Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Das vorliegende Protokoll beschreibt eine modifizierte und vereinfachte Technik mit einem minimal-invasiven Verfahren der transversalen Aortenverengung (TAC) unter Verwendung eines selbst hergestellten Retraktors. Dieses Verfahren kann ohne Beatmungsgerät oder Mikroskop durchgeführt werden und führt zu einer Drucküberlastung, die schließlich zu Herzhypertrophie oder Herzinsuffizienz führt.
Die transversale Aortenverengung (TAC) ist eine häufig verwendete Operation in der Forschung zu Herzinsuffizienz und Herzhypertrophie, die auf der Bildung einer Drucküberlastung in Mausmodellen basiert. Die größte Herausforderung bei diesem Verfahren besteht darin, den quer verlaufenden Aortenbogen klar sichtbar zu machen und das Zielgefäß präzise zu binden. Klassische Ansätze führen eine partielle Thorakotomie durch, um den transversalen Aortenbogen freizulegen. Es handelt sich jedoch um ein Modell mit offenem Brustkorb, das ein ziemlich großes chirurgisches Trauma verursacht und während der Operation ein Beatmungsgerät erfordert. Um unnötige Traumata zu vermeiden und den Operationsablauf zu vereinfachen, wird der Aortenbogen über den proximalen Anteil des Brustbeins angefahren, wobei das Zielgefäß mit einem kleinen selbstgebauten Retraktor, der eine Schlinge enthält, erreicht und gebunden wird. Dieses Verfahren kann durchgeführt werden, ohne in die Pleurahöhle einzudringen, und erfordert kein Beatmungsgerät oder eine mikrochirurgische Operation, wodurch die Mäuse physiologische Atemmuster erhalten, das Verfahren vereinfacht und die Operationszeit erheblich verkürzt wird. Aufgrund des weniger invasiven Ansatzes und der kürzeren Operationszeit können Mäuse weniger Stressreaktionen durchlaufen und sich schnell erholen.
Herzinsuffizienz ist ein komplexes klinisches Symptom, das auf eine Beeinträchtigung der Struktur und Funktion der ventrikulären Füllung oder des Ausstoßes von Blut zurückzuführenist 1. Das Krankheitsstadium wird hauptsächlich über die Funktionsklassifikation der New York Heart Association definiert, die auf der Schwere der Symptome und der körperlichen Aktivitätbasiert 2. Bei Patienten mit einer Ejektionsfraktion von über 50 % erhöhten strukturelle und/oder funktionelle Anomalien natriuretische Peptide, um die Diagnose einer Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion (HFpEF) zu unterstützen2. Die ischämische Herzkrankheit ist eine der Hauptursachen für Herzinsuffizienz. Daher wird das Myokardinfarktmodell (z. B. permanente Koronarligatur) häufig verwendet, um die Pathophysiologie nach kardialer Hypoperfusion oder Ischämie-Reperfusionsverletzung zu untersuchen 3,4. Neben einer akuten Myokardverletzung tragen auch andere Risikofaktoren wie Bluthochdruck, Diabetes, Fettleibigkeit und eine familiäre Vorgeschichte von Kardiomyopathie zur Entwicklung einer Herzinsuffizienz bei. Nachdem die Patienten das Stadium A (Risiko für Herzinsuffizienz) bestanden und in das Stadium B (Präherzilosizienz) eingetreten sind, tritt eine strukturelle Veränderungauf 1. Zum Beispiel durchlaufen hypertensive Patienten zuerst eine adaptive Hypertrophie des linken Ventrikels und entwickeln sich dann allmählich zu einer maladaptiven Herzhypertrophie und gehen durch pathologischen Umbau zu Herzinsuffizienzüber 5.
