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* Estos autores han contribuido por igual
Photothrombosis is a minimally invasive and highly reproducible procedure to induce focal ischemia in the spinal cord and serves as a model of spinal cord injury in mice.
Spinal cord injury (SCI) is a devastating clinical condition causing permanent changes in sensorimotor and autonomic functions of the spinal cord (SC) below the site of injury. The secondary ischemia that develops following the initial mechanical insult is a serious complication of the SCI and severely impairs the function and viability of surviving neuronal and non-neuronal cells in the SC. In addition, ischemia is also responsible for the growth of lesion during chronic phase of injury and interferes with the cellular repair and healing processes. Thus there is a need to develop a spinal cord ischemia model for studying the mechanisms of ischemia-induced pathology. Focal ischemia induced by photothrombosis (PT) is a minimally invasive and very well established procedure used to investigate the pathology of ischemia-induced cell death in the brain. Here, we describe the use of PT to induce an ischemic lesion in the spinal cord of mice. Following retro-orbital sinus injection of Rose Bengal, the posterior spinal vein and other capillaries on the dorsal surface of SC were irradiated with a green light resulting in the formation of a thrombus and thus ischemia in the affected region. Results from histology and immunochemistry studies show that PT-induced ischemia caused spinal cord infarction, loss of neurons and reactive gliosis. Using this technique a highly reproducible and relatively easy model of SCI in mice can be achieved that would serve the purpose of scientific investigations into the mechanisms of ischemia induced cell death as well as the efficacy of neuroprotective drugs. This model will also allow exploration of the pathological changes that occur following SCI in live mice like axonal degeneration and regeneration, neuronal and astrocytic Ca2+ signaling using two-photon microscopy.
Lesión medular traumática (SCI) es una condición clínica devastadora que afecta a las funciones sensoriomotoras y autonómicas de la SC. Los pacientes que sobreviven SCI a menudo se dejan con paraplejia que afecta significativamente sus actividades y la calidad de vida 1 diarias debilitante. Modelos experimentales SCI han sido una herramienta indispensable en la investigación científica para comprender la fisiopatología de la lesión medular y los procesos de reparación neuronal asociados. Estos modelos también se han utilizado para probar la eficacia preclínica de varias intervenciones neuroprotectoras experimentales que tienen por objeto la recuperación funcional. Actualmente, la mayoría de los modelos de SCI en la práctica emplear el uso de la fuerza física contundente para interrumpir mecánicamente y lesionar a la SC. Estos métodos incluyen contusión, compresión, dislocación y transección del SC 2. Se ha sugerido que después de la lesión mecánica primaria una lesión secundaria en forma de conjuntos de isquemia en lesionada en el SC 3,4. La etiología de la isquemia secundaria incluye una amplia degeneración de los tejidos, la hemorragia parenquimatosa y, a veces por la obstrucción de los vasos sanguíneos por edema tisular 5-7. Como resultado de la lesión secundaria de la integridad de SC se ve afectado aún más, las neuronas y las células gliales son severamente deteriorados en la función y viabilidad y sufren apoptosis que conduce a la del infarto de crecimiento durante la fase crónica de la lesión, de forma análoga al crecimiento de la penumbra isquémica después del accidente cerebrovascular 8,9. Varios mecanismos como excitotoxicidad, la producción de radicales libres y la inflamación se han notificado a ser responsable de la muerte celular isquémica tras SCI 10,11. Además, SC isquemia es una complicación grave de la cirugía de reparación de aneurisma de aorta toraco-abdominales que a menudo conducen a la paraplejia en los pacientes 12,13. A pesar de tal impacto clínico de alta muy pocos modelos de isquemia de la médula espinal con alta reproducibilidad están disponibles actualmente.
