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蛛网膜下腔出血继续给人类带来很高的死亡率和发病率负担。为了便于进一步研究病情及其病理生理学,提出了一种视交叉前的单次注射模型。
尽管过去几十年在治疗方面取得了进展,但蛛网膜下腔出血(SAH)仍然具有很高的发病率和死亡率负担,主要困扰着相当年轻的人群。已经开发了几种SAH动物模型来研究SAH背后的病理生理机制并测试药物干预。本文介绍的大鼠的视交叉前单次注射模型是具有预定血容量的SAH的实验模型。简而言之,对动物进行麻醉、插管并保持在机械通气下。温度通过加热垫调节。在尾动脉中放置导管,可以连续测量血压和进行血液采样。切开寰枕膜,并在大池中放置用于压力记录的导管,以测量脑内压。该导管也可用于鞘内治疗干预。将大鼠置于立体定位框架中,在前膛前钻一个毛刺孔,并通过毛刺孔插入导管并放置在视交叉前方。从尾导管抽出自体血 (0.3 mL) 并手动注射。这导致脑内压升高和脑血流量减少。将动物保持镇静30分钟,并给予皮下盐水和镇痛药。动物被拔管并返回笼子。前交叉模型具有很高的重现率,并且由于预先确定的血容量,动物之间的差异有限。它模仿人类的SAH,使其成为SAH研究的相关模型。
非创伤性蛛网膜下腔出血(SAH)是卒中的一种形式,约占所有病例的5%。非创伤性 SAH 最常见的原因是动脉瘤 (aSAH) 突然破裂,占 SAH 的 85%。其他原因包括动脉静脉畸形破裂、凝血病和中脑周围出血的静脉破裂1。发病率为 9/100,000 人年,死亡率约为三分之一,另外三分之一需要在 SAH2,3 后维持日常生活。
初步稳定和确诊后,治疗取决于出血的严重程度。病情最严重的患者将在心室中插入心室外引流管以降低脑内压(ICP),并被收入神经重症监护室,在那里他们受到密切监测。患者将接受血管造影以识别(可能的)动脉瘤,然后将动脉瘤盘绕或夹住以防止再出血4.尽管进行了大量药物治疗试验,但只有尼莫地平(一种钙通道拮抗剂)已被证明可以改善结局5。目前正在进行多项临床试验。请参阅Daou及其同事的评论,以获取广泛的列表6。
动脉瘤的破裂被描述为有史以来最严重的头痛或霹雳性头痛的突然发作。破裂导致ICP急剧上升,随后脑血流量(CBF)减少。这种减少导致大脑的整体缺血,这可能导致意识丧失。这种更机械的途径,以及血液中外渗元素的启动分解,引起细胞因子释放和先天免疫系统的激活,导致无菌性神经炎症。此外,经常观察到血脑屏障的破坏,导致脑水肿和离子稳态紊乱。所有这些变化以及更多被称为早期脑损伤(EBI)的变化发生在头几天内,并导致神经元丢失和细胞凋亡7。
大约 1/3 的 aSAH 患者在第 4-14 天之间会出现迟发性脑缺血 (DCI)8。DCI被定义为局灶性神经损伤的首次出现,或者在格拉斯哥昏迷量表上至少下降两个点,持续至少1小时,当排除其他原因,包括癫痫发作和再出血时。DCI 与 aSAH9 后死亡风险增加和功能结局降低有关。脑血管痉挛(CVS)是脑动脉的狭窄,几十年来一直已知与DCI有关,以前被认为是DCI的唯一原因。此后已经表明,CVS可以在没有DCI发展的情况下发生,并且已经确定了更多因素,包括微血管血栓形成和收缩,皮质扩散抑制和EBI的炎症反应10,11,12。
由于EBI和DCI对疾病进程和患者结果的巨大影响,动物模型需要尽可能模仿这些,同时仍然可重复。研究人员在从小鼠到非人类灵长类动物的各种动物中采用了各种不同的模型来尝试模拟aSAH。Sprague-Dawley和Wistar野生型大鼠是目前最常用的实验动物,最常见的模型是血管内穿孔模型,cisterna-magna双注射模型,最后是视交叉前单次注射模型,本文将在本文中描述13。
前交叉单次注射模型最初由Prunell及其同事开发,以应对其他实验模型的一些缺点14。掌握手术后,具有高度可重复性,并最大限度地减少了动物之间的差异。该模型在多个点上模拟了人类的 SAH,包括注射血液后 ICP 突然升高,导致由于 CBF15,16 下降而导致短暂性整体缺血。它影响前循环,这是人类大多数aSAH发生的地方17。死亡率在 10%-33% 之间,具体取决于研究和注射的血液量14,18。延迟性细胞死亡和神经炎症可以在第2天和第7天检测到,从而为研究EBI和DCI19,20的后果提供变量。
该研究提供了大鼠交叉前单次注射模型的更新描述,以及如何利用ICP探针作为鞘内给药的端口的描述。
该程序是根据欧盟关于保护用于科学目的的动物的指令2010/63 / EU完成的,并由丹麦动物实验检查局批准(许可证号2016-15-0201-00940)。尽可能使用无菌技术进行手术,包括无菌器械、手套、导管和缝合线。该研究使用体重230-350g的雄性和雌性Sprague-Dawley大鼠,组饲养12小时光照/黑暗循环,恒温22°C(±2°C),湿度为55%(±10%)。为动物提供标准的食物和随意的水。手术后将动物饲养在单笼中,但当ICP探针被移除时,可以返回群体笼子。该方案中的麻醉剂是异氟醚气体,但氯胺酮(100 mg / mL)和甲苯噻嗪(20mg / mL)的1.5mL / kg的3:2腹腔内混合物也是有效的21。
1. 准备工作
2. 麻醉
3. 尾导管
4. ICP探头
