레이저 도플러 흐름 측정을 사용하여 쥐에 대뇌 혈액 흐름 자동 조절의 평가
Summary
이 문서는 동맥 혈압감소 시 혈류를 자동으로 조절하는 대뇌 순환의 능력을 평가하기 위해 레이저 도플러 유동측정의 사용을 보여줍니다.
Abstract
대뇌 혈류를 조절하기위한 신체의 메커니즘을 조사 할 때, 미세 순환 혈류의 상대측정은 레이저 도플러 유량 측정법을 사용하여 얻을 수있다 (LDF). 이 논문은 두개골을 관통하거나 챔버 또는 대뇌 창을 설치하지 않고 대뇌 혈류를 평가 할 수있는 폐쇄 두개골 준비를 보여줍니다. 자동 조절 메커니즘을 평가하기 위해 등급이 매겨진 출혈을 통한 혈압 감소 조절 모델을 동시에 LDF를 사용하는 동시에 활용할 수 있습니다. 이것은 순환 혈액 볼륨의 철수에 의해 생성된 동맥 혈압의 감소에 응하여 혈류량에 있는 상대적인 변경의 실시간 추적을 가능하게 합니다. 이 패러다임은 동맥 혈압의 감소 동안 대뇌 혈류 자동 조절을 연구하는 귀중한 접근법이며, 프로토콜의 사소한 변형과 함께 출혈성 쇼크의 실험 모델로도 가치가 있습니다. 자동 조절 반응을 평가하는 것 외에도, LDF는 대사, 근생, 내피, 체액, 또는 대뇌 혈류와 다양한 실험의 영향을 조절하는 신경 메커니즘을 조사 할 때 피질 혈류를 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 대뇌 혈류에 대한 개입 및 병리학 적 상태.
Introduction
대뇌 순환에 있는 자동 조절 기계장치는 두뇌에 있는 항상성과 일반적인 기능을 유지하는 중요한 역할을 합니다. 대뇌 혈류의 자동 조절은 심박수, 혈액 속도, 관류 압력, 뇌 저항성 동맥의 직경 및 미세 순환 저항을 포함한 여러 요인에 의해 영향을 되며, 이 모두는 전신 혈압의 생리적 범위에 걸쳐 뇌에서 총 대뇌 혈류를 일정하게 유지하는 역할을 합니다. 동맥 압력이 증가하면 이러한 메커니즘은 동맥 과 저항 동맥을 수축하여 두개내 압력의 위험한 증가를 방지합니다. 동맥 혈압이 감소 하는 경우, 로컬 제어 메커니즘 조직 관류 및 O2 전달을 유지 하기 위해 동맥을 팽창. hypercapnia, 외상성 또는 글로벌 저산소 성 뇌 손상, 당뇨병 미세 혈관 병증과같은 다양한 병리학 적 조건1,2,3,4,5,6은 혈류를 자가 조절하는 뇌의 능력을 방해 할 수 있습니다. 예를 들어, 만성 고혈압은 뇌미세순환10에서 정상내피의존적 팽창을 방해할 뿐만 아니라,10의동맥압력이감소될때 조직 관류를 수축시키고 유지하기 위해 뇌순환에서 자동조절기전의 능력을 저하시킬 뿐만 아니라7,8,9,및 고염(HS) 식이를 더 높은 압력으로 변화시게 된다. 대뇌 자동 조절은 또한 HS 규정식12를공급할 때 달 소금에 민감한 쥐에서 손상됩니다.
