移植性动脉硬化的小鼠模型

摘要

我们描述了小鼠移植性动脉硬化（GA）模型的实验方案，该模型涉及将一段小鼠血管移植到同一近交品系的受体体内。通过将额外的遗传改变回交至血管供体，该模型可评估特定基因对GA的影响。

摘要

移植物动脉硬化（GA），也称为同种异体移植物血管病变，是一种在移植器官中经过数月乃至数年逐渐发展的病理性病变，其特征是整个移植物血管树出现弥漫性、环周性的狭窄。GA 发生发展过程中最关键的环节是内膜中类似平滑肌细胞的增殖。当将一段人冠状动脉植入免疫缺陷小鼠的肾下腹主动脉时，内膜可在过继转移的、针对动脉供体的异基因人 T 细胞作用下发生扩张；在无人 T 细胞的情况下，外源性人 IFN-γ 也可诱导内膜扩张。将一个品系的小鼠主动脉移植至另一品系小鼠体内作为慢性排斥反应模型存在局限性，因为在该小鼠模型中，急性细胞介导的排斥反应会在两到三周内完全清除移植物中所有供体来源的血管细胞。我们近期开发了两种新的小鼠模型以克服上述问题。第一种模型是将雄性小鼠的血管段移植至同品系（C57BL/6J）雌性受体小鼠体内。此种情况下的移植物排斥反应仅针对由 Y 染色体编码的次要组织相容性抗原（存在于雄性而不存在于雌性），由此引发的排斥反应进展足够缓慢，可使供体来源的平滑肌细胞保留数周之久。第二种模型是将野生型 C57BL/6J 小鼠的动脉段移植至同品系、同性别但缺乏 IFN-γ 受体的宿主小鼠体内，随后通过腺病毒载体感染小鼠肝脏以递送小鼠 IFN-γ。在此模型中，由于供体与受体小鼠品系和性别相同，不会发生排斥反应；然而，供体来源的平滑肌细胞会响应该细胞因子而增殖，而宿主来源的细胞因缺乏该细胞因子的受体而不产生反应。通过将额外的遗传改变回交至血管供体小鼠，这两种模型均可用于评估特定基因对 GA 进展的影响。本文中，我们详细描述了这两种小鼠 GA 模型的实验方案。

引言

移植物动脉硬化（GA），也称为同种异体移植物血管病变，是一种在移植器官中历经数月到数年逐渐发展的病理性病变，其特征为整个移植物血管树出现弥漫性、环周性的狭窄⁷。早期阶段可能表现为偏心性和局灶性狭窄，主要发生在动脉中，因此更类似于传统动脉粥样硬化中所见的狭窄。移植物血管管腔的丧失是由于内膜扩张所致，其原因包括受体来源的T细胞和巨噬细胞浸润，尤其是来源于移植物、受体或两者共同的类似平滑肌细胞的细胞以及细胞外基质的积聚^{5, 13, 19}，而血管向外重塑的代偿作用不足。在心脏同种异体移植物中，最具临床意义的病变发生在心外膜和心肌内冠状动脉。最终，冠状动脉的GA将导致缺血性心力衰竭。GA是晚期心脏移植物丢失的主要原因。GA的狭窄通常终止于缝合线处，这强烈提示其发病机制与受体对移植物同种异体抗原的免疫反应有关，因此我们将GA归类为一种慢性排斥反应³。然而，其他形式的动脉损伤可能通过增加总体损伤负荷或增强和/或调节同种免疫反应，从而增加发生GA的风险。在人类GA中，移植物动脉的内皮细胞（EC）衬层得以保留，而紧邻EC衬层的内膜最表层区域是受体来源的产生干扰素-γ（IFN-γ）的T细胞和巨噬细胞浸润最密集的部位¹¹；在部分患者中，GA与针对移植物EC的供体特异性同种抗体的产生相关¹⁶，但这些血管缺乏急性抗体介导排斥反应所特有的纤维素样坏死的组织学证据¹¹。

