开放气管切开胃酸误吸小鼠急性肺损伤模型可诱导最大程度的急性非致死性肺损伤

摘要

本方案在小鼠中诱导急性肺损伤，其病理发生过程与人类观察到的酸性肺炎高度相似。我们通过开放式气管造口术结合环周压力释放，产生最大程度的急性非致死性低pH肺损伤，并考虑了啮齿类与人类在呼吸系统解剖结构上的差异。

摘要

酸性肺炎是人类无菌性急性肺损伤（ALI）的主要病因之一。酸性肺炎的临床表现从无症状到急性呼吸窘迫综合征（ARDS）不等，其特征为中性粒细胞性肺泡炎以及肺泡上皮和血管内皮的损伤。临床上，ARDS 的定义包括急性起病的低氧血症、双侧斑片状肺部浸润影以及非心源性肺水肿。人类研究已为我们提供了关于 ARDS 所致肺部生理及炎症变化的宝贵信息，从而提出了多种关于其潜在机制的假说。然而，由于难以确定 ARDS 的病因，以及其病理生理过程的多样性，导致缺乏可用于制定治疗策略的关键信息。

当动物模型的发病机制和病理生理学能够准确再现体外实验和临床环境中已证实的概念时，这类转化型动物模型具有重要价值。尽管大型动物模型（例如，绵羊）在气管-支气管树的解剖结构上与人类具有相似性，但小鼠模型具备诸多其他优势，包括：成本低；繁殖周期短，有利于获取更多数据；免疫系统研究较为深入；基因组特征明确，因而可获得多种基因敲除和转基因品系。一个可靠的低pH值诱导的急性呼吸窘迫综合征（ARDS）模型需要建立一种主要靶向肺泡上皮、次要靶向血管内皮以及通向肺泡的小气道的小鼠急性肺损伤（ALI）模型。此外，该模型应具有可重复的损伤效果，并且在不同致伤与非致伤刺激之间表现出显著差异。

本文介绍的小鼠胃酸吸入模型采用盐酸，通过开放性气管切开术，模拟了可再现人类低pH值肺炎性损伤的致病情况。此外，该模型还可用于研究低pH值损伤与其他肺部有害因素（例如，食物颗粒、致病菌）之间的相互作用。

引言

急性呼吸窘迫综合征（ARDS）以广泛的肺部炎症为特征，临床表现为急性呼吸急促伴低氧血症。这些症状通常在创伤、脓毒症、输血相关反应或误吸等诱因发生后24小时内出现。其组织病理学特征为中性粒细胞肺泡炎（即，广泛性炎症），主要累及肺泡上皮和血管内皮，导致蛋白质渗漏，进而形成透明膜。误吸可分为化学性肺炎或吸入性肺炎。¹ 胃内容物误吸中的酸性成分既可引起化学性肺炎，也易导致继发性细菌性肺炎的发生。吸入性肺炎是急性肺损伤（ALI）及随后发展为ARDS的主要危险因素之一。²

胃内容物吸入是一种急性事件，定义为将胃内物质（无论是否含有口咽部菌群）吸入至声门以下的气道。吸入物可能包含低pH值的胃液、细菌、血液或食物颗粒。胃内容物吸入常发生于重症监护病房（ICU）患者，这些患者通常处于禁食状态，因此常使用质子泵抑制剂以减少酸性胃内容物的吸入。在美国，ICU人群中急性肺损伤（ALI）的发生率比普通患者人群高2.5至5倍。³ 不幸的是，这些易感因素常导致胃内细菌过度生长，可能在吸入事件后引发更严重的肺部后遗症，因为胃内容物吸入是继发性细菌性肺炎（SBP）、急性肺损伤（ALI）和急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的独立危险因素。

胃内容物吸入主要包括两个主要成分：盐酸和胃内容物，后者可能含有细菌或食物颗粒，也可能不含有。在啮齿类动物模型中，仅胃酸成分即可因低pH值对气道上皮造成直接腐蚀性损伤，从而引发初始的炎症反应。随后在4–6小时出现中性粒细胞浸润及炎症反应⁴。这两个因素最终导致肺微血管完整性的破坏，进而引起液体和蛋白质渗出至肺泡和气道中。为了理解这一病理生理过程，并进一步研究可能的治疗干预措施，建立并表征能够阐明相关潜在机制的动物模型至关重要。单独的酸性吸入物必须具备足够大的体积或足够低的pH值，才能超越呼吸道的缓冲能力并到达肺泡。如果未能满足这一条件，则仅会发生短暂的上段传导性气道损伤，较不易发展为急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的严重后果⁵。

