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* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Viele Nagetiermodelle der Endometriose sind durch technische Komplexität, Reproduzierbarkeit und/oder den Bedarf an immungeschwächten Tieren oder speziellen Reportermäusen begrenzt. Wir präsentieren ein vereinfachtes System der Läsionsinduktion mit jeder experimentellen Maus mit einem unabhängig überprüfbaren, objektiven Scoring-System und ohne Notwendigkeit für Ovariektomie oder Überlebensoperation.
Endometriose ist eine der Hauptursachen für Beckenschmerzen und Unfruchtbarkeit. Es wird durch das Vorhandensein von Endometriumgewebe an extrauterinen Stellen definiert. Die Entwicklung neuartiger Therapien und diagnoseträchtischer Instrumente für Endometriose war zum Teil aufgrund von Herausforderungen bei der Untersuchung der Krankheit begrenzt. Außerhalb von Primaten menstruieren nur wenige Säugetiere, und keines entwickelt eine spontane Endometriose. Nagetiermodelle sind beliebt, erfordern jedoch eine künstliche Induktion der Endometriose, wobei viele entweder immungeschwächte Mäuse oder chirurgisch induzierte Erkrankungen verwenden. In jüngster Zeit wurde Modellen mit intraperitonealer Injektion mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Wir präsentieren ein murines Modell der Endometriose, das mehrere Merkmale bestehender Endometriosemodelle in ein neuartiges, vereinfachtes System integriert, das auf mikroskopischer Quantifizierung anstelle einer subjektiven Einstufung beruht. In diesem Modell führen wir eine hormonelle Stimulation von Spendermäusen, eine intraperitoneale Injektion, eine systematische Bauchuntersuchung und Gewebeentnahme sowie eine histologische Quantifizierung durch, die jederzeit nach der Nekropsie durchgeführt und verifiziert werden kann. Dieses Modell erfordert nur minimale Ressourcen und Schulungen; erfordert keine Expertise von Labortechnikern in der Mausüberlebenschirurgie oder in der Identifizierung von groben endometriotischen Läsionen; kann bei immungeschwächten, immunkompetenten und/oder mutierten Mäusen angewendet werden; und erzeugt zuverlässig endometriotische Läsionen, die histologisch mit der menschlichen endometriotischen Erkrankung übereinstimmen.
Endometriose ist eine rätselhafte Erkrankung des weiblichen Fortpflanzungstraktes mit erheblichen finanziellen und gesundheitlichen Belastungen für Frauen1,2. Die Ätiologie der Endometriose ist nicht vollständig verstanden, und es wurden mehrere Erklärungen vorgeschlagen, darunter coelomische Metaplasie, embryonale Müllersche Reste, Rekrutierung von Knochenmark-abgeleiteten Vorläuferzellen und retrograde Menstruation3. Während mehrere Aspekte dieser vorgeschlagenen Mechanismen beteiligt sein können und keine einzige Erklärung für alle Formen der Krankheit verantwortlich sein kann, ist das führende Modell der Endometriose-Pathogenese die retrograde Menstruation. Retrograde Menstruation ist die Passage von Menstruationsabfluss durch die Eileiter und in die Peritonealhöhle; Es wird geschätzt, dass 90% der menstruierenden Frauen regelmäßig einer retrograden Menstruationunterzogen werden 4,5. Angesichts dieses alltäglichen Phänomens der retrograden Menstruation ist unklar, warum sich Endometriose nur bei einer Untergruppe von Frauen entwickelt5. Um die Ätiologie dieser Krankheit besser zu verstehen, sind direkte Studien am Menschen nicht durchführbar und Tierversuche sind gerechtfertigt.
Endometriose ist eine Herausforderung sowohl zu behandeln als auch zu untersuchen. Die Prävalenz der Krankheit ist nicht bekannt, wird aber auf 10% geschätzt1. Während einige fortgeschrittene Arten von Endometriose durch nichtinvasive Bildgebung genau identifiziert werden können, wird eine endgültige Diagnose nur durch histopathologische Analyse von chirurgisch erhaltenen Biopsieproben erreicht; Läsionen, die visuell krank zu sein scheinen, können in der Tat Fibrose oder Narbenbildung aus anderen Ursachen sein6. Schwere und Ausmaß der Erkrankung korrelieren nicht mit der Symptomatik7.