GA 发病机制中最关键的组分是内膜中平滑肌样细胞的增殖；若能阻止这一过程，GA 很可能不会进展。我们课题组此前的研究表明，将人冠状动脉节段植入免疫缺陷小鼠的肾下主动脉后，其内膜会在接受与动脉供体异基因的人源 T 细胞过继转移后发生扩张，而该过程可通过中和人源 IFN-γ 得以抑制。 ¹⁸此外，在缺乏人T细胞的情况下，外源性人IFN-γ可引起这些动脉移植物中内膜（及中膜）血管平滑肌细胞（VSMC）增殖。 ^{15, 17}。（需要注意的是，人和小鼠的IFN-γ不具有跨物种活性，因此可排除该实验系统中对小鼠宿主的间接影响。）这些人源化小鼠模型的优势在于能够重现人类T细胞与血管细胞之间的相互作用，且内膜病变主要由人源（即 移植物来源的细胞，这在临床标本中已有观察，但这些模型未能完全再现临床实际情况，因其忽略了宿主巨噬细胞及其他可能参与临床移植病变的细胞类型的作用。理论上，传统的鼠类模型可弥补这一缺陷，通过引入完整的宿主免疫系统来补充人源化模型的局限性，并进一步提供利用小鼠遗传学手段研究移植物动脉病（GA）的优势。目前应用最广泛的两种小鼠模型分别为异位心脏移植和原位动脉移植。 ¹异位心脏移植物动脉中形成的病变主要由宿主来源的细胞构成，可能起源于骨髓；而人类心脏移植物动脉内膜中的细胞则主要为移植物来源。 ^{5, 13, 19}这是一个重要的区别，促使我们开发了其他小鼠模型。将一个品系的小鼠主动脉移植到另一品系小鼠体内作为慢性排斥反应的人类模型更为受限，因为在此小鼠模型中，急性细胞介导的排斥反应会在两到三周内完全清除移植物中所有供体来源的血管细胞。 ¹⁹因此，在去细胞化血管支架中观察到的后续变化完全源于重新定植的宿主细胞，导致中间血管节段出现高度人为的情况，作为临床移植血管变化的模型其相关性有限。我们近期开发了两种新的小鼠模型以克服这些问题 ²¹第一种模型涉及将雄性小鼠的血管片段移植到同品系（C57BL/6J）雌性受体体内。第二种模型涉及将野生型C57BL/6J小鼠的动脉片段移植到同品系同性别的干扰素-γ受体缺失（IFN-γR-KO）宿主小鼠体内，随后通过腺病毒载体感染小鼠肝脏以递送小鼠干扰素-γ（IFN-γ）。本文中，我们详细描述了这两种小鼠移植动脉瘤（GA）模型的实验方案及其优势。

方案

小鼠异体移植与同系移植模型

所有动物实验均经耶鲁大学机构动物护理和使用委员会批准。在同种异体移植模型中，取雄性4-5周龄野生型（C57BL/6J）或IFN-γR-KO小鼠的胸主动脉节段，通过端对端显微外科吻合技术移植至雌性受体8-12周龄野生型小鼠的腹主动脉（详见下文操作细节）。在同基因型移植模型中，取雄性4-5周龄野生型小鼠的胸主动脉节段，通过端对端显微外科吻合技术移植至雄性8-12周龄IFN-γR1-KO小鼠的腹主动脉。术后1周，小鼠经静脉接种Ad5.CMV-小鼠IFN-γ或Ad5.CMV-LacZ（Qbiogene），剂量为1 × 10⁹ PFU。在腺病毒接种后1周和5周，采用ELISA法（eBioscience）检测血清中小鼠IFN-γ水平。部分动物在处死前皮下注射BrdU（Sigma-Aldrich），剂量为100 mg/kg，持续2周。