nt "> Photothrombosis (PT) es un método comúnmente utilizado para la inducción de la isquemia focal en el cerebro 14-20. La técnica es bastante no invasiva, altamente reproducible y produce una lesión isquémica focal precisa en el área expuesta del cerebro 17 -21. Esto se logra mediante la administración sistémica de colorantes fotoactivos como Rosa de Bengala (RB) 16-20,22 o eritrosina B 23 seguido de irradiación localizada de vasos sanguíneos con fuente de luz apropiada. fotoactivación del colorante hace que la generación de radicales libres que perturbar la integridad del endotelio vascular liso, y hacen que las plaquetas se acumulen, que posteriormente se forma un trombo. La obstrucción del flujo sanguíneo por los resultados de trombos en un infarto en la región suministrada por el recipiente 24. Debido a la facilidad de control en el intensidad y duración de la irradiación Este procedimiento produce un infarto muy uniforme y reproducible. Además, este método puede ser empleado para inducir una infarct en varios lugares anatómicos permitiendo espacial (por ejemplo, la materia gris vs. materia blanca) comprensión de los efectos de la isquemia.El objetivo del presente estudio es desarrollar un modelo fácil y altamente reproducible de SC isquemia en ratones. Hemos descrito el procedimiento de un modelo de PT de SC isquemia en ratones. Los resultados de la histología y la inmunotinción demostraron que PT puede inducir eficazmente miocardio SC, la pérdida neuronal y gliosis reactiva.
Nota: Los ratones (C57BL / 6J, macho) edad 10 - 12 semanas fueron usados en este estudio. Todos los procedimientos se realizaron de conformidad con la Guía del NIH para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio y fueron aprobados por la Universidad de Missouri Institucional Cuidado de Animales y el empleo Comisión (IACUC).
1. Pre-Op
2. Procedimiento Quirúrgico
3. Inducción de PT
4. Después de la cirugía Cuidado
5. transcardial de perfusión, la tinción de Nissl y inmunotinción
El objetivo de este estudio era producir isquemia de la médula espinal en ratones utilizando un modelo de PT. Después de la región deseada de hueso por encima de la médula espinal (T10 - T12) se diluyó, Rosa de Bengala se inyectó por vía seno retro-orbital, y la isquemia fue inducida por PT Figura 1A, B muestran el ratón posicionado en una medida quirúrgica. plataforma durante la cirugía. El ratón se mantiene en su lugar por una abrazadera hocico y dos vertebrado ajustable abrazaderas para estabilizar la médula espinal Figura 1C muestran una ventana adelgazada por encima de la médula espinal de T10 -. T12. El vaso sanguíneo principal y sus ramas pueden ser claramente visualizados. Para confirmar la inducción de la isquemia, los cambios en el flujo de sangre se midió usando un medidor de flujo Doppler láser antes y después de PT (Figura 2A, B). Para el análisis, se calculó la disminución en% del flujo sanguíneo utilizando el flujo de sangre basal antes de photothrombosis. El flujo de sangre se redujo a ~ 20% inmediatamente después de la iluminación de luz en comparación wITH el nivel basal antes de la iluminación. Figura 3B, C muestra imágenes fluorescentes de los vasos sanguíneos de la médula espinal en el principio y el final de PT. Iluminación para 2 min inducida coágulo de sangre en los vasos sanguíneos (Figura 3C), lo que sugiere la inducción de la isquemia, consistente con las mediciones de la medidor de flujo Doppler láser. Para inspeccionar el daño causado por PT, los ratones fueron sacrificados 3 días después se realizó PT y tinción de Nissl. Las imágenes tomadas después de la tinción de Nissl mostraron la región del infarto que puede ser claramente demarcada de la región circundante, lo que indica daño en el tejido de la médula espinal y la muerte celular después de PT (Figura 4). La inmunotinción se realizó para NeuN, GFAP y Iba1. Neuronas NeuN + se perdieron en la materia gris en el núcleo isquémico (Figura 5), mientras que la expresión de GFAP se incrementó en la frontera del núcleo isquémico (Figura 5B, véase también la región en caja). Los microglia Iba1 + mostraron una mor globoidesfología (es decir., un cuerpo celular ampliada con los procesos más cortos y menos, ver la región en caja), junto con el aumento de expresión Iba1 (Figura 5C). Aunque hubo una pérdida de tejido en la región del núcleo isquémico debido a la sección tinción flotante, un aumento en la expresión de GFAP y Iba1 en toda la región peri-infarto se puede observar claramente. Estos resultados indican la muerte neuronal y gliosis reactiva en la penumbra después de SC isquemia. Por otro lado, se observaron déficits funcionales sustanciales en los ratones lesionados, es decir, discapacitados movimiento extremidad posterior un día después de PT, lo que indica la parálisis de las extremidades traseras (ver la película).