동맥 압력의 감소 동안, 대뇌 저항 동맥과 동맥의 팽창은 처음에 감소 된 관류 압력에도 불구하고 값을 제어하기 위해 대뇌 혈류를 반환합니다. 동맥 압력이 더 감소함에 따라, 대뇌 혈류는 혈관구조가 더 낮은 압력에서 혈류를 유지하기 위해 더 이상 팽창할 수 없을 때까지 낮은 압력(자동 조절 반응의 고원 단계)에서 일정하게 유지됩니다. 기관이 정상적인 혈류를 유지할 수있는 가장 낮은 압력은 자동 조절 (LLA)의 하한이라고합니다. LLA 이하의 압력에서, 대뇌 혈류량은 휴식 값에서 현저하게 감소하고 동맥 관류 압력의 각 감소와 함께 선형 방식으로 감소13,14. 고혈압7,8,9에서관찰된 바와 같이 LLA의 상향 변화는 동맥 관류 압력이 감소되는 조건(예: 심근 경색, 허혈성 뇌졸중 또는 순환쇼크)에서 허혈성 손상의 위험과 중증도를 증가시킬 수 있다.
LDF는 대뇌 순환에서의 혈류의 자동 조절을 포함하여 다양한 상황에서 미세순환에서의 혈류를 평가하는 매우 귀중한접근법으로 입증되었으며, 11,14,15. 자동 조절 반응을 평가하는 것 외에도, LDF는 대사, 근생, 내피, 체액, 또는 뇌혈류를 조절하는 신경 기전을 조사할 때 피질 혈류를 모니터링하는데 사용될 수 있으며, 대뇌 혈류에 대한 다양한 실험적 개입 및 병리학적 조건의 영향을 조절하는10,16,17,18, 19,20.
LDF는 움직이는 입자의 수와 속도에 반응하여 반사된 레이저 광의 변화를 측정합니다.이 경우 적혈구 (RBC). 뇌 혈관 자동 조절에 대한 연구의 경우, 동맥 혈압은 동맥 혈압을 높이기 위해 알파 아드레날린 작용제의 주입에 의해 변경됩니다 (대뇌 순환 자체가 알파 아드레날린 혈관 수축 작용제 작용제에 민감하지 않기 때문에)12,15 또는 동맥 혈압을 줄이기 위해 대조 혈액 볼륨 을 감소시키기 위해 14. 본 연구에서, LDF는 건강한 쥐의 대뇌 자동 조절에 대한 혈압의 등급 이감소의 효과를 입증하기 위해 활용된다. 문헌22,23,24,25에설명되어 있지만, 본 논문은 두개골을 관통하거나 챔버 또는 대뇌 창을 설치하지 않고도 뇌혈류를 평가할 수 있도록 폐쇄된 두개골 준비를 보여줍니다.
Protocol
위스콘신 의과 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC) 이 논문에 설명 된 모든 프로토콜을 승인하고 모든 절차는 국립 보건원 (NIH) 실험실 동물 복지 (OLAW)를 준수합니다 규정. 1. 실험 동물 및 기록 준비 무게가 250-300 g의 8-12주 된 수컷 스프라그-다울리 쥐를 사용하십시오. 이러한 실험을 위해, 사료 쥐에 0.4% NaCl, 200 g/kg 카제인, 3 g/kg DL-메티오닌, 497.77 g/kg 수크로오스, …
Representative Results
도 2는 표준 실험실 차우를 먹인 10마리의 수컷 스프라그-다울리 쥐를 대상으로 실시한 실험 결과를 요약한 것이다. 이러한 실험에서, 평균 동맥 압력이 LLA에 도달할 때까지, 평균 LCBF는 처음 3개의 혈액 부피 인출 다음 출혈 전값의 20% 이내로 유지되었다. LLA 아래의 압력에서 후속 혈액 볼륨 인출은 LCBF의 점진적 감소를 일으켰으며, 대뇌 순환이 더 낮은 관류 압력에서 대뇌 혈…
Discussion
레이저 도플러 흐름 측정을 가진 조직 혈류 반응의 평가 (LDF). 위에서 언급한 바와 같이, LDF 신호는 마이크로 순환에서 이동 입자의 수와 속도에 비례한다. 상이한 기관의 LDF 수치는 전자기 유량계 및 방사성미소구(30)와 같은 확립된 방법으로 평가된 전장기 혈류와 잘 상관되며 일반적으로 굴절식 동맥 제제10,31,32,</sup…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자들은 이 연구를 완료하고 원고를 준비하는 데 탁월한 도움을 준 칼리 코자크, 메건 스텀프, 잭 불리스에게 진심으로 감사를 표한다. 교부금 지원: NIH #R01-HL128242, #R21-OD018309 및 #R21-OD024781.
