En modell för encefalomyosynangios behandling efter mellersta cerebral artär ocklusion-inducerad stroke hos möss
Summary
Protokollet syftar till att tillhandahålla metoder för encefalomyosynangios-ympning av en vaskulär temporalismuskelflik på pialytan av ischemisk hjärnvävnad-för behandling av icke-moyamoya akut ischemisk stroke. Metodens effekt för att öka angiogenesen utvärderas med hjälp av en övergående modell för ocklusion av cerebral artär i mitten hos möss.
Abstract
Det finns ingen effektiv behandling tillgänglig för de flesta patienter som lider av ischemisk stroke, vilket gör utveckling av nya terapier absolut nödvändig. Hjärnans förmåga att självläka efter ischemisk stroke begränsas av otillräcklig blodtillförsel i det drabbade området. Encefalomyosynangios (EMS) är ett neurokirurgiskt förfarande som uppnår angiogenes hos patienter med moyamoya sjukdom. Det involverar kraniotomi med placering av ett vaskulärt temporalismuskeltransplantat på den ischemiska hjärnytan. EMS har aldrig studerats vid akut ischemisk stroke hos möss. Hypotesen som driver denna studie är att EMS förbättrar cerebral angiogenes vid den kortikala ytan som omger muskeltransplantatet. Protokollet som visas här beskriver proceduren och ger initiala data som stöder genomförbarheten och effekten av EMS-metoden. I detta protokoll, efter 60 minuters övergående mellersta cerebral artärocklusion (MCAo), randomiserades möss till antingen MCAo eller MCAo + EMS-behandling. EMS utfördes 3-4 h efter ocklusion. Mössen offrades 7 eller 21 dagar efter MCAo eller MCAo + EMS-behandling. Temporalis transplantatviabilitet mättes med användning av nikotinamidadenindinukleotidreducerad tetrazoliumreduktasanalys. En musangiogenesuppsättning kvantifierade angiogent och neuromodulerande proteinuttryck. Immunohistokemi användes för att visualisera transplantatbindning med hjärnbarken och förändring i kärltäthet. De preliminära uppgifterna här tyder på att ympad muskel förblev livskraftig 21 dagar efter EMS. Immunfärgning visade framgångsrik transplantatimplantation och ökning av kärltätheten nära muskeltransplantatet, vilket indikerar ökad angiogenes. Data visar att EMS ökar fibroblasttillväxtfaktorn (FGF) och minskar osteopontinnivåerna efter stroke. Dessutom ökade EMS efter stroke inte dödligheten vilket tyder på att protokollet är säkert och pålitligt. Detta nya förfarande är effektivt och väl tolererat och har potential att ge information om nya interventioner för förbättrad angiogenes efter akut ischemisk stroke.
Introduction
Ischemisk stroke är en akut neurovaskulär skada med förödande kroniska följdsjukdomar. De flesta strokeöverlevare, 650 000 per år, i USA lider av permanent funktionsnedsättning1. Ingen av de tillgängliga behandlingarna ger neuroprotektion och funktionell återhämtning efter den akuta fasen av ischemisk stroke. Efter en akut ischemisk stroke minskar både direkta och kollaterala blodtillförsel vilket leder till dysfunktion i hjärnceller och nätverk, vilket resulterar i plötsliga neurologiska underskott 2,3. Återställande av blodtillförseln till den ischemiska regionen är fortfarande det främsta målet för strokebehandling. Således är förbättring av angiogenes för att främja blodtillförsel i det ischemiska territoriet ett lovande terapeutiskt tillvägagångssätt; Tidigare studerade metoder för att främja angiogenes efter stroke, inklusive erytropoietin, statiner och tillväxtfaktorer, har dock begränsats av oacceptabla nivåer av toxicitet eller översättningsbarhet4.
Encefalomyosynangios (EMS) är ett kirurgiskt ingrepp som förbättrar cerebral angiogenes hos människor med moyamoya sjukdom, ett tillstånd av förträngda kranialartärer som ofta leder till stroke. EMS innebär partiell frigöring av en vaskulär del av patientens temporalismuskel från skallen, följt av kraniotomi och ympning av muskeln på den drabbade cortexen. Denna procedur tolereras väl och inducerar cerebral angiogenes, vilket minskar risken för ischemisk stroke hos patienter med moyamoya sjukdom 5,6. Således tjänar proceduren till stor del en förebyggande roll hos dessa patienter. Angiogenesen som orsakas av denna procedur kan också ha en roll för att främja neurovaskulärt skydd och återhämtning vid inställningen av ischemisk stroke. Denna rapport stöder hypotesen att angiogenes orsakad av EMS har potential att utöka förståelsen för och terapeutiska alternativ för cerebral ischemi.