Figura 1. Modelo PT-inducida por la isquemia en la médula espinal. (A) Fotografías de la plataforma de la cirugía para la médula espinal PT. Recuadro: agranda abrazaderas vertebrales.(B) El ratón se llevó a cabo mediante una abrazadera hocico y por dos abrazaderas vertebrales medida en el escenario. Observe que el hueso se diluyó en T10 -. Región T12 y dos abrazaderas de metal vertebrales fueron utilizados para estabilizar la médula espinal (C) A-zoom en la imagen que muestra la región con el hueso adelgazado por encima de la médula espinal en T10-11 para el inducción de PT. Observe los principales vasos sanguíneos y sus ramas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. médula espinal medición del flujo sanguíneo. (A) La configuración de la medición del flujo sanguíneo superficie de la médula espinal usando un medidor de flujo Doppler láser y el dispositivo estereotáxico para posicionar la sonda. (B)Se midió el flujo de sangre de la médula espinal antes y después de PT. En este experimento, PT se indujo mediante la iluminación con una fuente de luz para 2 min con una potencia de salida 12%. El diámetro de la superficie irradiada fue de 0,75 mm y estaba en el medio de la médula espinal. El flujo de sangre se registró durante un máximo de 5 minutos para obtener la señal estabilizado antes de PT y hasta 10 minutos después de PT. Los datos de cada ratón se normalizaron al valor antes de la iluminación de luz. La gráfica muestra el valor medio de los datos de 3 ratones. La flecha indica el inicio de PT. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. PT-indujo isquemia de la médula espinal. (A) Fotografía de unaratón coloca en el microscopio para la inducción de PT en la médula espinal. La posición del ratón se puede ajustar en tres dimensiones usando la etapa de deslizamiento XY y un laboratorio-Jack. La luz del objetivo de 10X se centró en la superficie de la médula espinal. (BC) Fluorescente imágenes de los vasos sanguíneos en la médula espinal antes de (B) y después (C) la iluminación después de la inyección de Rosa de Bengala. Observe el coágulo de sangre después de 2 min de irradiación (C) (ver flechas). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Nissl tinción de la médula espinal. Nissl imágenes de tinción de una serie de secciones transversales de la médula espinal rostral a caudal-que incluyen normales (secciones1 y 6) y epicentro inducida por PT (secciones 2-5). Los ratones fueron sacrificados 3 días después de PT. Cada sección de la médula espinal es de 30 m de espesor. El intervalo entre dos secciones es de 750 micras. La línea discontinua imagen rd 3 en esboza la región del infarto. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. La inmunotinción de NeuN, GFAP y Iba1. Imágenes fluorescentes de NeuN (A), GFAP (B) y Iba1 (C) la tinción de (paneles superiores) normales y PT-heridas (paneles inferiores) Secciones de la médula espinal. El ratón heridos fue sacrificado 3 días después de PT. Las líneas discontinuas separan las regiones de infarto de los tejidos normales. Las regiones en caja muestran imágenes de alta resolución de GFAP y expresión Iba1 con una barra de escala de 50micras. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Película . PT en la médula espinal inducida por déficit de comportamiento. La película muestra el movimiento de un ratón normal y un PT-lesionado en una jaula. Observe el arrastre de ambas extremidades traseras del ratón con inured la médula espinal, lo que indica la parálisis de las extremidades traseras-(paraplejia). La película fue tomada 24 horas después de PT en el ratón lesionada.