Endometrioseläsionen bestehen aus heterogenen Zelltypen und Populationen, die auf komplexe Weise innerhalb der Mikroumgebung interagieren, was die Nützlichkeit zellulärer Modelle einschränkt8,9. In-vivo-Modelle existieren, aber diese haben inhärente Herausforderungen und Einschränkungen10,11,12. Primatenmodelle sind ideal, aber oft nicht realisierbar13,14,15. Nur wenige Nicht-Primaten-Säugetiere menstruieren und entwickeln spontan Endometriose16. Nagetiermodelle der Endometriose existieren, aber jedes hat Einschränkungen17. Viele dieser Modelle erfordern eine Überlebensoperation, um Endometriumgewebe in die Spenderempfängerwand oder den Darm zu nähen oder zu implantieren, was die technische Komplexität, die Notwendigkeit einer Anästhesie und die Störfaktoren der Operation selbst erhöht18,19,20. Darüber hinaus erfordern viele Modelle Ovariektomie und Östrogen-Supplementierung; Während die Läsionsausbeute erhöht wird, erhöht dies Zeit, Kosten und zusätzliche Überlebensoperationen. Intraperitoneale (IP) Injektionsmodelle erfordern keine Anästhesie oder Überlebensoperation, und diese Modelle simulieren logischerweise eine retrograde Menstruation besser als die Nähmodelle21,22,23. Die meisten IP-Modelle unterliegen jedoch einer größeren Variabilität der Läsionsstelle aufgrund der zufälligen Verteilung von Endometriumfragmenten nach der Injektion und damit einer stärkeren Verzerrung bei der Identifizierung und Messung von Läsionen.
Hier präsentieren wir ein murines Modell der Endometriose, das mehrere Merkmale bestehender Endometriosemodelle in ein neuartiges, vereinfachtes und effizientes System integriert, das auf mikroskopischer Quantifizierung anstelle einer subjektiven Einstufung beruht.
HINWEIS: Die Verwendung von Tieren in dieser Studie wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) am Cleveland Clinic Lerner Research Institute genehmigt. Alle öffentlich zugänglichen Tierpflege- und -verwendungsstandards wurden nach den Richtlinien der National Institutes of Health durchgeführt. Dieses Verfahren verwendet aseptische Techniken. Die Petrischale ist steril. Die verwendete PBS/Kochsalzlösung ist steril. Die chirurgischen Instrumente zur Nekropsie und Gewebedissektion werden per Autoklaven sterilisiert. Wir verwenden 70% EtOH auf den Instrumenten zwischen Tierfällen (wenn mehr als einer pro Sitzung), um die Kontamination zu verringern.
1. Vorbereitung von Spender- und Empfängermäusen (siehe Abbildung 1)
2. Beschaffung von Endometriumgewebe der Spendermaus
3. Peritoneale Injektion von Gewebefragmenten in die Empfängermaus
4. Ernte endometriotischer Läsionen
5. Bewertung endometriotischer Läsionen
Für ein erstes Proof-of-Concept-Experiment wurde Spenderendometrium von RFP-Mäusen in Wildtyp-Empfängermäuse injiziert. H & E-Färbung zeigte histopathologische Bestätigung der klassischen Architektur der Endometrioseläsion (Abbildung 3A). Die Fluoreszenzmikroskopie bestätigte, dass die beobachtete Läsion vom Spender stammte (Abbildung 3B).
Das zweite Experiment wurde mit 10 Wildtyp C57BL/6J-Spendern und 10 Empfängern durchgeführt. Weitere 5 Empfänger erhielten eine Scheinbehandlung (injiziert mit PBS und nicht mit Endometriumfragmenten) und erhielten eine zufällige Identifikationsnummer; Die Gutachter wurden vor der Nekropsie und der histopathologischen Überprüfung verblindet.