Als Endstadium verschiedener Herz-Kreislauf-Erkrankungen wird die chronische Herzinsuffizienz seit Jahrzehnten untersucht6. Mehrere Mausmodelle sind in der Herzinsuffizienzforschung weit verbreitet, einschließlich der Infusion von Medikamenten (Angiotensin II), Stoffwechselstörungen (Diabetes oder kalorienreiche Ernährung) und der Aortenverengung7. Bei diesen Modellen wird die Angiotensin-II-Perfusion von verschiedenen Organnebenwirkungen begleitet, wie z. B. Nieren7. Die Induktion von Stoffwechselstörungen erfordert in der Regel einen ziemlich langen Zeitraum. Es wurde angenommen, dass die aufsteigende Aortenverengung nur eine begrenzte Relevanz für menschliche Erkrankungen hat7.
TAC ist ein zuverlässiges Modell, das die Nachlast erhöht und Herzhypertrophie sowie Herzinsuffizienzinduziert 8. Das TAC-Modell mit offenem Brustkorb wurde erstmals von Rockman et al. beschrieben und in zahlreichen Laboratorien auf der ganzen Welt verwendet9. Dieses klassische TAC-Verfahren verursacht jedoch ein ziemlich großes Trauma bei Mäusen und verändert ihr normales Verhalten, was eine lange Genesungszeit in Anspruch nehmen und die weitere Behandlung stören kann10. Andere modifizierte TAC-Verfahren mit geschlossenem Brustkorb reduzierten zwar einige invasive Schritte, erforderten jedoch mikrochirurgische Fähigkeiten oder mechanische Beatmung10,11.
Das vorliegende Protokoll beschreibt eine Schritt-für-Schritt-Methode mit einem minimalinvasiven Zugang zum Aortenbogen unter Verwendung eines selbst hergestellten Retraktors über einen 3 mm Mittellinienschnitt der Oberkante des Brustbeins. Dieses Modell benötigt keine mikrochirurgischen Fähigkeiten, keine mechanische Beatmung oder das Durchtrennen der Rippen und bietet somit eine schnelle, chirurgische, traumabegrenzte, unkomplizierte und kostengünstige Möglichkeit, eine TAC-Operation durchzuführen.
Das aktuelle Protokoll wurde von der Ethikkommission des Tongji-Krankenhauses, des Tongji Medical College, der Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China, genehmigt. Dieses Verfahren wird an männlichen erwachsenen C57/BL6-Mäusen (>10 Wochen alt) durchgeführt. Alle chirurgischen Instrumente wurden vor der Operation durch Autoklavieren sterilisiert.
1. Vorbereitung des chirurgischen Instruments
2. Tierische Vorbereitung
3. Verengung der Queraorta
4. Nachsorge
5. Ultraschall-Bildgebung
Nach erfolgreicher TAC-Operation wurde eine Drucküberlastung mit einem Ultraschall-Bildgebungssystem festgestellt. Vier Wochen nach der Operation entwickeln Mäuse eine verminderte Herzfunktion. In der vorliegenden Studie wurde die Wirksamkeit der TAC-Chirurgie über die Ejektionsfraktion (EF), die fraktionierte Verkürzung (FS), die linksventrikuläre Masse (LV-Masse) und den linksventrikulären Innendurchmesser (LVID) von Mäusen validiert, die sich nach 4 Wochen einer TAC-Operation unterzogen hatten. EF war bei TAC-Mäusen nach 4 Wochen im Vergleich zu Scheinmäusen signifikant reduziert (47 % ± 10 % vs. 78 % ± 4 %, p < 0,0001) (Abbildung 4A). Die LV-Masse war bei TAC-Mäusen signifikant erhöht (158,1 ± 50,5 vs. 91,8 ± 21,7 mg, p = 0,0226) (Abbildung 4B). FS war bei TAC-Mäusen signifikant reduziert (23 ± 5 vs. 46 % ± 3 %, p < 0,0001) (Abbildung 4C). LVID war bei TAC-Mäusen signifikant erhöht (2,88 ± 0,39 vs. 1,81 ± 0,52 mm, p = 0,0044) (Abbildung 4D). Die Daten repräsentieren jeweils sechs Mäuse für TAC- und Sham-Gruppen. Aufgrund der kleinen invasiven Eingriffe ist die Überlebensrate ziemlich hoch und hängt hauptsächlich von Blutungen ab, die für einen erfahrenen Darsteller auf weniger als 5% reduziert werden können. Bei vollständiger Beherrschung liegt die allgemeine Überlebensrate bei C57BL/6J-Mäusen nach 4 Wochen bei über 95%. Ein ungepaarter t-Test wurde durchgeführt, um die Schein- und TAC-Gruppen zu vergleichen. Alle Daten werden als Mittelwert ± REM (Fehlerbalken) dargestellt.