En este estudio, hemos descrito un modelo photothrombotic de SC isquemia. Debido a los avances en la ingeniería genética no ha habido un aumento en los ratones transgénicos disponibles en el mercado que ha hecho posible el estudio del impacto de los genes específicos implicados en la fisiopatología isquémica en las CEC. El objetivo del estudio fue desarrollar un modelo reproducible de ratón de la isquemia de la médula espinal. Aquí hemos adaptado un modelo PT cortical para inducir SCI en ratones. Después de la cirugía de la vena y capilares espinal posterior en la cara dorsal de los ratones a nivel de T11 vértebra torácica fueron expuestos. Entonces RB, un colorante fotoactivo disponible comercialmente, se inyectó por vía seno retro-orbital para alcanzar la distribución vascular deseada. A continuación, el vaso sanguíneo expuesto se irradió con una luz verde para inducir la formación de trombo y más tarde en un infarto. Nuestros resultados de métodos histológicos y de inmunotinción mostraron que PT indujo un infarto en la médula espinal y Reactihe gliosis en la región peri-infarto. También se observaron déficits neurológicos como parálisis de las extremidades posteriores. Estos datos sugieren que PT es un modelo adecuado para el estudio de la fisiopatología y los mecanismos de muerte celular después de la lesión. El paso crítico en el protocolo es el uso de un taladro de alta velocidad para adelgazar la superficie de la vértebra para la visualización del vaso sanguíneo en la superficie dorsal de la SC. Este paso se debe realizar con cuidado ya la aplicación de un exceso de presión puede hacer que el taladro para entrar en la cavidad medular y daña la SC. Por otro lado, el adelgazamiento desigual podría resultar en una iluminación inadecuada y puede producir infartos irregulares. Para solucionar este problema, se recomienda una inspección frecuente de la superficie del hueso bajo el microscopio después de cada paso corto de perforación para evaluar el grosor del hueso y para evaluar aún más el uso de la broca. Se recomienda el uso de solución salina estéril al lavado por los escombros, así como para la mejor visualización de la superficie expuesta. El mantenimiento de los contrasasepsia tante durante todo procedimiento quirúrgico, atención post-quirúrgica adecuada del animal puede mejorar la supervivencia de los animales y aumentar la tasa de éxito de los experimentos.
Nuestro modelo actual de PT no requiere la compra de cualesquiera instrumentos caros, como cualquier laboratorio que está equipado con un microscopio de epi-fluorescencia con una fuente de luz (como una lámpara de mercurio, lámparas de halogenuros metálicos, o láser de 488 nm de longitud de onda) puede realizar este procedimiento. Además, esta técnica proporciona control sobre el tamaño del infarto mediante el ajuste del tamaño de la abertura en comparación con otros modelos de isquemia SC como oclusión combinada de la aorta, subclavia izquierda y la arteria mamaria interna 25 y modificado método de sujeción transversal de la aorta 26 que son complicados y están extremadamente invasivo. En nuestro modelo de un taladro de alta velocidad para adelgazar la superficie dorsal de la vértebra para la visualización fue elegido como una alternativa a la laminectomía, método de elección por muchos laboratorios para inducir SCI.Laminectomía implica el corte de las vértebras que puede causar hemorragia excesiva debido a la transección de los vasos sanguíneos vertebrales y esto podría oscurecer el campo para la formación de imágenes. A pesar de que algunos protocolos aconsejan el uso de hisopos de algodón para limpiar el sangrado excesivo durante la laminectomía puede dar lugar a la compresión que puede causar lesiones adicionales a la SC. Además, la superficie expuesta de la médula espinal pueda entrar en contacto directo con la sangre y sus componentes, así como los bordes afilados de los huesos cortados que pueden añadir variabilidad innecesaria para el experimento. Usando el modelo PT actual, infarto con diferente tamaño y la profundidad puede ser generado mediante la simple manipulación de la intensidad de la fuente de luz, duración de la exposición y el área de la superficie expuesta. Aunque el estudio actual genera isquemia en la región central de T11 en el SC, este método también puede generar infartos en diferentes lugares a lo largo rostral-a-caudal, así como dirección lateral de la médula espinal, que MIGht beneficiarse entender el efecto específico de la región de la isquemia en paraplejia. Por otro lado, aunque la iluminación es en la superficie de la médula espinal, la luz podría penetrar a cierta profundidad en el tejido y la lesión también puede ser inducida en la materia gris. Como Rosa de Bengala se distribuye en todo el sistema de circulación, si las especies animales son los mismos, y la edad y peso son similares, esperamos lesión consistente será generado como en la isquemia cortical inducida por PT.
