永久性脑血管阻塞 通过 双结扎与横断

摘要

我们介绍一种高度可重复的啮齿类动物主要脑血管永久性闭塞的方法。该技术可实现极小的周围组织损伤、最少的失血量、较高的长期存活率，以及与人类临床人群相符的稳定梗死体积。

摘要

脑卒中是全球范围内导致死亡、残疾和社会经济损失的主要原因。大多数脑卒中是由于血流中断（缺血）所致¹。大脑中动脉（MCA）为大脑皮层的外侧面提供了绝大部分的血液供应²，是人类脑卒中最常见的发病部位³，其供血区域内的缺血可导致严重的功能障碍甚至死亡^1,4,5。缺血性脑卒中幸存者常出现运动功能丧失或障碍、感觉缺陷以及脑梗死。为了准确模拟脑卒中的这些关键特征，进而开发有效的治疗方法，研究者高度重视大脑中动脉缺血的动物模型。

本文介绍一种永久性闭塞大脑皮层表面血管的方法。我们将以永久性大脑中动脉闭塞（pMCAO）为例来阐述该方法，该模型可模拟人类卒中最常见的类型、部位和结局。在此模型中，通过手术暴露成年大鼠的大脑中动脉（MCA），随后采用双结扎并切断血管的方式实现闭塞。该pMCAO方法可阻断MCA的近端皮层分支，导致MCA皮层供血区域（即大脑皮层的大部分区域）发生缺血。该闭塞方法也可用于闭塞皮层血管更远端的部分，以实现更为局限的缺血，靶向更小范围的皮层区域。pMCAO的主要缺点是手术具有一定侵入性，需进行小范围开颅以暴露MCA，但该操作造成的组织损伤极小。然而，该模型的主要优点包括：闭塞部位明确、血流减少程度一致、功能和神经功能缺损出现迅速、梗死体积稳定，且动物存活率高，便于进行长期慢性评估。

引言

为了诱导出有效模拟人类缺血性卒中的缺血条件，目前广泛采用多种动物卒中模型，这些模型产生的梗死体积各不相同。在光化学血栓模型中，静脉注射光敏物质（如玫瑰红）后，通过完整的颅骨以激光照射脑组织，引发光化学凝固反应，导致被照射血管阻塞，并使周围组织发生缺血^6,7。光化学血栓可导致非常小且孤立的梗死区域，通常用于模拟“小卒中”或“微卒中”。

目前诱导缺血性脑卒中（尤其是大脑中动脉（MCA）区域）更为广泛应用的技术是血管内单丝线栓模型⁸，该方法通过手术将线栓插入颈外动脉，并向前推进直至其顶端阻塞MCA起始部。血管内线栓阻塞的主要挑战之一是较高的死亡率（当MCA阻塞3小时时，死亡率可达70%，而该时间点在脑卒中研究中具有重要意义）⁹。该方法的其他问题还包括可能发生蛛网膜下腔出血、阻塞不完全以及梗死体积变异较大^10,11。该模型可在皮层及皮层下区域引起广泛的梗死¹²，可模拟人类大面积脑卒中。

尽管微小梗死和大范围梗死模型都很重要，但人类中风的梗死体积通常介于两者之间。在大型临床研究中，中风梗死体积的范围为 28–80 cm³，相当于缺血同侧半球的 4.5–14%⁹。相比之下，我们大鼠的pMCAO模型梗死体积范围约为 9–35 mm³，占缺血同侧半球的 3% 至 12%。因此，我们的pMCAO模型在脑体积百分比所对应的梗死体积上，与人类缺血性中风非常相似。