Abbildung 1: Selbstgemachte Schlinge mit Retraktor zum Führen von Seidennaht um den Aortenbogen . (A) Gesamtansicht des Retraktors. (B) Detail des Retraktors. Der Pfeil zeigt die Schlinge an, durch die die Seide hindurchgehen soll. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Bilder der TAC-Operation . (A) Maus in Rückenlage mit Klebeband und Naht fixiert. (B) Steriles Tuch, das nur den Operationsbereich zeigt. (C) 1,5 cm vertikaler Hautschnitt. Der rote Pfeil zeigt einen sternalen Engel an. (D) Längsschnitt in der Mittellinie, der am Brustbein vorgenommen wurde. (E) Bild, das die Schlinge des selbstgebauten Retraktors zeigt, der unter der Aorta verläuft. (F) Das Bild zeigt die 7-0-Seidennaht, die durch die Snare-Schlaufe geht. (G) Eine 27-G-Nadel, die parallel zur Aorta platziert wurde. (H) Ligatur der Aorta mit der 27-G-Nadel. Der weiße Pfeil zeigt einen Ligaturknoten an. (I) Genähte Haut mit 4-0 Seidennaht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Repräsentatives Bild eines Ultraschall-Bildgebungssystems von Schein- und TAC-Mäusen nach 4 Wochen . (A) Pulswellen-Doppler-Bildgebung des Schein-Aortenbogens. (B) Puls-Wellen-Doppler-Bildgebung des Aortenbogens nach TAC. (C) M-Mode-Bild einer Scheinmaus, die EF, LV-Masse, Wanddicke und LVID berechnet. (D) M-Mode-Bild der TAC-Maus zur Berechnung von EF, LV-Masse, Wanddicke und LVID. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Herzfunktion, gemessen mit einem Ultraschall-Bildgebungssystem. (A) Ejektionsfraktion (EF) der Mäuse in zwei Gruppen. (B) Die linksventrikuläre Masse (LV-Masse) der Mäuse befand sich in zwei Gruppen. (C) Fraktionierte Verkürzung (FS) der Mäuse in zwei Gruppen. (D) Der linksventrikuläre Innendurchmesser (LVID) der Mäuse in zwei Gruppen. *p < 0,05, **p < 0,005, ***p < 0,0005. Die Daten beziehen sich auf sechs Mäuse pro Gruppe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Induktion einer anhaltenden Drucküberlastung kann allmählich zu Herzhypertrophie und Herzinsuffizienz führen. Dieses Modell wurde in zahlreichen Labors auf der ganzen Welt verwendet14,15,16. Das Protokoll bot eine verbesserte TAC-Methode, die keine mikrochirurgischen Fähigkeiten oder mechanische Beatmung erfordert.
Der wichtigste Schritt in diesem Protokoll ist das Führen von Seidennähten unter dem Aortenbogen. Wenn die Schlinge den Aortenbogen eingehakt hat, müssen alle Bewegungen sanft sein, um unnötige Zugkraft auf die Arterie zu reduzieren. Außerdem darf die Naht um die Aorta nicht zu eng sein, falls es beim Herausziehen des Abstandshalters schwierig ist. Nach der Operation sind auch reichlich Nahrung und Wasser wichtig, damit sich die Maus schnell erholen kann.