Förutom EMS finns det flera farmakologiska och kirurgiska metoder för att förbättra angiogenesen, men de har flera begränsningar. Farmakologiska tillvägagångssätt såsom administrering av vaskulär endoteltillväxtfaktor (VEGF) har visat sig vara otillräcklig eller till och med skadlig på grund av flera begränsningar, inklusive bildandet av kaotiska, oorganiserade, läckande och primitiva vaskulära plexuser, som liknar de som finns i tumörvävnaderna 7,8 och inte har några fördelaktiga effekter i kliniska prövningar9.
Kirurgiska tillvägagångssätt inkluderar direkt anastomos såsom ytlig temporal artär-mellersta cerebral artäranastomos, indirekt anastomos såsom encefalo-duro arterio-synangios (EDAS), encefalomyosynangios (EMS) och kombinationer av direkt och indirekt anastomos10. Alla dessa procedurer är mycket tekniskt utmanande och krävande hos små djur, förutom EMS. Medan de andra procedurerna kräver komplex vaskulär anastomos, kräver EMS ett relativt enkelt muskeltransplantat. Dessutom gör närheten av temporalismuskeln till cortex det till ett naturligt val för ympning, eftersom det inte behöver skäras helt ut eller kopplas bort från blodtillförseln, vilket skulle vara nödvändigt om en mer avlägsen muskel användes för ympning.
EMS har studerats i kroniska cerebrala hypoperfusionsmodeller hos råttor 7,11. EMS med hjälp av ett temporalismuskeltransplantat har dock aldrig studerats vid akut ischemisk stroke hos gnagare. Här beskriver vi ett nytt protokoll för EMS hos möss efter en ischemisk stroke via mellersta cerebral artär ocklusionsmodell (MCAo). Detta manuskript fungerar som en beskrivning av metoder och tidiga data för detta nya tillvägagångssätt för EMS hos möss efter MCAo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver en framgångsrik EMS-procedur i en musmodell av MCAo-inducerad stroke. Data visar att ympad vävnad förblir livskraftig och kan bilda bindningar med hjärnbarken långt efter EMS-operation. Dessa fynd stöder motiveringen för att använda ett cerebralt muskeltransplantat för att gradvis utveckla en rikt vaskulär trofisk miljö på strokeplatsen. EMS är en lovande terapi för att potentiellt reparera infarktisk hjärnvävnad i samma miljö.
De kritiska stegen i pr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Research Excellence Program-UConn Health (till Ketan R Bulsara och Rajkumar Verma) och UConn Health start-up (till Rajkumar Verma).
Materials
| 6-0 monocryl suture | Ethilon | 697G | |
| 70% ethanol to sanitize operating surface | Walgreen | ||
| Bupivacaine 0.25% solution | Midwest Vet | ||
| Clamps for tissue retraction | Roboz | ||
| Doccal suture with Nylon coating | Doccal corporation Sharon MA | 602145PK10Re | |
| Electric heating pad for operating surface | |||
| Isoflurane anesthesia | Piramal Critical Care Inc | ||
| Isoflurane delivery apparatus | –B6Surgivet (Isotech 4) | ||
| Micro drill | Harvard Apparatus | ||
| Microdissecting tweezers, curved x2 | Piramal Critical Care Inc | ||
| mouse angiogenesis panel arrat | R& D biotech | ARY015 | |
| Needle driver | Ethilon | ||
| Ointment for eye protection | walgreen | ||
| Operating microscope | Olympus | ||
| Operating surface | Olympus | ||
| Povidone iodine solution | walgreen | ||
| Rectal thermometer | world precison instrument | ||
| Saline or 70% ethanol for irrigation | walgreen | ||
| Small electric razor to shave operative site | generic | ||
| Surgical scissors | Roboz |
References
- Stroke, Last updated 10/22/20. , (2020).
- Cipolla, M. J., McCall, A. L., Lessov, N., Porter, J. M. Reperfusion decreases myogenic reactivity and alters middle cerebral artery function after focal cerebral ischemia in rats. Stroke. 28 (1), 176-180 (1997).
- Arai, K., et al. Cellular mechanisms of neurovascular damage and repair after stroke. Journal of Child Neurology. 26 (9), 1193-1198 (2011).
- Ergul, A., Alhusban, A., Fagan, S. C. Angiogenesis: a harmonized target for recovery after stroke. Stroke. 43 (8), 2270-2274 (2012).
- Imai, H., et al. The importance of encephalo-myo-synangiosis in surgical revascularization strategies for moyamoya disease in children and adults. World Neurosurgery. 83 (5), 691-699 (2015).
- Ravindran, K., Wellons, J. C., Dewan, M. C. Surgical outcomes for pediatric moyamoya: a systematic review and meta-analysis. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 24 (6), 663-672 (2019).
- Kim, H. S., et al. The neovascularization effect of bone marrow stromal cells in temporal muscle after encephalomyosynangiosis in chronic cerebral ischemic rats. Journal of Korean Neurosurgical Society. 44 (4), 249-255 (2008).
