新生儿卒中是导致早期脑损伤的重要原因,需要建立具有稳定局灶性损伤模式和高可重复性的转化模型以开展相关研究。本研究详细描述了在足月等效啮齿类动物中建立非出血性单侧局灶性缺血-再灌注损伤的手术操作步骤。
新生儿卒中是导致早期脑损伤的重要原因,需要建立具有稳定局灶性损伤模式和高可重复性的转化模型以开展相关研究。本研究详细描述了在足月等效啮齿类动物中建立非出血性单侧局灶性缺血-再灌注损伤的手术操作步骤。
已有多种动物模型被用于研究未成熟和成熟大脑中的缺氧缺血性损伤、创伤性损伤、全身性缺氧或永久性缺血。中风在人类围产期较为常见,而短暂性缺血-再灌注是新生儿中风最常见的形式。再灌注阶段是损伤进展(可持续数天至数周)以及机体对损伤的内源性反应的关键组成部分。这种出生后第10天(p10)大鼠的短暂性大脑中动脉闭塞(tMCAO)模型可产生单侧、非出血性的局灶性缺血-再灌注损伤,可用于研究足月儿等效脑组织中局灶性损伤与修复的机制。tMCAO所导致的损伤模式具有一致性和高度可重复性,可通过磁共振成像(MRI)或组织学分析加以确认。通过调整闭塞时间及其他将在下文讨论的方法,可调控损伤的严重程度。
新生儿期卒中是导致死亡和残疾的重要原因,每2300例活产婴儿中就可能发生1例1。该病症可导致中枢神经系统发育异常以及长期发病率升高,包括癫痫、脑性瘫痪、智力障碍及其他类型的运动或认知功能障碍发生率增加。早期卒中的终身影响使得转化性动物模型对于研究此类人群中的损伤与修复机制至关重要,包括保护受损大脑或促进修复的策略研究。
已采用多种缺血模型来研究成年动物的脑损伤,而Rice-Vannucci(改良Levine)2方法常用于研究发育中脑组织的缺氧-缺血性损伤。相比之下,局灶性缺血-再灌注是一种独特的损伤机制,可导致局灶性损伤,其特征为存在损伤核心、半暗带以及未受损的远端脑组织。Koizumi3和Longa4模型是在成年大鼠中建立的,分别通过颈总动脉(CCA)和颈外动脉(ECA)实现短暂性大脑中动脉闭塞。在这两种模型中,对动脉分支进行永久性结扎和电凝至关重要,这有助于减少术中出血并简化手术流程,但也会对动物受伤后的摄食能力和体重增长产生不利影响。此外,未成熟脑组织具有独特的损伤机制,并表现出特定的损伤模式。
近年来,光化学血栓性脑卒中(Rose-Bengal 法)5 和永久性大脑中动脉结扎6 已被用于研究新生儿及成年脑卒中。光化学血栓性脑卒中和大脑中动脉结扎均会导致脑血流发生永久性改变,从而造成再灌注缺失。再灌注是局灶性损伤发生与发展过程中的关键环节,其伴随兴奋性毒性增强、自由基生成以及一氧化氮产量增加,进而引发延迟性细胞死亡,涉及与缺血期不同的信号转导通路7。缺氧-缺血模型则通过单侧颈总动脉永久结扎后施加全身性低氧实现,该模型在致伤机制上也不同于人类缺氧-缺血性损伤,且无法产生一致的局灶性损伤模式,使得对损伤核心区及半暗带的研究更加困难。