Alle Empfänger erhielten innerhalb von 42 Stunden nach der PSMG-Spenderbehandlung Endometriumgewebe des Spenders. Es gab keine Korrelation zwischen diesem Zeitintervall und dem endgültigen Gebärmuttergewicht oder der Läsionsgröße. Zum Zeitpunkt der Spenderbeschaffung betrug das durchschnittliche Gesamtuteringewicht 54 ± 9,5 mg. Die durchschnittliche Fragmentzahl betrug 22,4 ± 5,2, was zu einem durchschnittlichen Fragmentgewicht von 2,5 ± 0,5 mg führte. Die Endpunktoperation trat entweder am 20. oder 22. Tag für alle Empfänger auf.
Mit einer durchschnittlichen Anzahl von Läsionen von 1,5 und einem durchschnittlichen Brutto-Gesamtläsionsdurchmesser von 3,7 mm ähneln diese Endpunkte anderen Studien mit Mausmodellen mit einem ähnlichen Gewicht an injizierten Endometriumfragmenten (Abbildung 2)10. Die Prävalenz von Läsionen für alle Mäuse betrug 80%. Die Mäuse ohne Läsionen hatten eine signifikant größere Endometriumfraktionierung im Vergleich zu Mäusen mit Läsionen (30,5 Gesamtfragmente gegenüber 20,3; durchschnittliche Gesamtfragmente für alle Mäuse betrugen 22,4), was zu einer unterdurchschnittlichen Fragmentgröße zum Zeitpunkt der Injektion führte (1,9 mg vs. 2,6 mg). Wie erwartet, hatten Scheinkontrollen (injiziert mit Kochsalzlösung und nicht mit Endometriumfragmenten) keine grobe oder mikroskopische Erkrankung. In einer anschließenden Studie mit einer erweiterten Anzahl von Mäusen war die Östrogenphase der Empfängermaus nicht mit der Läsionszahl oder dem mikroskopischen Krankheitswert assoziiert.
Die Bruttoläsionszahl scheint ein schlechter Ersatzmarker für die Gesamtläsionsbelastung zu sein, da es eine Diskrepanz zwischen der makroskopischen und der mikroskopischen Erkrankung in den Geweben gab. In 60% (n = 6) der Fälle bestand Übereinstimmung zwischen der makroskopischen und der mikroskopischen Bewertung (Übereinstimmung definiert als Anwesenheit oder Abwesenheit und Unterschied in der Gesamtgröße lag innerhalb von 3 mm). In 40% (n = 4) der Fälle gab es jedoch Meinungsverschiedenheiten, wobei 10% (n = 1) der Zeit eine makroskopische Erkrankung fehlte, aber eine mikroskopische Erkrankung durch die Histologie vorliegt, 10% (n = 1) makroskopische Erkrankungen trotz fehlender Endometriose in der bestätigenden Histologie beobachtet wurden (Abbildung 5), und die restlichen 20% (n = 2) es gab Übereinstimmung in der Anwesenheit, aber nicht in der Größe der Läsion. Daher reicht die makroskopische Untersuchung auf Läsionen allein nicht für die Quantifizierung der Endometriose-Krankheitslast aus.
Abbildung 1: Übersicht über das Modell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Untersuchte Regionen zur Quantifizierung von Läsionen. Während der Darm und andere intraperitoneale Stellen Läsionen beherbergen können, ist es schwieriger, diese grob zu unterscheiden, und eine umfassende Untersuchung des Abdomens wäre zeitintensiver mit abnehmenden Erträgen. Daher wird ein konsistenter, systematischer Ansatz zur Entnahme des gesamten Gewebes (unabhängig davon, ob eine grobe Erkrankung vorliegt) in den drei häufigsten Regionen der Endometriosebildung durchgeführt: der Bauchdecke / Peritoneum (A), der Bauchspeicheldrüse und dem Mesenterinfett (B) und dem Parauterinfett (C). Markiert sind repräsentative Bilder von mikroskopischen Befunden von Läsionen aus jeder der drei Regionen. 40-fache Vergrößerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Induktion der Endometriose mit Spendermäusen, die rot fluoreszierendes Protein exprimieren. (A) H & E-Abschnitt der Läsion. (B) Fluoreszenzmikroskopie mit DAPI-Färbung. 40-fache Vergrößerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Repräsentative Bilder der Software, die verwendet wird, um die Dimensionen der Läsionsdimensionen zu messen und die Läsionsbelastung zu quantifizieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Repräsentative Stichproben von groben "Läsionen", die keine Endometriose durch histopathologische Untersuchung sind. 40-fache Vergrößerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Unsere Studie zeigt, dass Endometriose bei Mäusen zuverlässig induziert werden kann, ohne dass eine Ovariektomie und / oder überlebenschirurgisch erforderlich ist, und dass ektopische Endometriumläsionen mithilfe einer standardisierten Untersuchung des Abdomens und einer histologischen Analyse identifiziert und quantifiziert werden können.