除了模拟中风引起的结构损伤外，永久性大脑中动脉闭塞（pMCAO）还会导致与人类中风相似的功能和行为缺陷。一个有效的中风模型至少应引起与中风损伤对侧的运动功能障碍^13-15、运动和感觉功能的丧失或障碍^16,17、诱发电神经元活动的丧失或中断^16,18、脑血流量减少^19,20以及脑梗死^21,22。因此，我们的pMCAO模型模拟了大脑中动脉（MCA）的严重闭塞，导致身体残疾、感觉皮层（及邻近皮层）功能丧失、神经元活动紊乱、MCA血流严重减少以及梗死——这些均为缺血性中风的典型特征^23-25，因而可作为人类中风的有效模型。

在操作上，pMCAO 包括一个小的开颅手术，即在大脑中动脉（MCA）主干分叉为额叶和顶叶皮质支之前的初始段（M1 段）上方，通过一个 2 × 2 mm 的“手术窗口”小心地去除颅骨和硬脑膜。图1A和图1B）。我们使用半弧形反向切割缝合针和缝线（6-0 丝线）穿过软脑膜层，位置位于大脑中动脉（MCA）下方、皮层表面之上（具体试剂和设备见实施pMCAO所需手术用品列表）。随后打双结结扎，将两个结在MCA周围收紧，并在两结之间横断血管。双结结扎及横断部位位于豆纹动脉分支的远端，仅影响大脑中动脉的皮层分支，因此仅产生皮层梗死（无皮层下损伤）。 ^26,27 (图2）。尽管人类中风常涉及皮层下梗死，但在啮齿类动物中建立此类模型需要更高的侵入性技术（在皮层分支之前阻塞脑血管需要通过颈部颈动脉进入动脉，并且需要额外的阻塞操作），同时梗死体积的变异性也更大。此处描述的模型无法在更近端进行，因为无法接触到大脑中动脉（MCA）的更早分支 通过 一种简单的开颅手术。尽管从外科技术上讲，通过永久性大脑中动脉阻断（pMCAO）诱导皮层下梗死是可行的，但该阻断过程将涉及极为侵入性的操作，因此并不理想。

可通过激光多普勒或激光散斑成像^12,24,25（图3）确认闭塞的有效性，也可通过死后组织学检查进行验证（图2）。需要注意的是，先前的研究表明，感觉刺激在脑梗死的演变和结局中可能发挥重要作用：在pMCAO后2小时内施加感觉刺激可对损伤产生保护作用，而在pMCAO后3小时施加则会加重脑卒中损伤^24,25,28。我们已证实，在pMCAO后5小时，感觉刺激不再影响结局（未发表数据）。因此，为获得变异最小的梗死体积，应在pMCAO后5小时内尽量减少对受试动物的感觉刺激。基于此，本课题组通过以下方式建立此类“未经治疗的对照组”：在pMCAO后将大鼠持续麻醉5小时，置于黑暗环境中，尽可能减少感觉刺激，尤其避免胡须刺激。

还应注意，大脑中动脉（MCA）结构偶尔会出现变异，包括分支过多、存在多个主要节段或缺乏交通动脉，在雄性成年Sprague Dawley大鼠中的发生频率为10%至30%^29,30。若观察到MCA存在异常，建议不要使用该实验动物，因为纳入具有此类血管异常的动物会增加梗死范围的变异性。

此外，本实验方法还有一些实际优势，使其成为脑卒中研究中具有吸引力的阻塞技术。首先，可在不收紧缝线的情况下将缝线置于动脉周围，以获取基线评估数据，随后在结扎并切断血管后进行缺血后评估。通过这种方式，可在同一受试对象内有效控制为实现血管阻塞所必需的手术准备因素。由于受试对象在整个阻塞过程中可保持静止状态或固定于立体定位仪中，因此能够在不移动动物或干扰任何正在使用的实验设备的情况下，对每个受试对象在阻塞前、阻塞期间及阻塞后进行实验性评估^25,28。此外，该方法的死亡率极低，即使在21至24月龄的老年啮齿类动物（相当于人类老年阶段）中也是如此³¹，因此可用于在更接近脑卒中患者最常见年龄段的动物模型中评估脑卒中治疗方法^25,28。血管切断还具有多种实际作用：切断后无出血现象可证实血管在两个结扎部位均已完全闭塞；此外，切断可确保血流的永久性中断；最后，切断还可确保在阻塞血管远端检测到的任何血流必然来源于其他侧支循环途径。