5. 针和激光多普勒探头的放置
6. 诱导 SAH
7. 恢复和觉醒
8. 取出ICP探头(如果在手术过程中未移除)
注意:根据外科医生的判断使用手术显微镜。
与男性相比,女性患 aSAH 的风险更高。尽管如此,雄性啮齿动物主要用于实验,因为雌性发情周期的异质性可能存在偏差。这里介绍的代表性结果来自最近比较雌性和雄性大鼠的出版物,证实该模型在雌性动物中产生的结果与雄性21相似。该研究包括34只雌性Sprague-Dawley大鼠(18只SAH和16只shams)。Shams没有将脊髓针下降到视交叉或注射血液。所有其他程序均在与SAH相同的Shams上进行。组间生理参数均相当。最后,对先前雄性大鼠实验的数据进行了荟萃分析,并与本研究的结果进行了比较21。
旋转极测试是对粗大感觉运动功能的测试。将动物放置在 150 厘米 x 45 毫米杆的一端,该杆可以旋转到 10 rpm。目标是到达放置笼子的杆子的远端。与旋转杆上的假动物相比,SAH大鼠在第1天和第2天的表现明显更差(图1)。
SAH后,ET-1和5-HT受体家族在脑动脉中均上调,导致刺激时收缩增加,从而导致CVS22,23。基底动脉(BA)和大脑中动脉(MCA)在斩首后被移除并用于肌图实验。与假手术相比,ET-1受体家族激动剂内皮素1(ET-1)和5-HT受体家族激动剂5-羧酰胺色胺(5-CT)均显著增加SAH血管收缩(图2)。敏感性可以通过两性SAH后引起收缩所需的较低浓度来观察到。
SAH后含水量增加(水肿)是人类功能结果降低的指标24。与第2天的假手术相比,SAH患者的脑水肿明显增加。海马体也有水肿增加的趋势,但这没有统计学意义(p = 0.0508)21。
将上述数据与男性历史数据进行比较时,结果具有可比性。元数据显示,添加ET-1或5-CT后,男性SAH的收缩力增加(图2)。此外,在进行旋转极测试时,SAH大鼠的表现明显较差。结果表明感觉运动功能下降(图1)。
图5A 显示了诱导SAH后30分钟盐水灌注后自体注射血液的分布。该图显示,视交叉前注射后,血液已分布在蛛网膜下腔。
图5B 和 图5C 显示了鞘内注射染料的分布,然后在注射后全身盐水灌注30分钟。 图5B 显示了25 μL 20 mM埃文斯蓝(水溶性)的分布, 图5C 显示了25 μL 10 mM油红O(水不溶性)的分布。发现两种染料在注射到大池后分布在蛛网膜下腔中,证实了这是鞘内注射水溶性和不溶性化合物的可行模型。值得注意的是动脉周围形成水不溶性化合物的沉积物。
图1:雄性和雌性大鼠SAH后前2天的感觉运动认知分析。 旋转极测试在SAH后第1天和第2天进行。与同性别的假手术大鼠相比,两性大鼠都有显着的缺陷。在第0天、第1天和第2天通过2因子方差分析测试组间行为的统计差异。母头无旋转和 3 rpm:p < 0.05。内螺纹 10 rpm 和所有外螺纹数据:p < 0.01。值是 SEM ±手段。 经 Spray, S. et al.21 许可重新发布。 请点击此处查看此图的大图。
图 2:雄性和雌性大鼠 SAH 后 2 天对 ET-1 和 5-CT 诱导的基底动脉 (BA) 和大脑中动脉 (MCA) 收缩敏感性增加的分析。 (A,B) 60 mM K+诱发(K + max)收缩反应用作激动剂诱导反应正常化的参考值。在BA和MCA中,与同性别的假手术大鼠相比,SAH后2天对ET-1的敏感性显着增加。(中,四)在BA和MCA中,与同性别的假手术大鼠相比,SAH后2天对5-CT的敏感性显着增加。将浓度-响应曲线与双向方差分析进行统计学比较。所有数据:p < 0.001。值是 SEM ±均值。 经 Spray, S. et al.21 许可重新发布。请点击此处查看此图的大图。
图 3:诱导 SAH 之前的设置概述。 从图片顶部开始,请注意 1) 注射针、2) 激光多普勒探头和 3) ICP 探头都已就位。 请点击此处查看此图的大图。
图4:鞘内注射后的样品迹线。 红色图表显示血压(以毫米汞柱为单位)。蓝色图表显示以毫米汞柱为单位的ICP值,绿色图以任意单位FU表示CBF。ICP的峰值是血液注射的结果。请注意,这会导致CBF下降>基线的50%超过5分钟。ICP升高进一步导致血压小幅升高,在几秒钟内恢复正常。 请点击此处查看此图的大图。
图5:鞘内注射血液和有色染料的 分布。 (A)SAH诱导后30分钟自体血的分布。(B) 通过ICP导管鞘内注射后25μL20mM埃文斯蓝的分布。(C) 通过 ICP 导管鞘内注射后 25 μL 10 mM 油红 O 的分布。所有动物均用腹膜内氯胺酮/甲苯噻嗪混合物麻醉,然后盐水灌注。 请点击此处查看此图的大图。
SAH的视交叉前单次注射模型模拟了人类SAH的几个重要元素,包括ICP峰值,CBF降低,短暂性全面缺血,神经炎症标志物上调和CVS14,15,16,18,19,20。ICP探针也用作鞘内给药的端口(图5)。此外,研究表明,该模型在雄性和雌性动物中的表现相似21。该模型不包括动脉瘤的发展和随后的破裂。一系列模型试图通过手术或药理诱导全身高血压以及通过使用弹性蛋白酶25,26,27削弱动脉壁,从破裂的动脉瘤中产生SAH。所有尝试都在动物亚群中产生了动脉瘤SAH,但这些模型具有固有的可变性,包括无法预测动脉瘤何时破裂。这些模型不太适合SAH18,28的临床前研究。