端对端显微外科吻合技术（此部分将进行录像）：

1. 供体操作步骤

1. 通过腹腔注射氯胺酮（50 mg/kg）和赛拉嗪（10 mg/kg）对供体小鼠进行麻醉。
2. 确认麻醉充分后，将供体小鼠仰卧位置于操作显微镜下（放大倍数为 X8-30），并使用碘伏消毒片和酒精消毒片对胸壁进行消毒准备。
3. 切开肋骨和膈肌处的前胸壁以暴露心脏。
4. 打开右心房，使用带有25号针头的10 ml注射器向左心室注入10 ml含肝素（100 U/ml）的生理盐水溶液，以冲洗小鼠全身血液。
5. 切除心脏和肺组织，以充分暴露整个胸主动脉长度。
6. 仔细解剖胸主动脉，尽量减少直接损伤，同时识别、结扎并切断靠近主动脉的腰动脉分支，使用11-0缝线在近端进行操作。
7. 当胸主动脉完全游离于周围组织后，完整切除整段胸主动脉用于移植。
8. 用含肝素（100 U/ml）的生理盐水溶液冲洗供体主动脉的切断端，并将其保存于相同溶液中冰上冷藏（最多6小时），直至进行移植手术。

2. 受体操作步骤

1. 为受体小鼠腹腔注射酮洛芬（5 mg/kg）以进行镇痛，并使用氯胺酮（50 mg/kg）和赛拉嗪（10 mg/kg）进行腹腔麻醉。受体小鼠通常在10分钟内进入深度麻醉状态，持续时间为60–90分钟。手术期间，每15分钟使用镊子夹捏前腹壁或足部以评估麻醉深度。若动物在手术过程中对有害刺激产生反应，则需皮下或肌内追加氯胺酮和赛拉嗪（剂量为初始剂量的1/4或1/3）。
2. 确认麻醉充分后，使用电动剃毛器剃除前腹壁的毛发，用碘伏消毒片和酒精消毒片清洁皮肤，并使用眼用软膏覆盖眼睛。手术过程中需采用以下无菌技术：使用10%次氯酸钠溶液清洁手术台，佩戴无菌手套，并使用灭菌的显微外科器械（手术开始时使用蒸汽灭菌器械，多次手术之间使用高温玻璃珠灭菌器械等）。
3. 将受体小鼠仰卧置于操作台中，并置于手术显微镜下，放大倍数为X8–30。
4. 沿中线从剑突至耻骨切开腹壁，使用微型牵开器牵开腹壁以暴露腹腔。
5. 将肠管向上牵拉并用生理盐水浸湿的纱布包裹。由于肠管外露导致热量散失，受体小鼠易发生体温降低。维持动物体温至关重要。然而，手术期间不使用加热板，因为轻度低体温有助于在主动脉血流阻断期间预防脊髓损伤，且在小鼠下半身血流缺失的情况下，热传导效率较低。
6. 将生殖器官向下牵拉，用生理盐水浸湿的纱布包裹受体小鼠腹部区域，并将其用于将直肠向腹腔右侧牵开。移植过程中需定期用生理盐水冲洗暴露的组织。
7. 钝性分离一段位于肾血管远端至主动脉分叉近端之间的肾下腹主动脉，并小心将其与下腔静脉（IVC）分离。
8. 使用11-0单丝聚酰胺缝线识别并结扎起源于该段腹主动脉的所有小分支。
9. 使用两个血管夹在已分离的腹主动脉段两端进行交叉夹闭，两个夹子近端相距约5 mm。
10. 使用锐利的显微剪刀在两个血管夹之间横断腹主动脉，以形成吻合口。
11. 从受体主动脉一端的切断处切除一小段腹主动脉（长度不超过0.4 mm），以便容纳供体主动脉移植物。
12. 使用肝素化生理盐水冲洗两个血管夹之间的主动脉段，以清除残留血液。吻合过程中需定期用肝素化生理盐水（含肝素100 U/ml，剂量可达40 ml/kg）冲洗两个血管夹之间的主动脉段及供体主动脉移植物。
13. 使用锐利的显微剪刀将供体主动脉两端横断，制备一段长度为2.5 mm的主动脉移植物用于移植。
14. 将供体主动脉移植物置于原位，使用11-0单丝聚酰胺缝线以端对端方式，将移植物的近端和远端分别与受体腹主动脉的近端和远端切断端进行吻合。
15. 对于连续缝合，首先在移植物两侧的3点和9点位置放置固定缝线。在每侧移植物两个固定缝线之间，使用连续缝合方式对两个切缘进行3–4针缝合，并将连续缝线与固定缝线以双结打结固定。由于两层缝合均为连续缝合，裂开风险增加。供体主动脉移植物应具有适当长度，以确保能够连接受体腹主动脉的近端和远端切断端。
16. 对于间断缝合，首先在移植物两侧的3点和9点位置各完成四个吻合点，然后在每侧移植物两个固定缝线之间对两个切缘进行3–4针缝合。
17. 松开远端血管夹，使逆向血流进入移植物，观察出血部位并在3分钟内补充缝合。
18. 确认止血满意后，松开近端血管夹。
19. 通过观察移植物及邻近原生腹主动脉近端段是否存在强烈搏动来确认移植物通畅性，尤其注意腹主动脉远端邻近段及肠系膜下动脉区域。若血流恢复后数分钟内搏动减弱，应考虑吻合口血栓形成。
20. 将肠管复位至腹腔内。
21. 分别使用5-0尼龙缝线缝合肌肉层和皮肤层，关闭腹壁。
22. 将受体小鼠置于加热垫上方的清洁笼具中，等待1–2小时直至其恢复意识并从麻醉中苏醒。恢复期间维持动物充分保暖至关重要。在动物从麻醉中清醒前，应将其保持在温暖干燥的笼具中。
23. 小鼠苏醒后评估其后肢运动功能，并在术后第二天再次评估。若受体小鼠在术后第二天未出现后肢功能障碍，则视为移植手术成功。
24. 术后48小时内通过饮水给予受体小鼠酮洛芬（5 mg/kg/d = 饮水中含27 µg/ml）。若受体小鼠出现术后镇痛药物无法缓解的疼痛表现（如活动减少、不梳理毛发、异常蜷缩姿势等），则实施安乐死。动物将在预设终点（术后1–60天）实施安乐死。