Viele murine Studien zur Endometriose verwenden chirurgisch induzierte Endometriose, bei der das Spenderendometrium an Ort und Stelle am Darm, an der Bauchdecke oder an einer anderen intraperitonealen Stelle vernäht wird12,20. Dies hat den Vorteil, dass die Größe und Lage des transplantierten Gewebes standardisiert wird. Zusätzlich zu den zusätzlichen logistischen Herausforderungen der Überlebenschirurgie kann dies jedoch zu verwirrenden Variablen aus der Operation selbst führen, da Endometriose eine entzündliche Erkrankung ist und sich in einem klinischen Umfeld die Endometriose typischerweise vor jedem chirurgischen Eingriff entwickelt. Die intraperitoneale Injektion hingegen modelliert genauer die retrograde Menstruation, von der angenommen wird, dass sie die Mehrheit der Endometrioseläsionen verursacht.
Ovariektomie wird oft in Nagetiermodellen durchgeführt, um die durch den Östrogenzyklus eingeführte Variabilität zu reduzieren; und da Endometriose eine hormonabhängige Erkrankung ist, werden in diesen Fällen supraphysiologische Dosen von Östradiol verabreicht. Diese Praxis schränkt wohl die Anwendbarkeit eines Mausmodells auf menschliche Krankheiten ein. Unsere Studie zeigt, dass eine Ovariektomie nicht notwendig ist, um zuverlässig Endometrioseläsionen zu erzeugen, und dass die Phase des Östrogenzyklus die Fähigkeit, Läsionen zu etablieren, nicht beeinflusst.
Ein Mangel an anderen intraperitonealen Injektionsmodellen ist die Abhängigkeit von subjektiven Messungen der Läsionsgröße oder -belastung. Während die Verwendung von Bremssätteln oder anderen Instrumenten objektive Messungen liefern kann, werden diese Messungen zum Zeitpunkt der Läsionsernte aufgezeichnet und können daher später nicht überprüft werden und können einer Variabilität innerhalb des Beobachters unterliegen. In unserem Modell kann eine histologische Quantifizierung lange nach der Nekropsie durchgeführt und verifiziert werden, was bedeutet, dass diejenigen, die die Nekropsie durchführen, keine Expertise in der Identifizierung von groben Läsionen haben müssen und leichter über die erhaltene Intervention verblindet werden. Darüber hinaus kann, wie unsere Arbeit zeigt, ein Teil der Krankheit übersehen werden, wenn man sich nur auf eine grobe Krankheit stützt; Darüber hinaus können viele vermutete Läsionen tatsächlich physiologisch (z. B. lymphatisches Gewebe) oder Fibrose sein. Schließlich reduziert die Aufnahme standardisierter Abschnitte ganzer anatomischer Regionen in jeder Maus die Variabilität weiter. Dieser Ansatz, die gleiche Menge an Gewebe pro Maus zu beschaffen, verhindert die unvermeidliche Unterstreichung, die bei kleinen Proben auftreten würde, und die Überbewertung großer Proben, zumal mikroskopische Erkrankungen vorliegen können.