- Srivastava, P., et al. Neuroprotective and neuro-rehabilitative effects of acute purinergic receptor P2X4 (P2X4R) blockade after ischemic stroke. Experimental Neurology. , 329 (2020).
- Cao, R., et al. VEGFR1-mediated pericyte ablation links VEGF and PlGF to cancer-associated retinopathy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (2), 856-861 (2010).
- Hedlund, E., Hosaka, K., Zhong, Z., Cao, R., Cao, Y. Malignant cell-derived PlGF promotes normalization and remodeling of the tumor vasculature. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (41), 17505-17510 (2009).
- Cao, Y. Therapeutic angiogenesis for ischemic disorders: what is missing for clinical benefits. Discovery Medicine. 9 (46), 179-184 (2010).
- Verma, R., et al. Inhibition of miR-141-3p ameliorates the negative effects of poststroke social isolation in aged mice. Stroke. 49 (7), 1701-1707 (2018).
- Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20 (1), 84-91 (1989).
- Engel, O., Kolodziej, S., Dirnagl, U., Prinz, V. Modeling stroke in mice-middle cerebral artery occlusion with the filament model. Journal of Visualized Experiments. 47 (47), 2423 (2011).
- Pétrault, M., et al. Neither nefopam nor acetaminophen can be used as postoperative analgesics in a rat model of ischemic stroke. Fundam Clin Pharmacol. (2), 194-200 (2017).
- Khansari PS, ., Halliwell RF, . Mechanisms Underlying Neuroprotection by the NSAID Mefenamic Acid in an Experimental Model of Stroke. (64), (2019).
- Mishra, V., Verma, R., Raghubir, R. Neuroprotective effect of flurbiprofen in focal cerebral ischemia: the possible role of ASIC1a. Neuropharmacology. 59 (7-8), 582-588 (2010).
- Chen, T. Y., Goyagi, T., Toung, T. J., Kirsch, J. R., Hurn, P. D., Koehler, R. C., Bhardwaj, A. Prolonged opportunity for ischemic neuroprotection with selective kappa-opioid receptor agonist in rats. Stroke. 35 (5), 1180-1185 (2004).
- Turóczi, Z., et al. Muscle fiber viability, a novel method for the fast detection of ischemic muscle injury in rats. PLoS ONE. 9 (1), e84783 (2014).
- Im, K., Mareninov, S., Diaz, M. F. P., Yong, W. H. An introduction to performing immunofluorescence staining. Methods in Molecular Biology. , 299-311 (2019).
- Zheng, J., et al. Protective roles of adenosine A1, A2A, and A3 receptors in skeletal muscle ischemia and reperfusion injury. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 293 (6), H3685-H3691 (2007).
- Jiao, C., et al. Visualization of mouse choroidal and retinal vasculature using fluorescent tomato lectin perfusion. Translational Vision Science and Technology. 9 (1), (2020).
- Simard, J. M., Sahuquillo, J., Sheth, K. N., Kahle, K. T., Walcott, B. P. Managing malignant cerebral infarction. Current Treatment Options in Neurology. 13 (2), 217-229 (2011).
- Liu, X., et al. Osteoclasts protect bone blood vessels against senescence through the angiogenin/plexin-B2 axis. Nature Communications. 12 (1), 1832 (2021).
- Paro, M., Gamiotea-Turro, D., Blumenfeld, L., Bulsara KR, ., Verma, R. A Novel Model for Encephalomyosynangiosis Surgery after Middle Cerebral Artery Occlusion-Induced Stroke in Mice. BioXriv. 10, (2021).
- Venkat, P., et al. Treatment with an Angiopoietin-1 mimetic peptide promotes neurological recovery after stroke in diabetic rats. CNS Neuroscience & Therapeutics. 27 (1), 48-59 (2021).
- Cheng, X., et al. Acidic fibroblast growth factor delivered intranasally induces neurogenesis and angiogenesis in rats after ischemic stroke. Neurological Research. 33 (7), 675-680 (2011).
- Xu, H. Protective effects of mutant of acidic fibroblast growth factor against cerebral ischaemia-reperfusion injury in rats. Injury. 40 (9), 963-967 (2009).
- Tsai, M. J., et al. Acidic FGF promotes neurite outgrowth of cortical neurons and improves neuroprotective effect in a cerebral ischemic rat model. Neuroscience. 305, 238-247 (2015).
- Meller, R., et al. Neuroprotection by osteopontin in stroke. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 25 (2), 217-225 (2005).
- Meseguer, E., et al. Osteopontin predicts three-month outcome in stroke patients treated by reperfusion therapies. Journal of Clinical Medicine. 9 (12), 4028 (2020).
- Zhu, Z., et al. Plasma osteopontin levels and adverse clinical outcomes after ischemic stroke. Atherosclerosis. 332, 33-40 (2021).
