få aneurysmen lindad eller klippt för att förhindra återblödning4. Trots många studier av farmakologiska terapier har endast nimodipin, en kalciumkanalantagonist, visat sig förbättra resultaten5. Flera kliniska prövningar pågår för närvarande. Se recensionen av Daou och kollegor för en omfattande lista6.
Bristningen av en aneurysm har beskrivits som den plötsliga uppkomsten av den värsta huvudvärk som någonsin upplevts eller en åskklapphuvudvärk. Brottet resulterar i en brant ökning av ICP följt av en minskning av cerebralt blodflöde (CBF). Denna minskning resulterar i global ischemi i hjärnan, vilket kan leda till förlust av medvetande. Denna mer mekanistiska väg, tillsammans med den initierade nedbrytningen av de extravaserade elementen i blod, ger upphov till cytokinfrisättning och aktivering av det medfödda immunsystemet vilket resulterar i steril neuroinflammation. Vidare observeras ofta nedbrytning av blod-hjärnbarriären, vilket resulterar i hjärnödem och störningar i jonhomeostasen. Alla dessa förändringar och mer, myntade tidig hjärnskada (EBI), inträffar inom de första dagarna och resulterar i neuronal förlust och apoptos7.
Cirka 1/3 av patienterna som lider av aSAH kommer att utveckla fördröjd cerebral ischemi (DCI) mellan dag 4-148. DCI definieras som antingen debuten av en fokusal, neurologisk funktionsnedsättning eller en droppe på minst två poäng på Glasgows komaskala som varar i minst 1 timme, när andra orsaker, inklusive anfall och återblödning är uteslutna. DCI är förknippat med en ökad risk för död och minskat funktionellt utfall efter aSAH9. Cerebral vasospasm (CVS), förträngningen av hjärnartärerna, har varit känd för att vara associerad med DCI i årtionden och ansågs tidigare vara den enda orsaken till DCI. Det har sedan dess visats att CVS kan uppstå utan utveckling av DCI och fler faktorer, inklusive mikrovaskulär trombos och förträngning, kortikal spridningsdepression och ett inflammatoriskt svar på EBI har sedan identifierats10,11,12.
På grund av EBI:s och DCI:s stora inflytande på sjukdomsförloppet och utfallet hos de patienter som drabbats, måste djurmodeller efterlikna dessa i största möjliga utsträckning, samtidigt som de är reproducerbara. Forskare har använt ett brett spektrum av olika modeller i en mängd olika djur från möss till icke-mänskliga primater för att försöka simulera aSAH. Sprague-Dawley och Wistar vildtypsråttor är för närvarande de vanligaste laboratoriedjuren, och de vanligaste modellerna är den endovaskulära perforeringsmodellen, cisterna-magna dubbelinjektionsmodellen och slutligen den pre-chiasmatiska enkelinjektionsmodellen, som kommer att beskrivas i denna artikel13.
Den pre-chiasmatiska modellen med enkel injektion utvecklades ursprungligen av Prunell och kollegor för att motverka några av bristerna i de andra experimentella modellerna14. Operationen, när den behärskas, är mycket reproducerbar och minimerar variationen mellan djur. Modellen efterliknar SAH hos människor på flera punkter, inklusive den plötsliga ökningen av ICP efter injektion av blod, vilket resulterar i övergående global ischemi på grund av en minskning av CBF15,16. Det påverkar den främre cirkulationen, vilket är där de flesta aSAH hos människor förekommer17. Dödligheten varierar från 10% -33% beroende på studien och mängden blod injicerat14,18. Fördröjd celldöd och neuroinflammation kan detekteras på dag 2 och 7, vilket ger variabler för att studera konsekvenserna av EBI och DCI19,20.
Studien presenterar en uppdaterad beskrivning av den pre-chiasmatiska single injection-modellen i råtta tillsammans med en beskrivning av hur ICP-proben kan användas som port för intratekal administrering av farmaci.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den pre-chiasmatiska enda injektionsmodellen av SAH efterliknar flera viktiga delar av human SAH, inklusive spiken i ICP, minskning av CBF, övergående global ischemi, uppreglering av neuroinflammatoriska markörer och CVS 14,15,16,18,19,20. ICP-sonden användes också som en port för intratekal administrering (<strong clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet stöddes av Lundbeck Foundation och Lundbeck Grant of Excellence (nr. R59-A5404). Finansiärer hade ingen roll i någon del av manuskriptet.
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
- van Gijn, J., Kerr, R. S., Rinkel, G. J. Subarachnoid haemorrhage. Lancet. 369 (9558), 306-318 (2007).
- 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).
- 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).
- Maher, M., Schweizer, T. A., Macdonald, R. L. Treatment of spontaneous subarachnoid hemorrhage: guidelines and gaps. Stroke. 51 (4), 1326-1332 (2020).
- 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).
- 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).
- Fujii, M., et al. Early brain injury, an evolving frontier in subarachnoid hemorrhage research. Translational Stroke Research. 4 (4), 432-446 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dhar, R., et al. Relationship between angiographic vasospasm and regional hypoperfusion in aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Stroke. 43 (7), 1788-1794 (2012).
- Macdonald, R. L. Delayed neurological deterioration after subarachnoid haemorrhage. Nature Reviews. Neurology. 10 (1), 44-58 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Velthuis, B. K., et al. Subarachnoid hemorrhage: Aneurysm detection and preoperative evaluation with CT angiography. Radiology. 208 (2), 423-430 (1998).
- Leclerc, J. L., et al. A comparison of pathophysiology in humans and rodent models of subarachnoid hemorrhage. Frontiers in Molecular Neuroscience. 11, 71 (2018).
- Prunell, G. F., Svendgaard, N. A., Alkass, K., Mathiesen, T. Inflammation in the brain after experimental subarachnoid hemorrhage. Neurosurgery. 56 (5), 1082-1091 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hansen-Schwartz, J., et al. Subarachnoid hemorrhage enhances endothelin receptor expression and function in rat cerebral arteries. Neurosurgery. 52 (5), 1188-1194 (2003).
- 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).
- Miyata, H., et al. Vasa vasorum formation is associated with rupture of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. , 1-11 (2019).
- Tada, Y., et al. Roles of hypertension in the rupture of intracranial aneurysms. Stroke. 45 (2), 579-586 (2014).
- Nuki, Y., et al. Elastase-induced intracranial aneurysms in hypertensive mice. Hypertension. 54 (6), 1337-1344 (1979).
- 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).
- Altay, O., et al. Isoflurane on brain inflammation. Neurobiology of Disease. 62, 365-371 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