Letztendlich dienen diese Verfeinerungen dazu, den Ansatz sowohl zu standardisieren als auch zu vereinfachen, was zu einem Mausmodell führt, das Endometriose mit hohem Durchsatz untersuchen kann. Dieses Modell ist eine assayable Methode, um nach Signalwegen und Wirkstoffzielen zu suchen, und unser Labor verwendet dieses Modell derzeit für eine Arzneimittelvalidierungsstudie. Dieses Modell ist besonders hilfreich, wenn versucht wird, die relative Bedeutung der abweichenden Genexpression (oder medikamentösen Behandlung) im Spenderendometrium im Vergleich zur peritonealen Umgebung des Empfängers zu bestimmen. Es kann auch mit Reportermäusen (wie wir gezeigt haben) und immungeschwächten und Knockout-Mäusen verwendet werden.
Zusammenfassend stellen wir einige wichtige Innovationen zur Verfügung, die ein murines Modell mit hoher Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Objektivität bei der Untersuchung der Endometriose bieten. Unser Ansatz bringt das Feld voran, indem er nicht nur einen einfachen, optimierten Prozess für die Läsionsinduktion bietet, sondern auch eine standardisierte Art der Messung und Berichterstattung von Daten.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Wir danken den Mitgliedern des Reizes-Labors für ihre kritische Überprüfung und Einsichten während der Vorbereitung des Manuskripts sowie den Bild- und Histologie-Kernen am Lerner Research Institute für ihre Unterstützung bei der Datenerhebung und Datenanalyse. Diese Arbeit wurde durch eine interne Zuschussfinanzierung durch das Research Program Committee der Cleveland Clinic und durch ein externes Stipendium durch die Society for Reproductive Investigation und Bayer unterstützt. Die Forschung im Reizes Laboratory wird auch durch VeloSano Bike to Cure, Center of Research Excellence in Gynecologic Cancer, und durch den Laura J. Fogarty Endowed Chair for Uterine Cancer Research finanziert. Die Cleveland Clinic besitzt die Copyright-Genehmigung für Abbildung 1 und Abbildung 2.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Supplies for injecting PMSG into donor mouse | |||
1 mL Tuberculin syringe with 27G needle | Fisher Scientific | 14-826-87 | |
Pregnant mare serum gonadotropin | Sigma-Aldrich | 9002-70-4 | |
Supplies for necropsy of donor mouse and tissue processing | |||
6” serrated forceps, curved tip | Electron Microscopy Sciences | 72993-6C | |
70% ethanol solution | Pharmco | 33000HPLCCS4L | 70% solution dilute ethyl acetate 200 proof |
Analytical balance | Mettler Toledo | ME54TE | |
Carbon dioxide | TriGas Supplier | ||
Dissecting tray | Fisher Scientific | S14000 | |
No. 10 disposable scalpel | Fisher Scientific | NC9999403 | |
Scissors, curved | Electron Microscopy Sciences | 72941 | |
Scissors, straight | Electron Microscopy Sciences | 72940 | |
Stereo microscope | Leica Microsystems | Leica SE 4 | For tissue dissection |
Sterile phosphate buffered saline (PBS) | Institutional core facility supplies | ||
Surgical instrument sterilization tray | Electron Microscopy Sciences | 66112-02 | |
Tissue culture dishes | Fisher Scientific | 08-772E | |
Weighing dishes | Fisher Scientific | 02-202-103 | |
Supplies for injecting into recipient mouse | |||
1 cc syringe | BD Biosciences | 301025 | |
18 G needle | Fisher Scientific | 148265d | |
200 uL pipette tip | Fisher Scientific | 02-707-422 | |
Double distilled water | Institutional core facility supplies | ||
Latex bulb | Fisher Scientific | 03-448-21 | |
Micro cover glass slip | VWR | 48366-067 | |
Microscope slide | Fisher Scientific | 12-544-7 | |
Standard light microscope | Leica Microsystems | DM IL | For evaluating vaginal cytology smears |
Supplies for harvesting tissue from recipient mouse | |||
10% Buffered formalin | Fisher Scientific | SF100-4 | |
Biopsy foam pads | Fisher Scientific | 22-038-222 | |
Precision Digital Calipers | Electron Microscopy Sciences | 62065-40 | |
Processing/embedding cassettes | Fisher Scientific | 22-272416 |
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