החמרה של איסכמיה שריר הלב עם חשיפה לחומר חלקיקי בטרשת עורקים מודל בעלי חיים
Summary
פרוטוקול זה מתאר מודל של בעלי חיים מורכבים עם חשיפה לחומר חלקיקי (PM) המחמיר איסכמיה שריר הלב עם טרשת עורקים.
Abstract
הבעיות הבריאותיות הנגרמות על ידי זיהום אוויר (במיוחד זיהום חלקיקי) מקבלות יותר ויותר תשומת לב, במיוחד בקרב חולים במחלות לב וכלי דם, מה שמחמיר הפרעות מסובכות וגורם לפרוגנוזה גרועה. מודל החשיפה הפשוט לאיסכמיה שריר הלב (MI) או לחומר חלקיקי (PM) אינו מתאים למחקרים כאלה על מחלות מרובות סיבות. כאן תוארה שיטה לבניית מודל מרוכב המשלב חשיפה ל-PM, טרשת עורקים ואיסכמיה שריר הלב. עכברי ApoE−/− הוזנו בתזונה עתירת שומן במשך 16 שבועות כדי לפתח טרשת עורקים, החדרת קנה הנשימה של מתלים סטנדרטיים של PM בוצעה כדי לדמות את החשיפה הריאתית של PM, והעורק הכלילי הקדמי השמאלי היורד נקשר שבוע לאחר החשיפה האחרונה. החדרת קנה הנשימה של PM יכולה לדמות חשיפה חריפה לריאות תוך הפחתה משמעותית של עלות הניסוי; קשירת העורק הקדמי הקדמי השמאלי הקלאסי עם אינטובציה לא פולשנית של קנה הנשימה ומכשיר הרחבה עזר חדש יכולים להבטיח את שיעור ההישרדות של החיה ולהפחית את הקושי של הניתוח. מודל בעלי חיים זה יכול לדמות באופן סביר את השינויים הפתולוגיים של המטופל של אוטם שריר הלב מחמיר על ידי זיהום אוויר ולספק התייחסות לבניית מודלים של בעלי חיים הקשורים למחקרים המערבים מחלות עם סיבות מרובות.
Introduction
זיהום אוויר נקשר לתמותה גבוהה מכל הסיבות ותרם נטל תחלואה משמעותי יותר מסכום זיהום המים, זיהום הקרקע והחשיפה התעסוקתית1. דו”ח של ארגון הבריאות העולמי גילה כי זיהום אוויר חיצוני גרם ל -4.2 מיליון מקרי מוות בטרם עת בערים ובאזורים כפריים ברחבי העולם בשנת 20162. 91% מהאנשים ברחבי העולם גרים במקומות שבהם איכות האוויר חורגת ממגבלות ההנחיות של ארגון הבריאות העולמי2. יתר על כן, החומר החלקיקי העדין (PM) (קוטר ≤2.5 מיקרומטר, PM2.5) מוכר כאיום זיהום האוויר המשמעותי ביותר לבריאות הציבור העולמית3, במיוחד לאנשים החיים בערים של מדינות בעלות הכנסה נמוכה ובינונית.
ההשפעות השליליות של זיהום אוויר על מחלות לב וכלי דם ראויות לתשומת לב רבה יותר. מחקרים קודמים הראו כי PM מוביל לסיכון מוגבר למחלות לב וכלי דם (CVDs)4. חשיפה לריכוזים גבוהים של חלקיקים זעירים במשך מספר שעות עלולה להוביל לתמותה מוגברת של אוטם שריר הלב. עבור אנשים עם היסטוריה של אוטם שריר הלב, חשיפה לחלקיקים זעירים יכולה להגדיל באופן משמעותי את הסיכון להישנות5. יתר על כן, מקובל כי חשיפה PM מאיצה את ההתקדמות של טרשת עורקים6.
לצורך מחקר רפואי, חיוני לבחור מודל מתאים של בעלי חיים. מודלים פשוטים של בעלי חיים טרשת עורקים7, מודלים של בעלי חיים של איסכמיה שריר הלב8, ומודלים של בעלי חיים עם חשיפה ל-PM9 כבר קיימים. עכבר ApoE−/− (אפוליפופרוטאין E נוקאאוט) הוא מודל עכבר מסורתי המשמש במחקרי טרשת עורקים. היכולת לנקות ליפופרוטאינים בפלזמה בעכברי ApoE−/− נפגעת קשות. האכלה בתזונה עתירת שומן תגרום לטרשת עורקים קשה, בדומה לתלות בתזונה של מחלת לב טרשת עורקים שנצפתה בבני אדם7. קשירת העורק הכלילי היורד הקדמי השמאלי (LAD) היא שיטה קלאסית להשראת האירוע האיסכמי 8,10. עירוי קנה הנשימה שימש במחקרים רבים ובולט ממודלים של חשיפה11,12 בגלל הסימולציה הטובה יותר והעלות הנמוכה יותר שלו.