最后，尽管本文和视频中专门描述了大脑中动脉（MCA）的这种阻塞技术，但相同的双重结扎切断技术也可应用于任何可通过开颅手术接触到的脑血管。例如，我们实验室在实施近端MCAO的同时，结合了对远端MCA分支的多个永久性阻塞，以阻断主要血流和侧支血流²⁴，其方式类似于旨在选择性诱导初级躯体感觉皮层缺血的技术³²。

综上所述，该永久性闭塞方法在大脑中动脉（MCA）上的应用，很好地模拟了人类缺血性脑卒中的三个主要特征：最常见的发病部位（MCA）、病变类型（缺血）以及损伤程度（梗死），这些均与人类脑卒中的临床文献高度一致。此外，该闭塞方法可应用于脑内单个或多个闭塞位点，并可在老年动物模型中实施，且具有较高的存活率。鉴于该闭塞技术具有动态性、永久性以及相对无创的特点，此技术为临床前研究人员评估新型脑卒中保护与治疗策略提供了又一重要工具。

方案

1. 开始准备：所需外科器械

参见图4

1. 牙科钻机（Kavo Dental Equipment，型号：UMXL-TM）、2位钻头和3位钻头
2. 两根约30号的皮下注射针头
3. 有齿镊子，可选弯曲尖端（可能有帮助，但非必需）
4. 两把精细尖头镊子
5. 剪线钳
6. 缝合线
7. 显微剪刀

2. 创建手术窗口

1. 麻醉：操作程序符合美国国立卫生研究院（NIH）指南，并已获得加州大学欧文分校动物护理与使用委员会批准。实验对象为体重295–400 g的雄性Sprague Dawley大鼠（Charles River Laboratories，Wilmington，MA，美国），应采用以下麻醉程序：
   1. 经腹腔注射戊巴比妥钠负荷剂量（55 mg/kg 体重），随后在后肢肌肉注射阿托品（0.05 mg/kg 体重），并皮下给予3.0 cc 5%葡萄糖溶液。
   2. 根据需要追加戊巴比妥钠（27.5 mg/kg 体重）注射。在操作过程中，向眼部涂抹眼用抗生素软膏以保护角膜。每六小时给予5%葡萄糖（3 ml）和阿托品（0.05 mg/kg 体重），以减少麻醉期间的呼吸道分泌物。通过直肠探头测量体温，并使用自调节加热毯将体温维持在37 °C。
2. 可通过以下任一方法定位大脑中动脉（MCA）：
   1. 使用HP 3号钻头在体感皮层上方磨出一个2 × 2 mm的成像/观察窗，直至颅骨接近透明，再使用HP 2号钻头进一步磨至完全透明。通过此窗口可观察到MCA的位置，并依据其近端走向大致确定其起始段位置。MCA通常以从头侧到尾侧、腹侧到背侧的方向斜向穿过该窗口（例如，从手术者视角观察左半球时，为从左到右、从下到上）。随后可在观察者根据第一窗口所见远端分支推断出M1段（皮层分支前段）位置的上方创建手术窗。为尽量减少为暴露MCA而去除的颅骨面积，成像/观察窗应靠近但独立于手术窗。
      或
   2. 将一个小的手术窗定位在卵圆孔或下颌神经前方约3 mm、外侧约1 mm处，靠近颅骨弓的头侧部分^30,33,34。为有效进入MCA主干（亦称M1段），需暂时将颞肌从颅骨表面牵开。（注意：在长期存活手术中，本实验室的经验表明，若使颞肌在其附着点保持连接，则术后肌肉可重新愈合至颅骨表面，从而维持正常的进食行为和体重。）
3. 沿MCA走向追踪至成像窗口的头侧、腹侧角落（若以此为参考），以估算其初始皮层分支的位置。
4. 在成像窗口稍偏头侧和腹侧处（若以此为参考）创建一个新的薄颅骨区域（我们称之为手术窗），此处应为MCA的M1段（皮层分支前段）所在位置。重要提示：成像窗口（若使用）与手术窗之间应保留约2 mm的间隙。
5. 在动脉即将分出皮层支之前，定位MCA主干（亦称M1段），如图1A和1B所示。
6. 使用HP-3号钻头，在估计的M1段上方磨薄颅骨。当颅骨变得部分透明时，换用更精细的HP-2号钻头继续磨薄，直至完全透明。当手术窗区域足够薄、可清晰观察到血管结构时，目视确认M1段位置，并完成开窗，使手术窗在M1段长度方向两侧各保留2–3 mm的空间（以便在MCA两侧留出足够空间插入和退出缝合针）。