Materials
| 3-0 braided black silk suture | Midwest Vet | 193.73000.2 | |
| Arterial Pressure Transducer | Merit Medical | 041516504A | |
| Automated Data Acquisition Systems (WINDAQ & BIOPAC system) | DATAQ Instruments | ||
| Blood Pressure Display Unit | Stoelting | 50115 | |
| Circulating warm water pump | Gaymar Industries | T-pump | |
| End-tidal CO2 monitor | Stoelting | Capstar-100 | |
| Heparin Sodium | Midwest Vet | 191.46720.3 | |
| Kimwipe | Fisher Scientific | 06-666A | |
| Laser Doppler Flow Meter | Perimed | PeriFlux 5000 LDPM | |
| Laser Doppler Refill Motility Standard | Perimed | PF1001 | |
| Polyethylene Tubing (PE240) (for trachea cannula) | VWR | 63018-828 | |
| Polyethylene Tubing (PE50) (for femoral catheters) | VWR | 63019-048 | |
| Rodent Ventilator | Cwe/Stoelting | SAR-830/P | |
| Saline | Midwest Vet | 193.74504.3 | |
| Sprague-Dawley Outbred Rats | Variable | N/A | Rats were ordered from various companies |
| Standard Rat Chow | Dyets, Inc. | 113755 | |
| Stereotaxic Instrument | Cwe/Stoelting | Clasic Lab Standard |
Referências
- Aso, Y., Inukai, T., Takemura, Y. Evaluation of microangiopathy of the skin in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus by laser Doppler flowmetry; microvasodilatory responses to beraprost sodium. Diabetes Research and Clinical Practice. 36, 19-26 (1997).
- Golding, E. M., Robertson, C. S., Bryan, R. M. The consequences of traumatic brain injury on cerebral blood flow and autoregulation: a review. Clinical and Experimental Hypertension. 21, 299-332 (1999).
- Grunwald, J. E., DuPont, J., Riva, C. E. Retinal haemodynamics in patients with early diabetes mellitus. British Journal of Ophthalmology. 80, 327-331 (1996).
- Mankovsky, B. N., Piolot, R., Mankovsky, O. L., Ziegler, D. Impairment of cerebral autoregulation in diabetic patients with cardiovascular autonomic neuropathy and orthostatic hypotension. Diabetic Medicine. 20, 119-126 (2003).
- Symon, L., Held, K., Dorsch, N. W. A study of regional autoregulation in the cerebral circulation to increased perfusion pressure in normocapnia and hypercapnia. Stroke. 4, 139-147 (1973).
- Taccone, F. S., et al. Cerebral autoregulation is influenced by carbon dioxide levels in patients with septic shock. Neurocritical Care. 12, 35-42 (2010).
- Barry, D. I., et al. Cerebral blood flow in rats with renal and spontaneous hypertension: resetting of the lower limit of autoregulation. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 2, 347-353 (1982).
- Faraci, F. M., Baumbach, G. L., Heistad, D. D. Cerebral circulation: humoral regulation and effects of chronic hypertension. Journal of the American Society of Nephrology. 1, 53-57 (1990).
- Strandgaard, S. Autoregulation of cerebral blood flow in hypertensive patients. The modifying influence of prolonged antihypertensive treatment on the tolerance to acute, drug-induced hypotension. Circulation. 53, 720-727 (1976).
- McEwen, S. T., Schmidt, J. R., Somberg, L., de la Cruz, L., Lombard, J. H. Time-course and mechanisms of restored vascular relaxation by reduced salt intake and angiotensin II infusion in rats fed a high-salt diet. Microcirculation. 16, 220-234 (2009).
- Allen, L. A., et al. High salt diet impairs cerebral blood flow regulation via salt-induced angiotensin II suppression. Microcirculation. , e12518 (2018).