La otra ventaja importante de la isquemia inducida por PT-es muy baja mortalidad de los animales. Baja mortalidad significa estudios de supervivencia a largo plazo pueden ser realizadas que podrían ser útiles para desentrañar el efecto temporal de la lesión isquémica en la recuperación de la supervivencia y la función motora. Este modelo también puede ayudar en la comprensión de los mecanismos de reparación celular que normalmente se producen al final de la fase crónica de la lesión 14,19,27-29. Este modelo también produce déficit de la función motora considerables que pueden Be utiliza para evaluar la eficacia de los agentes neuroprotectores en la recuperación funcional. Además, este modelo también permitirá el estudio de los cambios patológicos después de SCI como la degeneración axonal y la regeneración, neuronal y astrocytic Ca 2+ de señalización y la sobrecarga en ratones vivos utilizando microscopía de dos fotones.
Como el resto de modelos de SCI, PT no carece de inconvenientes. Las desventajas de esta técnica son similares a los observados en PT cortical. Pocas de las deficiencias incluyen la falta de una penumbra isquémica anatómica clara, que es la meta de muchos fármacos neuroprotectores, y la ausencia de reperfusión. Es bien sabido que la reperfusión después de la isquemia se caracteriza por cambios como aumento de la producción de especies reactivas del oxígeno, la infiltración de células inflamatorias y un aumento de la producción de citoquinas 30-32. La falta de reperfusión en PT significa los cambios asociados con la lesión de reperfusión en SC permanecerán difíciles de estudiar el uso de este modelo.Sin embargo, las ventajas de utilizar la isquemia PT inducidos superan a las desventajas y esta técnica proporciona a los investigadores una herramienta fácil de realizar y modelo altamente reproducible de la generación de SCI en ratones.
The authors have nothing to disclose.
Esta labor fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud [de Grant no. R01NS069726] y la Asociación Americana del Corazón Grant en Cooperación Financiera No Reembolsable [subvención no. 13GRNT17020004] para SD.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Rose Bengal | Sigma-Aldrich | 330000 | 20 mg/ml in sterile saline |
C57BL/6J | Jackson lab | 664 | 22 - 25 g |
Ketamine | VEDCO | NDC-50989-996-06 | 100 mg/ml |
Xylazine | VEDCO | NDC-50989-234-11 | 100 mg/ml |
Betadine solution | Purdue | NDC-67618-150-01 | 10% povidone iodine topical solution |
Normal saline | Abott Laboratories | 04930-04-10 | For diluting RB, anaesthesia and for preventing tissue from drying |
Artificial tears ointment | Rugby | NDC-0536-6550-91 | 83% white petrolatum |
Ethanol | Decon labs.Inc | 2716 | 70% ethanol for disinfection |
Metal halide lamp | EXFO, Canada | X-Cite 120 PC | Set power at 12% |
Spring scissors | Fine Science Tool | 15000-10 | for minor dissection |
Scissors (angled to side) | Fine Science Tool | 14063-011 | No. 3 handle |
Standard scalpel | Fine Science Tool | 10003-12 | for removing muscle |
Scalpel blade | Feather | 2976 | No. 10 |
Forceps (curved) | Fine Science Tool | 11150-10 | for holding tissue |
Forceps (straight) | Fine Science Tool | 11151-10 | for holding tissue |
Needle holder | Fine Science Tool | 12002-12 | for suturing |
Tissue adhesive glue | 3M Vetbond | 1469SB | to adhere to edges of the cut skin |
Monofilament polypropylene | USSC Sutures | VP-521 | Size = 4-0 (for fascia) |
Perma-hand silk | Ethicon | 683G | Size = 4-0 (for skin) |
Micro drill | Roboz Surgical Instrument Co. Inc. | RS-6300 | with bone polishing drill bit |
Laser doppler flowmeter | Moor Instruments | moorVMS-LDF1 | for monitoring change in blood flow |
Heating pad | Fine Science Tool | 21052-00 | to prevent hypothermia |
Lab-Jack | Fisher scientific | 14-673-50 | 4 x 4 in plate to adjust the height of the animal |
X-Y gliding stage | Amscope | GT100 | for positioning the animal under microscope |
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