重要提示：当颅骨厚度接近塑料薄膜时，应停止减薄。若钻头穿透颅骨和硬脑膜，血管将发生破裂。反之，若颅骨过厚，则在进行阻塞时难以去除，可能导致皮层或动脉损伤。

7. 取一支30号（30 G）皮下注射针头，使用有齿镊子将针尖弯曲。
8. 使用该30 G针头，在非动脉正上方的区域小心穿刺颅骨。利用此穿刺孔插入镊子夹住颅骨，小心移除手术窗处变薄的骨片。
9. 取一支新的30 G针头，按第6步的方法弯曲其针尖，并小心去除硬脑膜。

注意：切开硬脑膜将导致其回缩，由于压力降低，大脑中动脉将变得更加明显。

3. 闭塞大脑中动脉

1. 使用线剪将半弧形反向切割缝合针（圆形 3/8，16 mm 缝合针）剪短至约 3–5 mm。
2. 按 图 4E 所示图片中的方式穿线。重要提示：必须确保缝合线穿过针眼后两端长度相等，以便能同时在 M1 段下方拉动两端，随后将针剪下，留下两段线分别在大脑中动脉（MCA）周围打两个结。
3. 使用带齿镊子将剪短后的缝合针从 M1 段下方穿过。插入位置应距离大脑中动脉（MCA）约 0.5–1 mm，操作时尽可能浅层进行，以最小化对皮层的损伤，同时避免对 MCA 造成过大张力。
4. 当缝合针从另一侧穿出并位于 MCA 下方时，使用尖头镊子（如下图所示）从对侧拉出缝合针的尖端，同时继续用带齿镊子推进或推送缝合针的另一端。
5. 当缝合针完全穿过 MCA 下方并被拉出后，继续拉动缝合针或缝线，直至 MCA 两侧的线段长度相等。在送线过程中轻压缝线有助于减少 MCA 所受张力，防止缝线穿过动脉下方时导致其破裂。
6. 在靠近缝合针处将缝线剪断。
7. 使用两把尖头镊子将形成的两条缝合线分开，使两条独立的线段分别穿过 MCA 下方且互不接触。理想情况下，两线在 MCA 下方通过的位置应相距约 1 mm。
8. 使用两把尖头镊子分别用这两条线在 MCA 周围打两个独立的结（两个结扎线），尽量保持两个结之间约 1 mm 的间距，以便为后续横断操作留出空间。

注意： 如果需要设置内部假手术对照，可预先制备阻塞模型，但将阻塞结扎线留松，使其完全不压迫大脑中动脉，并在收紧结扎线和切断血管前采集数据。在阻塞前将缝线修剪至适当长度，以防其钩挂其他组织，但需保留足够长度以便后续收紧结扎线。通过这种方式，可在与实际阻塞完全相同的手术侵入条件下进行基线成像或其他数据采集，并在适当时间点迅速收紧结扎线，几乎无需额外延迟。