עם זאת, למודלים חייתיים של מחלה בודדת יש מגבלות משמעותיות במחקר המדעי. איסכמיה שריר הלב המושרה רק על ידי קשירת LAD אינה מדומה במצב בפועל. במצב הטבעי, איסכמיה שריר הלב נגרמת בדרך כלל על ידי קרע פלאק ועורקים כליליים חסומים13. חולים עם קרדיומיופתיה איסכמית בדרך כלל יש נגעים בסיסיים טרשת עורקים13. יש גם חילוף חומרים לא תקין של שומנים ותגובות דלקתיות בגוף14. לכן, איסכמיה הנגרמת על ידי גורמים פיזיים או בתנאים טבעיים יש ביטויים פתולוגיים שונים. מחקרים קיימים הראו כי אוטם ודלקת במודלים של איסכמיה שריר הלב עם טרשת עורקים חמורים יותר15,16. חשיפה ל-PM עלולה להחמיר עוד יותר טרשת עורקים ואיסכמיה שריר הלב על ידי גרימת דלקת ועקה חמצונית1. שלושה גורמים מתקיימים בדרך כלל יחד במצב הטבעי, כך שניתן לדמות את המצב בפועל בצורה טובה יותר על ידי שימוש במודל מורכב.
פרוטוקול זה מתאר פיתוח מודל חייתי של איסכמיה שריר הלב (MI) המשלב טרשת עורקים (AS) וחשיפה חריפה של PM. עכברי ApoE−/− הוזנו בתזונה עתירת שומן כדי לגרום לטרשת עורקים. חשיפה ריאתית של PM הייתה חיקוי על ידי טפטוף תרחיף PM דרך קנה הנשימה. קשירת ה-LAD בעכברים שימשה להשראת איסכמיה שריר הלב. שיטות אלה שולבו והותאמו כדי לדמות את מצב המחלה טוב יותר ולשפר את שיעור ההישרדות של בעלי חיים. אין צורך ביחידת חשיפה גדולה או במכונת הרדמת גז, מה שהופך את הניסוי לקל לביצוע. מודל זה יכול לשמש כדי לחקור את ההשפעה של חשיפה PM בזיהום אוויר על טרשת עורקים וקרדיומיופתיה איסכמית ולערוך מחקר על תרופות חדשות שפותחו לטיפול במחלות עם גורמים מורכבים כאלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הקמת מודל בעלי חיים מורכב שונה במקצת ממודל MI יחיד. שמירה על שיעור הישרדות גבוה היא מאתגרת בפיתוח המודל המורכב. חומרת טרשת העורקים בעכברי ApoE−/− תהיה חמורה יותר עם הארכת זמן ההאכלה עתיר השומן7, וחולשת העכברים מובילה לתמותה מוגברת. לכן, יש צורך לעקוב אחר מצב העכברים במהלך ה?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מודל זה פותח בתמיכת הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מס’ 81673640, 81841001 ו-81803814) והתוכנית הלאומית הגדולה למדע וטכנולוגיה של סין לתרופות חדשניות (2017ZX09301012002 ו-2017ZX09101002001-001-3).
Materials
| 2,2,2-Tribromoethanol | Sigma-Aldrich | T48402 | |
| 75% alcohol disinfectant | |||
| Animal ventilator | Shanghai Alcott Biotech | ALC-V8S | |
| Cotton swabs | Sterile | ||
| Cotton swabs for babies | Sterile , Approximately 3 mm in diameter | ||
| Culture Dish | Corning | 430597 | 150 mm x 25 mm |
| Diesel Particulate Matter | National Institute of Standards Technology | 1650b | |
| Dissection board | About 25 x 17 cm. The dissecting board can be replaced with a wooden board of the same size | ||
| High-fat diet for mice | Prescription: egg yolk powder 10%, lard 10%, sterol 1%, maintenance feed 79% | ||
| Iodophor disinfectant | |||
| LED spotlight | 5 V, 3 W,with hoses and clamps | ||
| Medical silk yarn ball | Shanghai Medical Suture Needle Factory Co., Ltd. | – | 0-0 |
| Medical tape | 3M | 1527C-0 | |
| Micro Vascular Hemostatic Forceps | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | W40350 | |
| Needle Holders | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | JC32010 | |
| Normal saline | |||
| Ophthalmic Scissors | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | Y00040 | |
| Ophthalmic tweezer, 10cm, curved, with hooks | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | JD1080 | |
| Ophthalmic tweezer, 10cm, curved, with teeth | Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory | JD1060 | |
| Pipet Tips | Axygen | T-200-Y-R-S | 0-200 μL |
| Pipette | eppendorf | 3121000074 | 100 uL |
| Safety pin | Approximately 4.5 cm in length , for making chest opening tools | ||
| Small Animal I.V. Cannulas | Baayen healthcare suzhou | BAAN-322025 | I.V CATHETER 22FG x 25 MM |
| Suture needle with thread | Shanghai Medical Suture Needle Factory Co., Ltd. | – | 6-0,Nylon line |
| Suture needle with thread | JinHuan Medical | F503 | 5-0 |
| Syringe | 1 mL | ||
| Tert-amyl alcohol | |||
| Zoom-stereo microscope | Mshot | MZ62 |
References
- Al-Kindi, S. G., Brook, R. D., Biswal, S., Rajagopalan, S. Environmental determinants of cardiovascular disease: lessons learned from air pollution. Nature Reviews: Cardiology. 17 (10), 656-672 (2020).