- Smeda, J. S., Payne, G. W. Alterations in autoregulatory and myogenic function in the cerebrovasculature of Dahl salt-sensitive rats. Stroke. 34, 1484-1490 (2003).
- Greene, N. H., Lee, L. A. Modern and Evolving Understanding of Cerebral Perfusion and Autoregulation. Advances in Anesthesia. 30, 97-129 (2012).
- Merzeau, S., Preckel, M. P., Fromy, B., Leftheriotis, G., Saumet, J. L. Differences between cerebral and cerebellar autoregulation during progressive hypotension in rats. Neuroscience Letters. 280, 103-106 (2000).
- Zagorac, D., Yamaura, K., Zhang, C., Roman, R. J., Harder, D. R. The effect of superoxide anion on autoregulation of cerebral blood flow. Stroke. 36, 2589-2594 (2005).
- Hudetz, A. G., Lee, J. G., Smith, J. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Effects of volatile anesthetics on cerebrocortical laser Doppler flow: hyperemia, autoregulation, carbon dioxide response, flow oscillations, and role of nitric oxide. Advances in Pharmacology. 31, 577-593 (1994).
- Hudetz, A. G., Shen, H., Kampine, J. P. Nitric oxide from neuronal NOS plays critical role in cerebral capillary flow response to hypoxia. American Journal of Physiology. 274, H982-H989 (1998).
- Okamoto, H., Hudetz, A. G., Roman, R. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Neuronal NOS-derived NO plays permissive role in cerebral blood flow response to hypercapnia. American Journal of Physiology. 272, H559-H566 (1997).
- Okamoto, H., Roman, R. J., Kampine, J. P., Hudetz, A. G. Endotoxin augments cerebral hyperemic response to halothane by inducing nitric oxide synthase and cyclooxygenase. Anesthesia and Analgesia. 91, 896-903 (2000).
- Schulte, M. L., Hudetz, A. G. Functional hyperemic response in the rat visual cortex under halothane anesthesia. Neuroscience Letters. 394, 63-68 (2006).
- Schulte, M. L., Li, S. J., Hyde, J. S., Hudetz, A. G. Digit tapping model of functional activation in the rat somatosensory cortex. Journal of Neuroscience Methods. 157, 48-53 (2006).
- Alkayed, N. J., et al. Inhibition of brain P-450 arachidonic acid epoxygenase decreases baseline cerebral blood flow. American Journal of Physiology. 271, H1541-H1546 (1996).
- Alonso-Galicia, M., Hudetz, A. G., Shen, H., Harder, D. R., Roman, R. J. Contribution of 20-HETE to vasodilator actions of nitric oxide in the cerebral microcirculation. Stroke. 30, 2727-2734 (1999).
- Kurosawa, M., Messlinger, K., Pawlak, M., Schmidt, R. F. Increase of meningeal blood flow after electrical stimulation of rat dura mater encephali: mediation by calcitonin gene-related peptide. British Journal of Pharmacology. 114, 1397-1402 (1995).
- Mayhan, W. G., Faraci, F. M., Heistad, D. D. Impairment of endothelium-dependent responses of cerebral arterioles in chronic hypertension. American Journal of Physiology. 253, H1435-H1440 (1987).
- Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for tracheostomy in the rat. MethodsX. 5, 61-67 (2018).
- Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for femoral vascular access in the rat. MethodsX. 4, 498-507 (2017).
- Takada, J., et al. Valsartan improves the lower limit of cerebral autoregulation in rats. Hypertension Research. 29, 621-626 (2006).
- Jones, S. C., Radinsky, C. R., Furlan, A. J., Chyatte, D., Perez-Trepichio, A. D. Cortical NOS inhibition raises the lower limit of cerebral blood flow-arterial pressure autoregulation. American Journal of Physiology. 276, H1253-H1262 (1999).
- Smits, G. J., Roman, R. J., Lombard, J. H. Evaluation of laser-Doppler flowmetry as a measure of tissue blood flow. Journal of Applied Physiology (1985). 61, 666-672 (1986).