为了准确模拟伴有肺泡上皮损伤的误吸事件，必须绕过动物的自然防御机制。使用小鼠误吸模型来诱导急性肺损伤（ALI），以模拟人类中常见的胃酸损伤时，必须考虑气管-支气管树的种间差异。本方法采用的开放式气管造口技术，可规避小鼠与人类呼吸树结构之间的差异，以在生理学和组织病理学层面均能重现ALI。传统上，经气管插管被用于诱导ALI，但在小鼠中实施该操作易造成喉部损伤，技术难度较高。因此，本方法提供了一种潜在的替代方案，已在多位研究人员中获得一致的结果，且手术相关死亡率极低。

方案

在开始操作前，需准备好所有材料和设备，并进行充分整理。操作过程中应确保各步骤之间无缝衔接，以获得一致且可重复的数据。本方案遵循布法罗退伍军人事务医疗中心机构动物护理和使用委员会制定的机构政策。
注意：本方案使用雄性和雌性C57BL/6小鼠。两性之间的白蛋白渗漏无显著差异。

1. 盐酸的配制

1. 配制 56.2 mM 盐酸_无菌的 通过加入281 µ将1 N HCl加入4.72 mL无菌生理盐水（SNS）中至总体积为L，用1 N HCl滴定至pH 1.25（≈ 0 - 50 µL)
2. 在损伤前新鲜配制此溶液。由于低pH值SNS未经过缓冲，可确保盐酸造成的损伤作用是短暂的。

2. 麻醉与气管暴露技术

注意：确保在配备活性炭过滤装置以清除麻醉气体的通风橱内进行损伤操作。由于这是存活手术，维持无菌条件至关重要。操作每只动物前，需佩戴无菌手套，并使用玻璃珠外科器械灭菌器对所有器械进行灭菌。建议使用手术巾隔离手术区域，以保持无菌状态。使用异氟烷作为麻醉气体，因其在血液中的气体溶解度相对较低，可实现快速麻醉诱导以及损伤后快速恢复。

1. 首先，在氧气流速为2 L/min、异氟烷浓度为2.75%的麻醉诱导舱中进行麻醉诱导。
2. 当小鼠被充分麻醉后（对足以不破坏皮肤或造成深层组织损伤的脚趾夹捏无反应），用一根长约15 cm的1-0编织丝线穿过其上切牙，将小鼠仰卧位悬吊于60^o 倾斜解剖板
3. 通过鼻罩输送异氟烷，确保手术过程中麻醉持续维持。在小鼠眼部涂抹兽医用眼膏，以防止角膜干燥。
4. 用电动剃须刀剃除颈部腹侧毛发，并涂抹局部消毒液（即，聚维酮碘）。用纱布去除多余的消毒剂，并使其干燥（约15–30秒）。
5. 从胸骨上切迹至下颌下缘，沿颈部正中线浸润100 µ0.5% 布比卡因 L（用于术前、术中及术后镇痛）。
6. 用手术刀或弯头精细剪刀在颈部做一条1-1.5 cm的纵向正中切口。使用两把弯齿镊通过钝性分离穿透唾液腺之间的筋膜膜，暴露气管（以白色软骨环为识别标志）。
7. 仍使用两把有齿镊，夹住气管旁一侧的肌肉组织并将其拉开，同时沿气管旁肌肉纤维纵向分离。
8. 一旦建立解剖平面，继续牵开气管旁肌肉，同时将第二把镊子伸入气管下方。用该镊子夹住一根15 cm长的1-0编织丝线，将其送至镊子尖端，并拉动丝线使其穿过气管后方。