Frühere Manuskripte haben andere Methoden für TAC bereitgestellt. Eichhorn et al. veröffentlichten eine geschlossene Thoraxmethode, die die transversale Aorta10 ligiert. Das gesamte Verfahren ermöglicht es, dass die Rippen intakt bleiben, wodurch ein sehr kleines Trauma verursacht wird. Zaw et al. stellten eine TAC-Methode zur Verfügung, ohne in die Pleurahöhle einzudringen17. Tavakoli et al. stellten eine minimalinvasive transversale Aortenverengung vor, die keine Intubation und Beatmung benötigt11. Alle oben genannten Techniken erfordern mikrochirurgische Fähigkeiten. Darüber hinaus stellten Lao et al. eine Methode zur Herstellung von TAC-Modellen mit resorbierbaren Nähten zur Verfügung18. Das Protokoll in dieser Studie bietet eine alternative Möglichkeit, schnell (innerhalb von 10 Minuten) eine TAC-Operation durchzuführen, die nicht unter einem Mikroskop operiert werden muss. Die Minimierung des chirurgischen Traumas kommt den Mäusen zugute und reduziert Störfaktoren während des Experiments. Im Gegensatz zum Modell mit offenem Brustkorb ist dieses Modell minimalinvasiv und beeinträchtigt die normale Atemdynamik der Maus nicht. Bei vollständiger Beherrschung liegt die Überlebensrate dieser Technik bei über 95%. Außerdem sind keine mechanischen Beatmungs- und mikroskopischen Operationsfähigkeiten erforderlich. Ein selbstgebauter wiederverwendbarer Retraktor reicht aus, um systemische Entzündungseffekte zu vermeiden, die durch Beatmung hervorgerufen werden19. All dies zusammen vereinfacht den Betriebsablauf erheblich.
Es gibt einige Einschränkungen dieser Technik. Der akute Anstieg der Nachlast spiegelt das allmähliche Fortschreiten der arteriellen Hypertonie nicht vollständig wider. Die Diskrepanzen in der Pathophysiologie zwischen Mausmodellen mit multifaktorieller Herzinsuffizienz und Patienten mit klinischer Herzinsuffizienz haben bei Forschern Bedenken geweckt20. Die Pathophysiologie, die bei Mäusen dargestellt wird, kann nicht vollständig auf den Menschen übertragen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Protokoll ein alternatives Verfahren zur Durchführung von TAC bietet, das den Ermittlern die Induktion von Herzinsuffizienz oder Herzhypertrophie bei Mäusen erleichtern kann.
Die Autoren erklärten, dass es keine Interessenkonflikte gebe.
Diese Arbeit wird von der National Natural Science Foundation of China (NSFC 81822002) finanziert. Wir danken allen Mitgliedern, die an dieser Arbeit teilgenommen haben.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4-0 nonabsorbable suture | Jinhuan | HM403 | Used for suturing the skin |
5 mL syringe | Haifuda Technology Co., Ltd. | BD-309628 | Used for making snare containing retractor |
7-0 nonabsorbable suture | Jinhuan | HM701 | Used for aorta ligation |
Animal temperature monitor | Kaerwen | FT3400 | Used for monitoring body temperature |
Buprenorphine | Sigma | B-044 | Used for post-surgical pain treatment |
Depilatory cream | Veet | N/A | Used for remove body hair from the surgical area |
Heating Pad | Xiaochuangxin | N/A | Used for maintaining body temperature |
Ibuprofen | MCE | HY-78131 | Used for post-surgical pain treatment |
Iron wire (0.5 mm) | Qing Yuan | Iron wire #26 | Used for making snare containing retractor |
Microscopic tweezers | RWD | F12006-10 | Used for penetrating and separating the tissue to open operation space |
Needle holder | RWD | F12005-10 | Used for pinching off the tip of gauge needle and blunting it |
Ophthalmic forceps | RWD | F14012-10 | Used for holding skin and other tissues |
Ophthalmic scissors | RWD | S11001-08 | Used for making sking incision of mouse |
Pentobarbital sodium | Sigma | P3761 | Used for mouse anesthesia |
Sterile operating mat | Hale & hearty | 211002 | Used for placing animal during surgery |
Ultra-sound imaging system | Fujifilm visualsonics | vevo1100 | Used for measure the blood flow velocity, left ventricular wall thickness and ejection fraction, https://www.visualsonics.com/product/imaging-systems/vevo-1100 |
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