在其他鼠SAH模型中,血管内穿孔模型包括血管破裂,有点类似于动脉瘤的破裂,但容易出现高变异性和死亡率。这里描述的模型具有更好的可追溯性和可重复性,因为血容量是预先确定的,并且可以控制注射压力。双注射模型产生延迟性CVS的可能性较高,但主要影响后循环,包括非生理性的第二次血液注射。相比之下,该模型类似于人类的SAH,因为它是前循环的单次注射,并且产生可重复的ICP上升18。
不同麻醉方案对实验性SAH的影响尚不清楚,实验数据相互矛盾。一项研究报告了使用异氟醚吸入时,小鼠血管内穿孔模型中的细胞因子和一般神经炎症可能受到抑制29。当使用异氟烷30时,另一种啮齿动物模型导致呼吸参数降低,脑水肿增加,区域CBF降低。然而,比较小鼠模型中死亡率的荟萃分析显示,异氟醚和其他类型的麻醉之间的死亡率没有差异31。一致,上述方案已成功使用异氟烷吸入或腹膜内氯胺酮/甲苯噻嗪混合物,在两组中的结果相似21。
为了确保高可重复性和正确的数据采集,总体重点是有关监测设备放置的步骤。正确放置尾导管有助于连续监测血压和进行血气分析的能力。正确放置 ICP 导管可确保正确的 ICP 监测以及随后进行鞘内干预的可能性。激光多普勒探头的适当放置可确保监测CBF的降低,其中在SAH诱导后至少5分钟内基线评分降低50%或更低可确保强烈的缺血32。通过确保所有监测步骤井然有序,研究人员可以在SAH诱导后确保正确的数据收集。
该协议描述了蛛网膜下腔出血的视交叉前单次注射模型,并进行了更新和修改。该模型对SAH研究很有价值,并可能继续有助于更好地了解蛛网膜下腔出血,包括早期脑损伤和迟发性脑缺血。
作者没有利益冲突要声明。
这项工作得到了灵北基金会和灵北卓越奖(编号R59-A5404)的支持。资助者在手稿的任何部分都没有角色。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
16 G peripheral vein catheter | BD Venflon | 393229 | Needle shortened, distal 1 cm curved. Wings removed |
Anesthesia bell/ chamber | Unknown | ||
Blood gas analyzer | Radiometer | ABL80 | |
Blood pressure (BP) monitor | Adinstruments | ML117 | Connects to Powerlab |
Curved forceps, 12 cm x 3 | F.S.T | 11001-12 | For anesthesia |
Cylindrical pillow, 28 cm x 4 cm | Homemade | Made from surgical towels | |
Data acquisition hardware | Adinstruments | ML870 Powerlab | |
Data acquistion software | Adinstruments | LabChart 6.0 | |
Drill | KMD | 1189 | |
Drill controller | Silfradent | 300 IN | |
Flexible light | Schott | KL200 | |
Heating pad | Minco | 1135 | |
Hypodermic needle, 20 G | KD Medical | 301300 | Connects to stereotaxic frame |
ICP monitor | Adinstruments | ML117 | Connects to Powerlab |
Isoflurane vaporizer | Ohmeda | TEC3 | |
Laptop | Lenovo | T410 | |
Laser doppler monitor | Adinstruments | ML191 | |
Laser doppler probe | Oxford Optronics | MSF100XP | Connects to laser doppler monitor |
Needle holder, 13 cm | F.S.T | 12001-13 | For anesthesia |
Precision syringe, 0.025 mL | Hamilton | 547407 | |
Stereotaxic frame | Kopf Instruments | M900 | |
Surgical microscope | Carl Zeiss | F170 | |
Suture needle | Allgaier | 1245 | For anesthesia |
Temperaure controller | CWE,INC. | TC-1000 | |
Transducer x 2 | Adinstruments | MLT0699 | Connects to BP and ICP monitor |
Ventilator | Ugo Basile | 7025 | |