- Ambient (outdoor) Air Pollution. WHO Available from: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor) (2021)
- Kim, K. H., Kabir, E., Kabir, S. A review on the human health impact of airborne particulate matter. Environment International. 74, 136-143 (2015).
- Rajagopalan, S., Al-Kindi, S. G., Brook, R. D. Air pollution and cardiovascular disease: JACC State-of-the-Art Review. Journal of the American College of Cardiology. 72 (17), 2054-2070 (2018).
- Wolf, K., et al. Associations between short-term exposure to particulate matter and ultrafine particles and myocardial infarction in Augsburg, Germany. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 218 (6), 535-542 (2015).
- Sun, Q., Hong, X., Wold, L. E. Cardiovascular effects of ambient particulate air pollution exposure. Circulation. 121 (25), 2755-2765 (2010).
- Emini Veseli, B., et al. Animal models of atherosclerosis. European Journal of Pharmacology. 816, 3-13 (2017).
- Reichert, K., et al. Murine Left anterior descending (LAD) coronary artery ligation: An improved and simplified model for myocardial infarction. Journal of Visualized Experiments. (122), e55353 (2017).
- Lei, J., et al. The acute effect of diesel exhaust particles and different fractions exposure on blood coagulation function in mice. International Journal of Environmental Research and Public Health. 18 (8), 4136 (2021).
- Gao, E., et al. A novel and efficient model of coronary artery ligation and myocardial infarction in the mouse. Circulation Research. 107 (12), 1445-1453 (2010).
- Pei, Y. H., et al. LncRNA PEAMIR inhibits apoptosis and inflammatory response in PM2.5 exposure aggravated myocardial ischemia/reperfusion injury as a competing endogenous RNA of miR-29b-3p. Nanotoxicology. 14 (5), 638-653 (2020).
- Jia, H., et al. PM2.5-induced pulmonary inflammation via activating of the NLRP3/caspase-1 signaling pathway. Environmental Toxicology. 36 (3), 298-307 (2021).
- Vogel, B., et al. ST-segment elevation myocardial infarction. Nature Reviews Disease Primers. 5 (1), 39 (2019).
- Libby, P. The changing landscape of atherosclerosis. Nature. 592 (7855), 524-533 (2021).
- Zhou, Z., et al. Excessive neutrophil extracellular trap formation aggravates acute myocardial infarction injury in Apolipoprotein E deficiency mice via the ROS-dependent pathway. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2019, 1209307 (2019).
- Pluijmert, N. J., Bart, C. I., Bax, W. H., Quax, P. H. A., Atsma, D. E. Effects on cardiac function, remodeling and inflammation following myocardial ischemia-reperfusion injury or unreperfused myocardial infarction in hypercholesterolemic APOE*3-Leiden mice. Scientific Reports. 10 (1), 16601 (2020).
- Centa, M., Ketelhuth, D. F. J., Malin, S., Gistera, A. Quantification of atherosclerosis in mice. Journal of Visualized Experiments. (148), e59828 (2019).
- Benedek, A., et al. Use of TTC staining for the evaluation of tissue injury in the early phases of reperfusion after focal cerebral ischemia in rats. Brain Research. 1116 (1), 159-165 (2006).
- Mehlem, A., Hagberg, C. E., Muhl, L., Eriksson, U., Falkevall, A. Imaging of neutral lipids by oil red O for analyzing the metabolic status in health and disease. Nature Protocols. 8 (6), 1149-1154 (2013).
- Nelson, A. M., Nolan, K. E., Davis, I. C. Repeated orotracheal intubation in mice. Journal of Visualized Experiments. (157), e60844 (2020).
- Zheng, Z., et al. Exposure to fine airborne particulate matters induces hepatic fibrosis in murine models. Journal of Hepatology. 63 (6), 1397-1404 (2015).
- Bai, N., van Eeden, S. F. Systemic and vascular effects of circulating diesel exhaust particulate matter. Inhalation Toxicology. 25 (13), 725-734 (2013).
- Furuyama, A., Kanno, S., Kobayashi, T., Hirano, S. Extrapulmonary translocation of intratracheally instilled fine and ultrafine particles via direct and alveolar macrophage-associated routes. Archives of Toxicology. 83 (5), 429-437 (2009).
- Brunekreef, B., Holgate, S. T. Air pollution and health. Lancet. 360 (9341), 1233-1242 (2002).