- Durand, M. J., Raffai, G., Weinberg, B. D., Lombard, J. H. Angiotensin-(1-7) and low-dose angiotensin II infusion reverse salt-induced endothelial dysfunction via different mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 299, H1024-H1033 (2010).
- Lombard, J. H., Sylvester, F. A., Phillips, S. A., Frisbee, J. C. High-salt diet impairs vascular relaxation mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 284, H1124-H1133 (2003).
- Weber, D. S., Lombard, J. H. Elevated salt intake impairs dilation of rat skeletal muscle resistance arteries via ANG II suppression. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 278, H500-H506 (2000).
- Weber, D. S., Lombard, J. H. Angiotensin II AT1 receptors preserve vasodilator reactivity in skeletal muscle resistance arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 280, H2196-H2202 (2001).
- Liu, Y., Rusch, N. J., Lombard, J. H. Loss of endothelium and receptor-mediated dilation in pial arterioles of rats fed a short-term high salt diet. Hypertension. 33, 686-688 (1999).
- Priestley, J. R., et al. Reduced angiotensin II levels cause generalized vascular dysfunction via oxidant stress in hamster cheek pouch arterioles. Microvascular Research. 89, 134-145 (2013).
- McEwen, S. T., Balus, S. F., Durand, M. J., Lombard, J. H. Angiotensin II maintains cerebral vascular relaxation via EGF receptor transactivation and ERK1/2. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 297, H1296-H1303 (2009).
- Jensen, N. F., Todd, M. M., Kramer, D. J., Leonard, P. A., Warner, D. S. A comparison of the vasodilating effects of halothane and isoflurane on the isolated rabbit basilar artery with and without intact endothelium. Anesthesiology. 76, 624-634 (1992).
- Avram, M. J., et al. Isoflurane alters the recirculatory pharmacokinetics of physiologic markers. Anesthesiology. 92, 1757-1768 (2000).
- Wang, Z., Schuler, B., Vogel, O., Arras, M., Vogel, J. What is the optimal anesthetic protocol for measurements of cerebral autoregulation in spontaneously breathing mice?. Experimental Brain Research. 207, 249-258 (2010).
- Ayata, C., et al. Pronounced hypoperfusion during spreading depression in mouse cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 24, 1172-1182 (2004).
- Niwa, K., et al. Cerebrovascular autoregulation is profoundly impaired in mice overexpressing amyloid precursor protein. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 283, H315-H323 (2002).
- Carreira, S., et al. Diaphragmatic Function Is Preserved during Severe Hemorrhagic Shock in the Rat. Anesthesiology. 120, 425-435 (2014).
- Kerby, J. D., et al. Resuscitation from hemorrhagic shock with HBOC-201 in the setting of traumatic brain injury. Shock. 27, 652-656 (2007).
- Krejci, V., et al. Continuous measurements of microcirculatory blood flow in gastrointestinal organs during acute haemorrhage. British Journal of Anaesthesia. 84, 468-475 (2000).
- Rosengarte, B., Hecht, M., Wolff, S., Kaps, M. Autoregulative function in the brain in an endotoxic rat shock model. Inflammation Research. 57, 542-546 (2008).
- Rozet, I., et al. Cerebral autoregulation and CO2 reactivity in anterior and posterior cerebral circulation during sevoflurane anesthesia. Anesthesia and Analgesia. 102, 560-564 (2006).
- Hudetz, A. G., Biswal, B. B., Feher, G., Kampine, J. P. Effects of hypoxia and hypercapnia on capillary flow velocity in the rat cerebral cortex. Microvascular Research. 54, 35-42 (1997).
- Shi, Y., et al. Interaction of mechanisms involving epoxyeicosatrienoic acids, adenosine receptors, and metabotropic glutamate receptors in neurovascular coupling in rat whisker barrel cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 28, 111-125 (2008).
Citar este artigo
Allen, L. A., Terashvili, M., Gifford, A., Lombard, J. H. Evaluation of Cerebral Blood Flow Autoregulation in the Rat Using Laser Doppler Flowmetry. J. Vis. Exp. (155), e60540, doi:10.3791/60540 (2020).