我们先前已描述了一种在未成熟大鼠中建立的非出血性缺血-再灌注脑卒中模型,该模型采用短暂性大脑中动脉阻塞(MCAO)方法8,9,10。该方法为微创操作,通过颈内动脉途径对大脑中动脉进行暂时性阻塞,无需永久结扎或电凝。该模型所导致的脑损伤与围产期脑卒中最常见的病因相似11,12。这种缺血-再灌注损伤模型可导致同侧纹状体及顶颞皮层受损。该tMCAO模型还可通过调节阻塞持续时间来控制损伤的严重程度。对损伤核心区与半暗带、以及未损伤的同侧和对侧脑组织中的信号通路和组织学变化进行研究,有助于进一步阐明未成熟脑组织中损伤与修复的机制。本研究将展示这一针对发育中脑组织的重要损伤模型。
所有动物实验均经加州大学旧金山分校动物研究委员会批准,并依照相关规范进行。 实验动物护理和使用的指南 (美国卫生与公共服务部,出版物编号85-23,1985年)。动物由经AAALAC认证的加州大学旧金山分校机构动物护理与使用委员会(IACUC)的兽医密切监测。获取一只8日龄幼崽的雌性Sprague-Dawley大鼠(每窝10只幼崽)。母鼠及其幼崽均提供食物和饮水 随意摄取 在中国台湾,根据IACUC方案,幼崽在温度和光照受控的动物护理设施中饲养,并每日进行环境丰富化,直至出生后10天。本操作中使用的所有外科器械均经过高压灭菌以确保无菌。手术过程中始终保持器械尖端的无菌状态。
1. 大脑中动脉闭塞
2. 再灌注
注意:阻塞持续 3 小时,以造成涉及纹状体和皮层的中至重度损伤。
tMCAO 造成的损伤严重程度高度依赖于阻塞时间和外科医生的操作经验。90 分钟的阻塞通常产生轻度至中度的损伤模式,而 3 小时则导致中度至重度的损伤。损伤严重程度可通过多种方法进行评估,包括 MRI、组织学检查或短期或长期的行为学分析。图 2 展示了在 90 分钟阻塞过程中 75 分钟时进行的 DW-MRI 示例,证实了同侧半球的缺血性损伤。弥散加权成像显示,在急性缺血期,同侧纹状体及同侧皮层的大部分区域弥散增强,而对侧无相应改变。这与涉及皮层和深部灰质的中度长期损伤程度相一致。
大脑中动脉阻塞会导致细胞死亡,轻度损伤时始于纹状体,随着阻塞时间延长和损伤加重,皮质和海马的损伤逐渐加剧。在优化手术技术(例如确定缝线插入长度)过程中,强烈推荐使用磁共振成像(MRI),因其可确认缝线位置是否正确,并可在阻塞期间可视化水肿及损伤进展。14,15,16如果无法进行 MRI 检查,H&E 或焦油紫染色是简单可靠的组织学方法,可用于确定损伤形态,并可在tMCAO后早期和晚期时间点均适用。 图3 在3小时闭塞后,组织病理学检查显示同侧纹状体和皮层出现中度至重度损伤模式,表现为囊肿形成及体积增大。
通过无偏立体学方法定量分析经焦油紫染色的脑切片,计算同侧与对侧半球体积的比值,以确认同侧缺血-再灌注损伤。具体而言,使用 Euthasol 麻醉动物后,经心脏灌注 0.1 M PBS 中含 4% 多聚甲醛的固定液获取脑组织。经 4% 多聚甲醛过夜后固定并置于 30% 蔗糖溶液中平衡后,将整个脑组织以 50 µm 间隔连续切片,每隔第十二张切片被选中并贴片,随后用焦油紫染色10。
即使损伤较轻,在闭塞期间也会出现运动功能改变,例如环形行走和偏瘫。当损伤更为严重时,这些改变将在再灌注后持续存在。可采用其他行为学测试来评估损伤的严重程度,包括用于感觉运动功能评估的转棒试验或圆筒直立试验,以及用于认知功能评估的莫里斯水迷宫试验。13.

