利用经验证的内镜评分系统对小鼠进行柔性结肠镜检查以评估结肠炎和结直肠肿瘤的严重程度

摘要

近年来，新一代内窥镜已成为评估小鼠结肠炎和结直肠肿瘤的重要诊断与研究工具。本文详细介绍了一种用于小鼠内窥镜下评估炎症及结直肠肿瘤的实验方案，并提出一种新颖的评分系统，该系统采用小数标识符来记录结肠炎和结直肠肿瘤的内窥镜下严重程度。

摘要

现代内窥镜技术在科研中的应用极大地促进了我们对胃肠道病理学的理解。特别是实验性内窥镜检查，对于需要在单个实验动物中进行多次评估的研究尤为有用，例如慢性炎症性肠病机制研究以及结直肠癌进展的研究。然而，不同研究之间所采用的方法存在高度差异。目前已发表至少三种用于小鼠结肠炎的内窥镜评分系统，而现有的结直肠肿瘤评估方案却未能充分考虑合并存在的结肠炎症。本研究建立并验证了一种可重复的内窥镜评分系统，能够同时评估炎症和肿瘤。该新型评分系统包含三个主要组成部分：1）对结直肠炎症范围和严重程度的评估（依据肛周表现、肠壁透明度、黏膜出血及局灶性病变）；2）对肿瘤病变的定量记录（网格图与柱状图）；3）根据观察到的病变类型和内窥镜并发症，按十进制单位对临床病例进行数值分类，以反映其病理学意义和科研相关性（十进制标识符）。本文所呈现的视频与文稿均依据经IACUC批准的实验方案制备，旨在帮助研究人员使用一种经过充分验证且高度可重复的内窥镜方法对其自身实验小鼠进行评分，并可选择使用该系统区分远端与近端内窥镜下结肠炎（D-PECS）。

引言

小鼠内窥镜技术作为一项有用的研究工具已应用十余年^1-3。迄今为止，大多数采用小鼠内窥镜的研究使用的是硬性内窥镜，尽管也有部分研究使用了柔性乙状结肠镜。与体重减轻、腹泻和组织学等间接指标相比，小鼠内窥镜可提供即时结果，并对肠道正常程度、炎症严重程度以及肿瘤进展提供更为客观的评估（当病变呈局灶性分布时，组织学评估效果欠佳），同时还能反映结肠整体健康状况。尤为突出的是，内窥镜技术允许对实验动物模型进行多次重复评估，而传统的组织学检查则需处死动物并取出结肠进行分析¹。尽管具有上述优势，小鼠内窥镜技术的应用尚未广泛普及，其推广受到缺乏标准化操作流程和病理发现评分系统等因素的限制。若能规范实施，小鼠内窥镜技术有望极大促进我们对多种慢性胃肠道疾病动物模型（包括炎症性肠病、结肠炎和结直肠肿瘤）的理解与表征。

小鼠内窥镜技术的应用价值取决于其可重复性和客观性，这要求建立标准化的检查流程，以及一致、非冗余且可靠的肠道病理学评分系统。目前已发表至少三种用于评估小鼠结肠炎^4-6以及结肠肿瘤^4,7,8的描述性评分系统。然而，这些已报道的方法和评分系统在不同研究之间难以直接比较。在许多情况下，病变分类所采用的标准缺乏明确定义；即使提供了标准，其内容也存在显著差异。此外，目前尚无报道将结肠炎与肿瘤这两种常见且可能同时发生并相互影响预后的结肠病理整合到单一评估工具中的评分系统。最后，现有的结肠炎内窥镜评分系统通常采用炎症分级类别，其区分能力有限（即. 评分选项狭窄，整数尺度通常为1-4），难以准确反映疾病进展过程，也不利于参数统计分析的应用。

本文中，我们描述了使用软性内窥镜评估小鼠结肠炎严重程度及结肠肿瘤的方法。 并描述利用该技术对肛周区域、直肠及远端结肠进行解剖学评估的标准化操作流程。我们展示了内镜检查过程中有效的故障排除方法，以最大限度减少组织损伤和图像伪影，并基于已验证并发表的临床参数，描述了一种可重复的评分系统。该评分系统整合了对肠道炎症和肿瘤的评估，具有高度区分能力，包含12个炎症分级、肿瘤定位与绘图选项，以及一种新颖的十进制单位系统（即十进制标识符），用于突出具有特定诊断价值的发现即 肿瘤发展，内镜检查期间的并发症， 等等。）。使用小数标识符可快速追踪相关数据集，以便进行后续深入分析。最后，我们在多种小鼠结肠炎及结肠炎相关癌症模型中对评分系统进行信度和效度检验（包括葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎， 艰难梭菌 感染，以及氧化偶氮甲烷/DSS诱导的结肠癌。