移植物分析

异体移植动脉移植物于术后4周获取，同系移植模型中的移植物则于术后6周（病毒感染后5周）获取，并采用标准组织学技术进行弹性纤维-范吉森（Elastica-van Gieson, EVG）染色、苏木精-伊红（hematoxylin and eosin, HE）染色以及免疫荧光染色分析。图像使用蔡司（Zeiss）免疫荧光显微镜系统采集。对被阳性免疫染色包围的细胞核进行计数，每例移植物取5个横切面，在高倍镜下计数后取平均值。利用计算机辅助图像分析软件NIH Image 1.60（http://rsbweb.nih.gov/nih-image），对每例移植物间隔150 μm的5个连续横切面进行测量，计算管腔面积（内皮以内）、内膜面积（内皮与内弹性膜[IEL]之间）、中膜面积（IEL与外弹性膜[EEL]之间）、管壁厚度（内皮至外弹性膜之间）以及整个血管面积（EEL以内）。

统计分析

所有数据均以均值 ± 标准误表示。采用 Prism 软件（GraphPad Software）进行双尾配对 t 检验和双因素方差分析。当 P<0.05 时，认为差异具有统计学意义。

结果

小鼠同种异体移植动脉硬化（GA）模型：在该模型中，将雄性供体的主动脉移植到雌性受体体内，使受体针对移植物上表达的Y染色体相关次要抗原（即雄性特异性次要组织相容性抗原H-Y）产生由同种反应性T细胞介导的同种免疫应答¹²，进而由T细胞产生的IFN-γ驱动血管平滑肌细胞（VSMC）增殖²⁰，这一现象在其他同种异体移植模型中亦有报道^{2, 6, 8-10, 14}。手术将雄性供体的一段胸主动脉移植至雌性受体的腹主动脉位置，并在移植后4周取主动脉组织进行分析（图1A）。通过Elastica-van Gieson（EVG）染色、H&E染色以及针对VSMC标志物SMA和泛白细胞标志物CD45的免疫组化染色对动脉移植物进行组织学分析。在C57BL/6J雄性小鼠之间的主动脉移植中未观察到移植物排斥反应。雄性向雌性的移植诱导了GA的发生，其特征为白细胞浸润以及富含VSMC的新生内膜形成（图1B）。为明确IFN-γ信号在GA中的作用，将来自野生型（WT）或IFN-γ受体基因敲除（IFN-γ...

