Förvärring av myokardiell ischemi vid exponering för partiklar vid ateroskleros djurmodell
Summary
Detta protokoll beskriver en sammansatt djurmodell med exponering för partiklar (PM) som förvärrar myokardiell ischemi med åderförkalkning.
Abstract
De hälsoproblem som orsakas av luftföroreningar (särskilt partikelföroreningar) får mer och mer uppmärksamhet, särskilt bland patienter med hjärt-kärlsjukdomar, vilket förvärrar komplicerade störningar och orsakar dålig prognos. Den enkla exponeringsmodellen för myokardiell ischemi (MI) eller partiklar (PM) är olämplig för sådana studier av sjukdomar med flera orsaker. Här har en metod för att konstruera en sammansatt modell som kombinerar PM-exponering, åderförkalkning och myokardiell ischemi beskrivits. ApoE−/− möss matades med en fettrik diet i 16 veckor för att utveckla åderförkalkning, trakeal instillation av PM-standardsuspension utfördes för att simulera lungexponeringen av PM, och den vänstra främre nedåtgående kranskärlen ligerades en vecka efter den sista exponeringen. Trakeal instillation av PM kan simulera akut lungexponering samtidigt som kostnaden för experimentet minskas avsevärt. Den klassiska vänstra främre fallande artärligationen med icke-invasiv trakeal intubation och en ny hjälputvidgningsanordning kan säkerställa djurets överlevnad och minska svårigheten med operationen. Denna djurmodell kan rimligen simulera patientens patologiska förändringar av hjärtinfarkt som förvärras av luftföroreningar och ge en referens för konstruktion av djurmodeller relaterade till studier med sjukdomar med flera orsaker.
Introduction
Luftföroreningar har förknippats med hög dödlighet av alla orsaker och bidragit med en betydande sjukdomsbörda som är större än summan av vattenföroreningar, markföroreningar och yrkesmässig exponering1. En rapport från WHO avslöjade att luftföroreningar utomhus orsakade 4,2 miljoner för tidiga dödsfall i både städer och landsbygdsområden över hela världen 20162. 91% av människorna i världen bor på platser där luftkvaliteten överstiger WHO: s riktlinjegränser2. Vidare erkänns de fina partiklarna (PM) (≤2,5 μm i diameter, PM2,5) som det viktigaste hotet mot luftföroreningar mot den globala folkhälsan3, särskilt för de människor som bor i städer i låginkomst- och medelinkomstländer.
De negativa effekterna av luftföroreningar på hjärt- och kärlsjukdomar förtjänar mer uppmärksamhet. Tidigare studier har visat att PM leder till en ökad risk för hjärt-kärlsjukdom (CVDs)4. Exponering för höga koncentrationer av ultrafina partiklar i flera timmar kan leda till ökad dödlighet i hjärtinfarkt. För personer med en historia av hjärtinfarkt kan exponering för ultrafina partiklar avsevärt öka risken för återfall5. Dessutom är det allmänt accepterat att PM-exponering påskyndar utvecklingen av åderförkalkning6.
För medicinsk forskning är det viktigt att välja en lämplig djurmodell. Enkla ateroskleros djurmodeller7, myokardiell ischemi djurmodeller8 och PM exponering djurmodeller9 finns redan. ApoE−/− (apolipoprotein E utslagen) mus är en traditionell musmodell som används i aterosklerosstudier. Förmågan att rensa plasmalipoproteiner hos ApoE−/− möss är kraftigt nedsatt. Den fettrika dietmatningen skulle orsaka allvarlig åderförkalkning, som liknar kostberoendet av aterosklerotisk hjärtsjukdom som observerats hos människor7. Ligering av vänster främre fallande kranskärl (LAD) är en klassisk metod för att inducera den ischemiska händelsen 8,10. Trakealinfusion har använts i många undersökningar och sticker ut från exponeringsmodellerna11,12 på grund av dess bättre simulering och lägre kostnad.
Djurmodeller av enstaka sjukdomar har dock betydande begränsningar i vetenskaplig forskning. Den myokardiella ischemi som induceras enbart av LAD-ligering simuleras inte i den faktiska situationen. I det naturliga tillståndet orsakas myokardiell ischemi vanligtvis av plackbrott och blockerade kranskärl13. Patienter med ischemisk kardiomyopati har vanligtvis aterosklerotiska basiska lesioner13. Det finns också onormal lipidmetabolism och inflammatoriska reaktioner i kroppen14. Därför har ischemi orsakad av fysiska faktorer eller under naturliga förhållanden olika patologiska manifestationer. Befintliga studier har visat att infarkt och inflammation i myokardiella ischemimodeller med åderförkalkning är allvarligare15,16. PM-exponering kan förvärra åderförkalkning och myokardiell ischemi ytterligare genom att inducera inflammation och oxidativ stress1. Tre faktorer samexisterar vanligtvis i det naturliga tillståndet, så den faktiska situationen kan simuleras bättre med hjälp av en sammansatt modell.
Detta protokoll beskriver utvecklingen av en djurmodell av myokardiell ischemi (MI) som kombinerar ateroskleros (AS) och PM akut exponering. ApoE−/− möss matades med en fettrik kost för att framkalla åderförkalkning. Lungexponering av PM imiterades av droppande PM-suspension genom luftstrupen. Ligering av LAD hos möss användes för att inducera myokardiell ischemi. Dessa metoder kombinerades och optimerades för att simulera sjukdomstillståndet bättre och förbättra överlevnadsgraden hos djur. Ingen stor exponeringsenhet eller gasanestesimaskin behövs, vilket gör experimentet enkelt att utföra. Denna modell kan användas för att studera effekterna av PM-exponering i luftföroreningar på åderförkalkning och ischemisk kardiomyopati och bedriva forskning om nya läkemedel som utvecklats för att behandla sjukdomar med sådana komplexa faktorer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Upprättandet av en sammansatt djurmodell skiljer sig något från den enda MI-modellen. Att upprätthålla en hög överlevnad är utmanande i utvecklingen av den sammansatta modellen. Svårighetsgraden av åderförkalkning hos ApoE−/− möss kommer att bli allvarligare med förlängningen av utfodringstiden med hög fetthalt7, och mössens svaghet leder till ökad dödlighet. Därför är det nödvändigt att kontinuerligt övervaka mössens tillstånd under experimentet och juster…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna modell utvecklades med stöd av National Natural Science Foundation of China (nr 81673640, 81841001 och 81803814) och Kinas stora nationella vetenskaps- och teknikprogram för innovativa läkemedel (2017ZX09301012002 och 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).