方案

1. 内窥镜系统的设置

1. 按照制造商的说明，在对小鼠进行麻醉前设置好内窥镜系统。本方案使用专为人类设计的视频输尿管镜（图1）。插入管的外径为9.9 Fr（3.3 mm），远端为8.5 Fr（2.8 mm），器械通道的内径为6 Fr（1.2 mm）。
2. 尽管尚无证据表明内窥镜的使用与疾病传播相关[9]，但在处理产孢微生物时，仍应使用70%乙醇¹⁰ 或适当的消毒技术对内窥镜和镜头进行灭菌。准备抑菌性无菌润滑剂和不损伤表面的擦拭纸巾，以浸润内窥镜尖端。
3. 将一个装满空气的3 ml 注射器（或合适的CO₂ 气体混合物）连接到器械通道的顶端。
4. 打开电源，并在正常白光下设置白平衡，如适用，同时设置窄带成像（NBI）模式。自2001年以来，NBI因其能够突出黏膜表面的细微血管结构（包括具有特征性异常血管化的溃疡性和肿瘤性病变）而提供诊断成像优势¹¹。NBI滤光模式将捕获光的波长限制在390–445 nm和530–550 nm范围内，从而突出含血红蛋白的结构。
5. 打印评估评分表（图2）以记录观察结果。在检查前熟悉正常的和NBI图像（图3A），以及各项标准的定义和分级（见第6.1节）。
6. 如需进行染色内镜检查，可制备基于染料的磷酸盐缓冲液（PBS）溶液。染色内镜检查中，使用染料作为对比介质以凸显黏膜变化。可使用亚甲蓝（0.1–1%）和靛胭脂（0.1%）溶液（图3B）。需注意，亚甲蓝是一种氧化还原剂，可能产生氧化性自由基、导致氨基酸残基间接交联以及DNA降解¹²，从而可能干扰样本分析。

2. 小鼠的全身麻醉

1. 选择麻醉剂及给药途径。就药物对免疫系统及研究目标可能产生的干扰，咨询动物资源中心或机构动物护理与使用委员会（IACUC）的兽医。某些药物可能影响动物（包括啮齿类动物）的细胞因子谱表达。¹³使用可注射的三溴乙醇进行终末操作 或使用异氟烷进行可存活内窥镜检查，并设置适当的对照组。
2. 诱导时，在100%氧气中给予4-5%的异氟烷，流速为0.2-0.5 L/min；维持时使用0.5-2%。该方案并非适用于所有动物。请咨询您所在机构的兽医以获取正确的指导和培训。须遵守相关IACUC建议，以达到动物福利的最高标准。确保小鼠已完全麻醉。
3. 将麻醉后的小鼠以仰卧位或俯卧位固定于支撑台表面 使用实验室胶带固定。注意内窥镜屏幕上解剖方位的朝向。固定其下肢和尾部。也可在胸部放置一条胶带以防止动物脱离呼吸机，但应避免限制胸廓的通气运动。

3. 详细的内镜检查

1. 在将内窥镜插入直肠之前，先检查肛周是否有病变，然后通过肛门推进内窥镜。
2. 用无菌外科润滑剂涂抹内窥镜。注意不要涂抹到CCD（电荷耦合器件）传感器表面。
3. 插入内窥镜并开始录像。录制的视频可用于检查后对内窥镜表现进行细致评估。尽量缩短内窥镜操作时间，以最小化对肠道/黏膜的刺激。
4. 使用注射器注入空气，缓慢撑开肠壁。根据小鼠体型，注入1–2 ml 空气。避免过度充气，否则可能导致麻醉小鼠出现呼吸困难甚至死亡。
5. 在用空气或轻柔旋转内窥镜清理通路的同时，向前推进内窥镜。若无法看到肠腔，则不应继续推进。此阶段可能发生穿孔或直肠/结肠撕裂，尤其是在幼龄小鼠（<8–10周龄）中。必要时拍摄图像。
6. 随着内窥镜前进，评估是否存在自发性出血（定义为非创伤性内窥镜操作引起的自然 发生的黏膜出血）。当内窥镜进入直肠和结肠时，可观察到自发性出血。
7. 评估结肠壁的透明度。透明度是指能够观察到结肠壁内血管及其他周围脏器血管的能力（图4）。轻柔移动内窥镜（前后、顺时针、 逆时针旋转）有助于判断在周围脏器背景下是否可见血管。也可观察到肠系膜脂肪组织。注意观察位于盆腔内的直肠是否比腹腔内的结肠壁透明度更低。
8. 检查并确定局灶性病变的类型和数量（水肿区域、糜烂、溃疡、肿瘤样肿块）。这些结果将使用已建立的结肠炎症评分及小数标识符记录在评分表中。
9. 当内窥镜到达结肠向尾侧弯曲进入近端结肠的区域后，缓慢撤出内窥镜，并观察是否存在接触性出血（由内窥镜推进或退出时因黏膜脆性增加所致）。无需故意刮擦结肠表面。健康的结直肠黏膜在规范的内窥镜检查后不应出血。

