This protocol describes repetitive hypoxic preconditioning, or brief exposures to systemic hypoxia that reduce infarct volumes and blood-brain barrier disruption following transient middle cerebral artery occlusion in mice. It also details dual quantification of infarct volume and blood-brain barrier disruption after stroke to assess the efficacy of neurovascular protection.
Eksperimentelle dyremodeller av hjerneslag er uvurderlig verktøy for å forstå hjerneslag patologi og utvikle mer effektive behandlingsstrategier. En to ukers protokoll for repeterende hypoksisk prekondisjonering (RHP) induserer langsiktig beskyttelse mot sentralnervesystemet (CNS) skade i en musemodell for focal hjerneinfarkt. RHP består av 9 stokastiske eksponeringer til hypoksi som varierer både i varighet (2 eller 4 timer) og intensitet (8% og 11% O 2). RHP reduserer infarktvolum, blod-hjerne-barrieren (BBB) forstyrrelsen og etter slag inflammatorisk respons i flere uker etter den siste eksponering for hypoksi, noe som tyder på en langsiktig induksjon av et endogent CNS-beskyttende fenotype. Metodikken for dual kvantifisering av infarktvolum og BBB avbrudd er effektiv i å vurdere neurovascular beskyttelse i mus med RHP eller andre antatte neuroprotectants. Voksne mannlige sveitsiske Webster mus ble preconditioned av RHP eller varighets-ekvivalent eksponeringer til 21% O <sub> 2 (dvs. romluft). En 60 min transient tilstopping av midtre cerebralarterie (tMCAo) ble fremkalt to uker etter den siste eksponering hypoksiske. Både okklusjon og reperfusjon ble bekreftet ved transcranial laser Doppler strømningsmåling. Tjueto timer etter reperfusjon, Evans Blå (EB) ble administrert intravenøst gjennom en halevenen injeksjon. 2 timer senere, ble dyrene avlivet av isofluran overdose og hjerne seksjonene ble farget med 2,3,5- trifenyltetrazoliumklorid (TTC). Infarkter volumer ble deretter kvantifisert. Deretter EB ble ekstrahert fra vevet i løpet av 48 timer for å bestemme BBB etter avbrudd tMCAo. Oppsummert er RHP en enkel protokoll som kan replikeres, med minimale kostnader, for å indusere langsiktig endogen neurovascular beskyttelse mot slag skader hos mus, med translasjonsforskning potensial for andre CNS-baserte og systemiske proinflammatoriske sykdomstilstander.
Som den ledende årsaken til uførhet og den fjerde største dødsårsaken, er hjerneslag en av de mest ødeleggende sykdomstilstander som vender den voksne befolkningen i USA. En dyremodeller av hjerneslag tillate for eksperimentell undersøkelse av nye metoder for å redusere iskemisk skade og forbedring av post-takts utvinning. En roman avenue for eksempel translasjonell forskning prekondisjonering. Prekondisjonering er tilsiktet bruk av en ikke-skadelig stimulus for å redusere skader ved en etterfølgende, og mer alvorlige personskader. 2 hypoksiske prekondisjonering har vist seg å produsere pleiotrope forandringer i hjernen som gir beskyttelse mot slag både i de vivo og in vitro studier . 3 Men en enkelt eksponering for hypoksi bare tilbyr kortsiktig neuroprotection, indusere mindre enn 72 timer av toleranse mot iskemi hos voksne mus. 4 Selv etter fire uker med 14 timers daglig eksponering til hypobar hypoksi, Lin et al. found at nevro ble bare opprettholdes i en uke. 5 Repetitive hypoksisk prekondisjonering (RHP) er preget av stokastiske variasjoner i hyppighet, varighet og intensitet av hypoksiske eksponeringer. I motsetning til en enkelt preconditioning utfordring, induserer RHP en cerebroprotective fenotype som varer opp til åtte uker i mus. 6 RHP redusert infarktvolum, blod-hjerne-barrieren (BBB) avbrudd, vaskulær betennelse, og leukocytt-diapedese i flere uker etter den siste eksponering hypoksisk . RHP spesielt redusert inflammasjon i iskemisk hjerneskade ved å redusere T-celle, monocytter og makro populasjoner, samtidig som B-cellepopulasjoner i den ischemiske hjernehalvdelen. 7 faktisk RHP indusert et immunsuppressivt fenotype hos mus før enhver CNS-skade, inklusive slag. RHP-behandlede B-celler isolert fra RHP-behandlede friske mus utviste en unik anti-inflammatorisk fenotype, med en nedregulering av både antigen-presentasjon og antistoffproduksjon. Densamlet reduksjon i proinflammatoriske adaptive immunmekanismer gjør RHP en utmerket metode for å indusere endogen immunsuppresjon for ikke bare CNS-spesifikke inflammatoriske sykdommer, men også systemiske skade eller sykdom modeller som er pro-inflammatorisk patologi.