3. 气管内灌注操作步骤

1. 用一支0.5 mL注射器连接22 G针头，先抽取0.2 mL空气，再抽取3.6 mL/kg的盐酸，以制备用于造成损伤的灌注注射器。空气有助于分散灌注液，同时在麻醉给药期间可能已发生肺泡萎陷的区域起到肺泡复张的作用。  
   注意：请遵循当地IACUC关于术后镇痛的指南，并咨询当地兽医。 在使用这种无菌性肺损伤模型之前，需谨慎使用具有抗炎特性的任何镇痛药物。
2. 为实施损伤，首先停止异氟烷的给予。让小鼠的麻醉深度逐渐上升约10至15秒，直至其开始对镊子夹趾产生反应。
3. 立即开始损伤的灌注步骤。如果麻醉过深，动物在损伤灌注后将无法自主呼吸，这一情况在含盐酸的损伤中尤为明显。
4. 让助手挤压肋骨以排出肺活量。
5. 使用先前置于气管周围的1-0编织丝线缝线，向上牵拉以提供牵引力，然后将注射器针头插入气管第一软骨环之间^st 和 2^nd 环状软骨位于喉部下方。针头斜面应朝向术者，并推进至斜面刚好越过气管，且针头尽可能与气管平行。
6. 在注射盐酸前释放胸部，以确保液体能够分散并沉积至远端气道和肺泡。推注过程应持续约0.5–0.75秒。保持针头在气管内，直至动物出现第一次自主呼吸，以确保全部损伤性推注液体被吸入肺内。
7. 使用1-2个皮肤钉或缝线闭合切口。

4. 恢复

1. 使用带有26 G针头的5 mL注射器，皮下注射1 mL SNS至颈部背侧皮肤褶皱处，以进行液体复苏。尽管手术过程中体液丢失极少，但术后小鼠通常饮水减少，可能存在脱水风险。 alternatively, provide SNS 通过 腹腔注射
2. 将小鼠置于37℃的加热舱中 °C 用 100% O₂ 灌注₂确保小鼠充分恢复后再放回饲养笼。在此期间需密切监测动物状态，不得无人看管，直至其能够自主活动并完全恢复。

5. 支气管肺泡灌洗与肺组织处理

1. 按照第2.1步和第2.2步所述诱导并维持异氟烷麻醉。采用第2.2步所述的足趾夹捏法确认麻醉深度是否充分。
2. 将动物仰卧位固定于解剖板上，用1-0编织丝线的一端绕过上切牙并钩住，以伸展颈部。在眼睛上涂抹兽用眼膏，防止角膜干燥。
3. 移除颈部皮肤的皮钉后，用剪刀从下腹壁经先前的颈部切口至下颌，沿中线纵向切开皮肤。
4. 用剪刀在腹膜肌层做正中切口，用纱布牵开腹腔器官以暴露腹膜后间隙。如需采集血液，可从此处的腹主动脉或下腔静脉取血。
5. 通过横断腹主动脉和下腔静脉放血处死动物。在下一步中采用双侧开胸术，将根据IACUC指南完成人道的二次确认性安乐死方法。
6. 穿刺膈肌以引起肺塌陷。然后使用骨剪，在胸骨两侧平行于胸骨处剪除膈肌并切开肋骨 cage，暴露胸腔。使用带锁止装置的止血钳牵开胸骨瓣，以便注入5 mL温热（37℃）的生理盐水。 °C）将含钙和镁的Hank平衡盐溶液注入右心室，以灌洗肺血管系统。
   1. 在进行本文所述操作之前，若需评估外周细胞因子水平，可从主动脉取血；若不取血，则在左心室做一个小切口，以提供必要的血液流出通道，使血液循环充分冲洗肺血管系统。
7. 将解剖板倾斜支撑至60度° 倾斜并采用2.2步骤中所述的操作方法，以利于插入20 G x ½" 将不锈钢套管插入气管，并用1-0缝线固定。
8. 将解剖板水平放置，并进行支气管肺泡灌洗（BAL）。
   1. 进行BAL时，将两个5 mL注射器连接至一个三通旋塞阀。取一支注射器抽取5 mL SNS，旋入旋塞阀的接口。将另一支空的5 mL注射器连接至2^nd 连接三通阀的开口端，并将其开放端连接至第5.6步中放置的气管内套管。向肺内注入1 mL生理盐水，并用第二个注射器进行灌洗。
   2. 重复上述操作，共进行5次，每次注入1 mL生理盐水，注意保持气管插管固定且与气管平行，以免撕裂气管。
9. 用于组织学分析时，按照步骤5.7进行气管插管。以20 cm H₂O压力经气管灌注10%中性缓冲福尔马林固定肺组织。₂O₂ 24 小时。
10. 使用剪刀和镊子在肺门附近横断支气管，小心地摘除每个肺叶。将每个肺叶（共5个）放入组织学包埋盒中，随后进行石蜡包埋。切取5 µ使用切片机对组织样本进行切片，并采用标准组织学技术进行苏木精和伊红染色。⁶ 还可以对组织学切片进行形态计量学分析，以量化炎症的严重程度。⁴
11. 将回收的支气管肺泡灌洗液在4℃下以1,500 × g离心3分钟 °C. 将无细胞的支气管肺泡灌洗上清液等量分装至2.0 mL微量离心管中，用于后续分析。储存于-80℃ °C.
12. 通过ELISA或其他方法分析支气管肺泡灌洗液中白蛋白浓度，或任何其他感兴趣的生物产物。¹¹支气管肺泡灌洗液中的沉淀细胞可用于细胞计数、制备细胞涂片，并使用基于瑞氏-吉姆萨的染色法进行染色，以测定白细胞分类计数，评估肺部的炎症反应。