4. 活检

1. 当需要进行活检时，将活检钳通过内窥镜的专用操作通道插入。在内窥镜屏幕上监测活检钳的推进过程，以防止肠穿孔。
2. 将活检钳的钳杯张开至约60–80°的杯间角度，并对准目标区域。过度张开活检钳或施加过大压力可能导致夹取过多层肠组织，从而引起活检所致的健康透明肠壁穿孔。若发生穿孔，应根据IACUC建议，在麻醉状态下对动物实施安乐死。穿孔可导致内毒素血症和腹膜炎。
3. 闭合活检钳的钳杯，并在保持闭合状态下将其抽出。
4. 通过使用对组织和活检钳均温和的溶液冲洗组织，将标本从活检钳上移除。RNA later和PBS是常用的处理溶液；必要时可使用针头将样本剥离。避免损伤活检钳的钳杯或切割边缘。

5. 麻醉复苏

1. 检查完成后，为小鼠提供温暖的环境直至其恢复。可使用电灯或设定为37 °C的加热垫。避免过热；外周血管扩张会影响动物恢复。密切监测小鼠直至完全恢复。

6. 带有小数标识符的结直肠健康综合内镜评分系统

1. 使用评分表（图2）以及下方的参数定义（小鼠结直肠炎症和肿瘤的内镜评估：基于小数加权评分系统的参数定义及操作规程）作为示例，并可选择性参考“远端-近端结肠炎评分系统”（D-PECS），以实现无偏倚的评估和详细的记录。
2. 根据评分表（图2）中列出的四项结直肠炎症参数进行评分。仔细评估肛周区域、肠壁透明度、肠道出血类型（如存在），以及局灶性病变（糜烂性、溃疡性 和/或肿瘤性）的存在与否及其数量。
3. 出于研究目的评估肿瘤时，应检查其数量、位置和大小，并利用评分表上的结肠定位图和柱状图进行描述。所得各项评分的数值总和以及病变数量（如适用）将用于确定结肠基础炎症程度、最主要病变类型及病变总数。

结果

本研究中所展示的实验方案和图像采用 Olympus URF-V 软性内窥镜¹⁴ 和 NBI^11,15 制备。视频图像以 MPEG-2 格式保存，图片则保存为 JPG、TIF、PNG 或 DICOM 格式，最大分辨率为 1,280 × 1,024 像素，并可转移至标准 USB 闪存盘。NBI 可增强含血红蛋白组织的视觉对比度。白光与 NBI 成像对于展示结直肠黏膜的正常解剖结构，以及在溃疡和肿瘤形成过程中正常与异常血管化之间的差异具有重要意义（图 3A 和 图 6A）。在染色内镜检查中使用亚甲蓝作为对比剂的图像显示了其在近景成像中的优势，能够清晰呈现结肠隐窝正常的蜂窝状表面结构（见 图 3B 放大图）。

迄今为止，我们已根据本方案成功实施了500余例小鼠内窥镜检查，其中约10%为重复检查。通常情况下，整个操作过程耗时10至15分钟，麻醉给药、内窥镜检查及麻醉恢复各占约一半时间。检查范围自肛门起至远端结肠的脾曲。在部分实验中，我们在组织取材进...

讨论

关于小鼠内镜技术的改良与故障排除，有若干注意事项。使用软式内镜时，需掌握的关键操作包括调节注气量，以防止小鼠腹部膨胀及呼吸功能受损，以及通过协调角度和扭转控制来实现视野调控等细微技术要点。扭转控制对于最大限度降低肠穿孔风险至关重要。若操作得当，小鼠软式内镜可成为一种非常安全、快速的操作，能够直接观察并获取研究关注的肠道区域的活检样本。

为解决因粪便造成的视野遮挡问题（图5），需要明确的是，即使在禁食或使用泻剂后，通常仍可观察到粪便颗粒。当存在粪便时，可通过轻柔的充气将其向近端移动。约11%的情况下，还需使用1 ml 的PBS灌肠。在实施灌肠前，若动物表现出腹部膨胀或可能怀孕，应谨慎检查。对于肠蠕动现象，应在充气后等待数秒，待蠕动波通过后再继续操作，因为充气并不能停止肠蠕动。

迄今为止，用于评估小鼠肠道疾病的内镜评估系统大多仅针对结肠炎或癌症中的一种。鉴于这两种情况常同时发生且可能相互影响，建立一种同时考虑炎症和肿瘤形成的标准化评分系统将极大促进跨学科交流，从而提升癌症研究人员在胃肠道...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
异氟烷，USP	Webster Veterinary
外科润滑剂	Savage Laboratories	Surgilube，0281-0205-45
磷酸盐缓冲液	Thermo Scientific	SH30256
RNA later	Ambion	AM7021
1% 亚甲蓝水溶液	Fisher Science Education	S96393
可弯曲数字输尿管镜	Olympus America	URF-V
视频系统中心	Olympus America	VISERA Pro OTV-S7 Pro
氙灯光源	Olympus America	VISERA Pro CLV-S40 Pro
视频记录仪	MediCapture, Inc.	MediCap USB200
可弯曲活检杯状钳	Olympus America	FBC-3115
麻醉机	Euthanex Corporation	EZ-7000 Classic System