9. 打紧结后，使用显微剪刀在两个结之间切断 M1。
10. 对于长期存活实验：
    1. 使用无菌外科缝线将切开的头皮瓣缝合复位，或使用无菌伤口夹固定组织。
    2. 局部给予伤口区域抗生素（如杆菌肽软膏），并系统性给予氨苄青霉素预防性注射（150 mg/kg，肌内注射）。
    3. 在动物仍处于麻醉状态下，向眼部涂抹眼用抗生素软膏。
    4. 给予辅助性阿托品（0.05 mg/kg，肌内注射），以减少麻醉期间的呼吸道分泌物。
    5. 手术结束时皮下注射氟尼辛美格隆（1.1 mg/kg），并于次日早晨（约12小时后）再次注射，以控制疼痛。
    6. 将动物置于干燥、温暖、倾斜的表面上，使其鼻部高于尾部（这有助于动物苏醒前的呼吸）。
    7. 持续监测动物直至其清醒并能自主安全活动。
    8. 动物返回屏障环境饲养室后，应每日观察其活动情况、外观、发声、进食和饮水行为。

4. 安乐死

1. 每次实验结束时，应使用戊巴比妥钠（2-3 ml，腹腔注射）对大鼠实施安乐死。

结果

可使用激光散斑成像（LSI）等多种血流成像技术来确认血管是否成功闭塞。闭塞后，大脑中动脉（MCA）主要皮质分支中的血流应下降至基线水平的约25%或更低，具体数值取决于记录系统的噪声水平及技术的灵敏度。代表性LSI图像显示了MCA闭塞前后MCA皮质分支一段区域的情况，请参见图3。当所述闭塞技术应用于MCA的M1段，阻断所有皮质MCA分支，并在闭塞后约5小时内避免感觉刺激时，可产生体积为28.4±2.4 mm³的皮质梗死（代表性冠状切面显示经2,3,5-三苯基四氮唑氯化物[TTC]染色后具有上述损伤的脑组织，请参见图2；未染色的苍白区域对应梗死区域）²⁵。

讨论

本方案旨在诱导啮齿类动物大脑皮层的缺血，同时尽量减少对实验动物周围组织的影响。双重阻断与切断法可直观确认血管已被永久性阻断，且该方法无需过度侵入或造成显著组织损伤，具有较高的存活率。该阻断方案可应用于任何可通过开颅手术接触到的皮层血管，以在特定皮层区域诱导缺血。此外，此类阻断可在动物固定于立体定位装置中的同时进行，从而可同步结合多种研究技术，如功能成像或电生理记录。这使得该阻断技术适用于多种实验设计，包括受试者内自身对照研究。例如，可在基线状态（动脉周围已置入缝线但尚未收紧并切断）、缺血起始期间，以及任何所需的阻断后时间点进行评估。

成功实施该阻断手术依赖于两个关键步骤。首先，准确观察目标血管对于诱导缺血至关重要。若阻断位置位于目标位置的近端或远端（在我们通常的情况下，即大脑中动脉主干前/后皮质分叉处稍近端），可能导致梗死体积出现较大变异，因此必须仔细确认正确的阻断和切断部位。其次，将缝合针穿过目标动脉周围需要精细而准确的技术。由于操作需要，缝合线将穿过动脉正下方皮层最表浅的一层。操作时应避免过深地进入皮层表面，否则可能导致血管破裂、出血或阻断部位脑组织损伤。尽管目前有多种类型的血...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
超精细格雷夫镊子 - 0.5 mm 尖端，轻微弯曲（1）	Fine Science Tools	11151-10
陶瓷涂层杜蒙特 #5 镊子（2）	Fine Science Tools	11252-50
超精细博恩剪刀，直头（1）	Fine Science Tools	14084-08
圆形 3/8（16 mm）缝合针	Fine Science Tools	12050-02
6-0 编织丝线缝合线	Fine Science Tools	NC9071061 Harvard Apparatus No.:510461
30 号针头，½" 长度	Fine Science Tools	NC9867376 No.:ZT-5-030-5-L/COL