RHP reduserer både infarktvolum og BBB avbrudd etter en forbigående midten cerebral arterie okklusjon (tMCAo). Dyremodeller av hjerneslag, som vanligvis brukes tMCAo, dramatisk forbedre forståelsen av patofysiologien ved hjerneslag, samt utforming av mer effektive neurotherapeutics. Først utviklet av Koizumi et al., I 1986, er 8 den tMCAo prosedyren en mye brukt metode for å indusere slag hos gnagere og en av de foretrukne fremgangsmåter for å undersøke inflammasjon etter reperfusjon. Som metoder for tMCAo utvikle seg, jo mer nylig bruk av silikon-belagte filamenter ytterligere å redusere risikoen for subaraknoid blødning, sammenlignet med andre modeller 9,10 </ Sup> og bedre pålitelighet, men dessverre tMCAo gir ofte store variasjoner i infarktvolum. 11-13 De fleste av disse studiene avgrense infarkt regioner i koronale hjernen seksjoner ved farging med 2,3,5- trifenyltetrazoliumklorid (TTC), regnes som en gullstandarden for infarkt kvantifisering fordi det er en enkel og rimelig måte å produsere levende, kopier resultater. TTC tjener som et substrat av dehydrogenaser til stede i mitokondriene. Når hjerneskiver blir utsatt for den TTC oppløsningen blir TTC selektivt tas inn i levende celler, hvor dets ikke-oppløselige reduksjonsprodukt, formazan, utfelles til en dyp rød farge i levedyktige mitokondriene. På grunn av mitokondriell dysfunksjon i iskemisk vev, forblir dette vevet hvit, noe som åpner for differensiering av skadet og friskt vev. 14
RHP reduserer også BBB avbrudd i den ischemiske hjernehalvdelen. 6 Derfor, den doble kvantifisering av BBB integritet i samme bRegnet som TTC-basert infarktvolum bestemmelser 15 vil gi nyttig informasjon om den fulle effekten av endogen beskyttelse, og potensielle årsaksforhold mellom BBB avbrudd og infarkt i ubehandlede og behandlede dyr. Tilstrømningen av perifert blod gjennom en forstyrret BBB, sekundært til hjerneslag, øker leukocyttpopulasjoner, proinflammatoriske cytokiner, oksidativt stress, vasogenic ødem og hemoragisk transformasjon i iskemisk halvkule, slutt å øke satsene for infeksjon og dødelighet hos pasienter med iskemisk hjerneslag . 16,17 En vanlig metode for å måle BBB avbrudd i dyremodeller er gjennom kvantifisering av Evans blue (EB) fargestoff lekkasje inn i hjernen. 15,18-21 EB bindes selektivt til serumalbumin, et globulært protein (molekylvekt = 65 kDa) som ikke krysser BBB i uskadde dyr. 22 Etter iskemisk hjerneslag, infiltrerer EB hjernen, og fluoresces ved 620 nm, noe som åpner for måling av optisk tetthet within perfusert skadde parenchyma. 22 Den optiske tetthet er direkte proporsjonal med permeabiliteten av BBB når EB har blitt vasket ut av post-mortem cortical blodkar ved transcardiac perfusjon. Med umiddelbar behandling av TTC-farget hjernen hos dyr med EB administrasjon, kan både infarktvolum og BBB avbrudd effektivt kvantifiseres. Det bør imidlertid bemerkes, at neuronskade og BBB avbrudd ikke er samtidige prosesser i post-slag hjerne, 23,24 slik at utvalget av avlivningstiden er en viktig faktor.
Protokollen som følger beskriver RHP metoden, tMCAo metode for å indusere en midlertidig arteriell okklusjon som modeller midtre cerebralarterie okklusjoner i menneskelige pasienter, og de to histologiske metoder for å bestemme nevrale og vaskulære slag skader endepunkter. TTC måler celledød og kumulativ skade på vev, slik at for kvantifisering av en samlet infarkt volUme, mens EB gir for hemisfæriske kvantifisering av BBB skade.
En enkelt eksponering for systemisk hypoksi (dvs. 2 timer på 11% O 2) i mus "forbigående" beskytter hjernen mot tMCAo, 29 betyr at epigenetisk respons på hypoksisk prekondisjonering utfordringen er kortvarige, og baseline fenotype er gjenopprettet innen dager. Gjentatte presentasjoner av hypoksisk prekondisjonering stimulus dramatisk forlenge varigheten av neurobeskyttende fenotype. 6 Mange studier har vist at hyppigheten, størrelsen og varigheten av den repeterend…
The authors have nothing to disclose.
Special thanks to the Gidday lab for their work in developing the RHP protocol, as well as the Neuro-Models Facility (UTSW) for their assistance in the tMCAo surgeries. This work was supported by grants from the American Heart Association (AMS), The Haggerty Center for Brain Injury and Repair (UTSW; AMS), and The Spastic Paralysis Research Foundation of the Illinois-Eastern Iowa District of Kiwanis International (JMG).
Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Flowmeters, regulators | VetEquip, Inc | Specialty order | Four flowmeters are attached to 6.0 mm flexible PVC tubing which connects to the inlet port on each induction chamber with a plastic female connector. These flowmeters are bolted to a 6.5" x 1" x 1" metal bar. This metal bar is bolted to a MI-246-P pressure gauge with a DISS outlet. This pressure gauge and flowmeter equipment can be attached to each new gas cylinder with a wrench. |
21% O2 tank | AirGas | OX USP200 | |
11% O2 tank | AirGas | Specialty order | |
8% O2 tank | AirGas | Specialty order | |
15L induction chambers | VetEquip | 941454 | |
Moor Laber Dopper Flow | Moor Instruments | moorVMS-LDF1-HP | 0.8mm diameter probe |
High Intensity Illuminator | Nikon | NI-150 | |
Zoom Stereo Microscope | NIkon | SMZ800 | Other surgical microscopes may be used. |
Kent Scientific Right Temperature CODA | Kent Scientific Corporation | Discontinued | Recommended replacement is PhysioSuite with RightTemp Temperature Monitoring and Homeothermic Control (Kent Scientific, #PS-RT). |
Hovabator Incubator | Stromberg's | 2362-E | Our model is the 2362N. 2362E is a later model and includes an electronic thermostat. |
V010 Anesthesia system | VetEquip | 901807 | Includes: ten foot high-pressure oxygen hose, frame, flowmeter, oxygen flush assembly, vaporizer, breathing circuit, chamber, nosecones, waste gas evacuation tubing and two VapoGuard filters |
250 mL isoflurane | Butler Schein | NDC-11695 | |
D-6 Vet Trim Animal Cordless Trimmer | Andis | #23905 | Replacement blades are available from Andis (#23995) |
Betadine | Fisher Scientific | 19-898-867 | |
Q-tips | Multiple sellers | Catalog number not available | |
Gauze Pads | Fisher Scientific | 67622 | |
Surgical drape | Fisher Scientific | GM300 | |
Silk Sutures | Look/Div Surgical Specialties | SP115 | |
Nylon Sutures | Look/Div Surgical Specialties | SP185 | |
Durmont #5 forceps (2) | Fine Science Tools | 11251-35 | Angled 45° |
Surgical Scissors | Fine Science Tools | 14028-10 | |
3mm Vannas | Kent Scientific Corporation | INS600177 | Straight blade |
Hartman Hemostats | Fine Scientific Tools | 13002-10 | |
Occluding filaments | Washington University | Specialty order | Filaments are silicone coated at Washington Univeristy and provided to UTSW facilities for a fee. |
Evans Blue | Sigma Aldritch | E2129-10G | |
Filter Paper | Sigma Aldritch | WHA1001150 | 150 mm, circles, Grade 1 |
Weigh Boats | Fisher Scientific | 02-202-101 | 2.5" diameter |
0.9% Sodium Chloride Injection USP | Baxter Pharmaceutics | 2B1321 | |
0.3cc insulin syringe with 29 g needle | Becton Dickinson Labware | 309301 | |
Flat bottom restrainer | Braintree Scientific | FB M | 2.0" diameter |
TTC | Sigma | T8877 | |
10X PBS, pH 7.4 | Fisher Scientific | BP399-20 | |
Water Bath | Multiple sellers | Catalog number not available | Scintillation tubes with TTC may be manually held under running warm water as an alternative to the water bath. |
Styrofoam board | Multiple sellers | Catalog number not available | |
Large Syringe Kit | PumpSystems Inc | P-SYRKIT-LG | |
Perfusion Pump | PumpSystems Inc | NE-300 | |
60 cc syringe | Fisher Scientific | NC9203256 | |
27g winged infusion set | Kawasumi Laboratories, Inc | D3K1-25G 1 | |
20 ml scintillation vial | Fisher Scientific | 50-367-126 | |
Stainless steel spatula | Fisher Scientific | 14-373-25A | |
Alto acrylic 1.0 mm mouse brain, coronal | CellPoint Scientific | Catalog number not available | |
0.21 mm stainless steel blades, 25 pk | CellPoint Scientific | Catalog number not available | Reusable cryostat blades are an inexpensive alternative. |
4% paraformaldehyde | Santa Cruz Biotechnology | SC-281692 | |
Superfrost microscope slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
HP Scanjet G4050 | Multiple sellers | Catalog number not available | Other commercial scanners are suitable for this step in the protocol. |
ImageJ | National Institute of Health | Catalog number not available | |
Analytical Balance | Mettler Toledo | XSE 205U | |
Precision Compact Oven | Thermo Scientific | PR305225M | |
1.7 mL microcentrifuge tubes (Eppendorfs) | Denville Scientific | C2170 | |
Formamide | Fisher Scientific | BP228-100 | |
96-well plates | Fisher Scientific | 07-200-9 | |
Epoch Microplate Spectrophotometer | BioTek | Catalog number not available |