讨论

所述方案主要针对小鼠移植动脉（GA）模型。这些操作步骤也可应用于其他移植物移植模型，包括人源化异种移植模型（即将人冠状动脉节段移植至免疫缺陷小鼠的肾下主动脉）以及急性排斥反应小鼠GA模型（即将一个遗传品系的小鼠主动脉移植至另一遗传品系受体小鼠）。我们所描述的小鼠模型更接近人类GA病变。第一种模型涉及将雄性小鼠的血管节段移植至同一近交品系（C57BL/6J）的雌性受体。在此情况下，移植物排斥反应仅针对Y染色体编码的次要组织相容性抗原（存在于雄性而不存在于雌性），由此引发的排斥反应进展较为缓慢，可在数周内保留供体来源的平滑肌细胞^{2, 6, 8-10, 12, 14}。第二种模型涉及将野生型C57BL/6J小鼠的动脉节段移植至同品系同性别的受体小鼠，后者缺乏干扰素-γ受体（IFN-γR-KO），随后通过腺病毒载体感染小鼠肝脏以递送小鼠干扰素-γ（IFN-γ）。在此模型中不发生排斥反应，因为供体与受体小鼠品系和性别均相同，但供体来源的平滑肌细胞会响应细胞因子而增殖，而宿主来源的细胞因缺乏该细胞因子受体而不产生反应²¹。此外，通过将额外的遗传修饰回交至血管供体小鼠，这两...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
C57BL/6J (H-2b)	杰克逊实验室（缅因州巴港）	000664	供体（5周龄） 受体（8-12周龄）
盐酸氯胺酮注射液	Hospira Inc.	NDC 0409-2053	储存液（50 mg/ml） 工作液（5 mg/ml）
无菌赛拉嗪溶液	Lloyd Inc.	NADA# 139-236	储存液（100 mg/ml） 工作液（1 mg/ml）
酮洛芬	Fort Dodge Animal Health	NDC 0856-4396-01	储存液（100 mg/ml） 工作液-口服 （0.027 mg/ml）
肝素钠	Sagent Pharmaceticals	NDC 25021-400	储存液（1000 U/ml） 工作液（100 U/ml）
生理盐水溶液（无菌0.9%氯化钠）	CareFusion	AL4109
0.9%氯化钠注射液	Hospira Inc.	NDC 0409-4888-10	用于配制麻醉剂
凡士林眼膏	Dechra Veterinary Products	NDC 17033-211-38
碘伏消毒垫	Triad Disposables, Inc.	NDC 50730-3201-1
酒精消毒垫	McKesson Corp.	NDC 68599-5805-1
显微镜	Leica	MZ95
微型剪刀	Roboz Surgical Instrument Co.	RS-5693
弹簧剪刀	F.S.T	15009-08	用于切断供体或受体的主动脉
超细剪刀	F.S.T	14088-10
持针器/镊子	MICRINS	MI1542	用于持针
精细镊子	F.S.T	11254-20
镊子	F.S.T	11251-35
标准型镊子	F.S.T	11000-12
镊子	F.S.T	13011-12
LANCASTER 眼科开睑器	Zepf Medical Instruments	42-1209-07
微型血管夹	Roboz Surgical Instrument Co.	RS-6472
带锁微型夹施加镊	Roboz Surgical Instrument Co.	RS-5440
黑色单丝聚酰胺缝线	AROSurgical Instruments Corporation	货号 #T4A10Q07	10-0 缝线，针头=70 微米
黑色单丝尼龙缝线	Syneture (Covidien)	SN-1956	6-0 缝线
非织造 Songes	McKesson Corp.	订货号 94442000
1 ml 注射器	BD	REF 309659
3 ml 注射器	BD	REF 309657
10 ml 注射器	BD	REF 309604
18G 1 1/2，皮下注射针头	BD	REF 305196
25G 7/8，皮下注射针头	BD	REF 305124
27G 1/2，皮下注射针头	BD	REF 305109
30G 1/2，皮下注射针头	BD	REF 305106
心脏垫	Sunbeam	Z-1228-001
修剪器	Wahl	9854-500
表2. 特定试剂与设备。