Veterinary clipper | Aesculap | GT421 | |
3-pronged Blair retractor, 13.5 cm | Agnthos | 17022--13 | |
Blunt Alm retractor | F.S.T | 17008-07 | |
Curved forceps, 12 cm x 2 | F.S.T | 11001-12 | |
Needle holder, 13 cm | F.S.T | 12001-13 | |
Straight Dumont forceps, 11 cm | F.S.T | 11252-00 | |
Straight Halsted-Mosquito hemostat x 2 | F.S.T | 13008-12 | |
Straight Iris scissor, 9 cm | F.S.T | 14090-09 | |
Straight Vannas scissor, 10.5 cm | F.S.T | 15018-10 | |
Absorpable swabs | Kettenbach | 31603 | |
Black silk thread, 4-0, 5 x 15 cm | Vömel | 14757 | |
Bone wax | Aesculap | 1029754 | |
Carbomer eye gel 2 mg/g | Paranova | ||
Cotton swab | Heinz Herenz | WA-1 | |
Cotton tipped applicator x 4 | Selefa | 120788 | |
Hypodermic needle, 23 G x2 | KD Medical | 900284 | Connects to stopcock. Remove distal end |
Hypodermic needle, 23 G x3 | KD Medical | 900284 | Remove distal end. 2 connects to stopcock, 1 to syringe |
ICP probe: | Homemade | Made of the following: | |
Polythene tubing, 20 mm | Smiths medical | 800/100/200 | Inner diameter (ID): 0.58 mm, Outer diameter (OD): 0.96 mm. |
Silicone tubing, 10 mm | Fisher | 15202710 | ID: 0.76 mm, OD: 2.4 mm. |
Silicone tubing, 2 mm | Fisher | 11716513 | ID: 1.0 mm, OD: 3.0 mm. |
Micro hematocrit tubes | Brand | 7493 11 | |
OP-towel, 45 cm x75 cm | Mölnlycke | 800430 | |
PinPort adapter, 22 G | Instech | PNP3F22 | |
PinPort injector | Instech | PNP3M | |
Polythene tubing, 2 x 20 cm | Smiths medical | 800/100/200 | Connects to syringe. ID: 0.58 mm, OD: 0.96 mm. |
Rubberband | Unknown | ||
Scalpel, 10 blade | Kiato | 23110 | |
Spinalneedle, 25 G x 3.5'' | Braun | 5405905-01 | |
Stopcock system, Discofix x 2 | Braun | 16494C | Connects to transducer |
Suture, 4-0, monofil, non-resorbable x 3 | Ethicon | EH7145H | |
Syringe, 1 mL | BD Plastipak | 1710023 | |
Syringe, luer-lock, 10 mL x 4 | BD Plastipak | 305959 | Connects to transducer |
Tissue adhesive glue | 3M | 1469SB | |
0.5% Chlorhexidine spirit | Faaborg Pharma | 210918 | |
Carprofen 50 mg/mL | ScanVet | 43715 | Diluted 1:10 |
Isoflurane | Baxter | ||
Isotonic saline | Amgros | 16404 | |
Lidocaine-Adrenaline 10 mg/5 µg/mL | Amgros | 16318 |
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