结果

酸吸入性肺炎小鼠模型的肺组织病理学

小鼠按上述方法造模，在低pH刺激后24小时取出肺组织，切片并进行H&E染色（图1）。可见明显的坏死细胞、肺实质结构破坏、肺泡腔内细胞和碎片聚集，以及大量中性粒细胞浸润。与临床上的误吸相似，本模型导致远端肺泡区域出现异质性损伤，表现为散在的中性粒细胞浸润区域和纤维素样蛋白沉积。这一病理表现与人类急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者在组织学上观察到的模式非常相似。

白蛋白渗漏至气道

酸吸入的一个典型特征是血清蛋白渗漏至气道内。通过检测支气管肺泡灌洗液（BAL）中白蛋白浓度，可评估低pH值对肺泡造成损伤后这一病理性反应的严...

讨论

本研究旨在建立一种使用胃酸吸入的ALI动物模型，该模型能高度模拟人类在酸性肺炎及继发性ARDS发展过程中出现的病理生理变化。在构建模型时，我们选择了一种动物物种，该物种因其成本低、繁殖周期短，以及具有大量研究工具且免疫系统已被充分了解（例如，单克隆抗体、转基因品系）而能够实现高通量数据采集。

在人体中，胃酸吸入后引起的急性肺损伤（ALI）会严重损害肺泡上皮和血管内皮屏障功能，导致血清蛋白渗漏。支气管肺泡灌洗液（BAL）中的白蛋白已被证明是肺通透性的一个敏感标志物，因为其分子尺寸小于其他血清蛋白。此外，白蛋白可通过多种方法进行检测，从比色法到特异性ELISA检测均可应用。^7-9

支气管肺泡灌洗在临床中用于检测肺损伤，因为健康肺部的肺泡腔内仅存在极少量的血浆蛋白和炎症标志物。支气管肺泡灌洗液中血浆蛋白水平升高表明内皮屏障功能受损。¹⁰

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1 cc 注射器	Becton Dickinson	309628
5 cc 注射器	Becton Dickinson	309646
22 G × 1 1/2 针头"	Becton Dickinson	305159
26 G × 1 1/2 针头"	Becton Dickinson	305111
1-0 编织丝线缝合线	哈佛仪器公司	517730
3" 弯曲组织齿镊	精细科学工具	11065-07
3" 弯曲组织 "带齿的" 镊子，1 × 2 齿	Fine Science Tools	11067-07
4" 弯头显微解剖剪	Fine Science Tools	14061-10
骨剪弹簧剪	Fine Science Tools	16144-13
3 1/2" 弯型锁扣止血钳	Fine Science Tools	13021-12
一次性皮肤缝合器	3M	DS-25
气管插管（20 号 × 1/2 英寸）" 不锈钢管适配器	Becton Dickinson	408210
60度倾斜解剖板
0.5% 布比卡因
异氟烷
聚维酮碘和 "棉签" 棉签