图1: 大脑中动脉阻断(tMCAO)手术的实时手术图像。 (A)第一根缝线环绕颈内动脉(ICA),如步骤1.6所述。(B)打结第一根临时结扎线并牵拉颈内动脉。第二根缝线在第一根缝线外侧环绕颈内动脉,如步骤1.9所述。(C)将涂有硅胶的阻塞缝线插入动脉切开部位,如步骤1.12所述。(D)打结第二根临时结扎线以固定阻断器位置,如步骤1.14所述。比例尺 = 1 mm。

图2: 阻塞期间的MRI显示适当的单侧损伤。 在90分钟阻塞期间进行的弥散加权MRI(DW-MRI)从前至后的冠状位图像切片,显示同侧半球弥散增强(箭头),符合急性期持续发生的缺血性损伤。经《Stroke》11许可转载。请点击此处查看此图的放大版本。

图3: 经大脑中动脉闭塞(tMCAO)后4周涉及纹状体和皮层的单侧损伤。 从P38动物获取的后向前排列的焦油紫染色冠状脑切片(每片50 µm),显示在P10时经历3小时tMCAO后出现较严重的损伤(箭头指示同侧囊腔形成以及皮层和纹状体体积减小)。左侧的圆形孔洞用于标识对侧半球。比例尺 = 5 mm。经《疾病神经生物学》12许可重印。 请点击此处查看该图的高清版本。
方案中的关键步骤
首先,在从麻醉开始直至完全恢复的整个过程中,维持正常体温至关重要,因为低体温17和高体温18均已被证实会对未成熟和成熟动物脑损伤的进展产生影响。其次,在固定动物并牵拉切口时,必须进行最佳体位摆放,以便监测呼吸,并确保气管未受压迫。第三,应避免挤压或牵拉迷走神经,以免因迷走神经刺激引起心率改变。第四,由于在动脉切开术中需要牵拉颈内动脉(ICA)以控制出血,因此必须注意牵拉时的张力程度,以防损伤动脉。若因牵拉导致动脉撕裂,或动脉切口质量不佳,应将该动物排除在分析之外,因其存在出血和再灌注不良的风险。
修改与故障排除
以磁共振成像(MRI)作为引导,可优化缝线长度,以确保硅胶头端恰当地阻塞大脑中动脉(MCA),从而产生局灶性缺血。若无法获得MRI,可在再灌注前处死幼鼠,进行解剖以观察缝线位置,并根据需要调整缝线长度。幼鼠体重与阻塞所需缝线长度高度相关。可通过调整阻塞时间来改变损伤程度的严重性。
此外,缝线的形状和长度至关重要。根据我们的经验,对于体重为 19–21 g 的 P10 Sprague-Dawley 和 Long Evans 大鼠,插入长度以 10 mm 为最佳。若进一步插入阻塞缝线,可能导致大脑中动脉(MCA)穿孔。此外,每次手术中阻塞丝线形状的一致性将提高损伤模式的一致性19,20。因此,我们建议使用专为此用途制造的专业缝线。还需注意的是,由于操作技术上看似微小的差异,不同操作者之间的损伤模式可能有所不同。
该技术的局限性
在小型发育期啮齿类动物中实施该技术需要丰富的经验。若操作得当,外科医生能够在不同体型的动物中造成高度一致的损伤模式,并实现超过95%的存活率。此外,合适的外科器械至关重要。手术器械必须得到良好维护,以确保所有器械尖端能够准确贴合。
该技术相对于现有或替代方法的重要性
尽管缺氧缺血(即Rice-Vannucci模型2)最常用于研究发育中大脑的缺氧缺血性损伤,但需要注意的是,该tMCAO模型与缺氧缺血(HI)不同,其特点是存在短暂的局灶性缺血而无全身性缺氧,随后在阻塞解除、血流恢复时进入再灌注阶段。这种方法可导致更一致且可重复的损伤,且在临床转化方面更具优势,因其造成的损伤模式与足月新生儿脑卒中所见的损伤模式相似。这使得研究人员能够研究局灶性损伤模式以及未受损组织中的代偿性反应。
掌握此项技术后的未来应用
该模型类似于人类新生儿卒中最常见的病因,即围产期发生的短暂阻塞性血栓11,21。其病因尚不完全明确,极有可能是多因素所致,但在大多数情况下被认为是由来自胎盘的栓子通过所致11。此外,许多疑似围产期卒中的新生儿常表现为后期癫痫发作或轻微的局灶性神经系统检查异常22。因此,采用一种稳定且具有转化意义的损伤模型,以明确损伤进展的机制并探索可能的治疗策略,显得至关重要。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由NIH K08 NS064094和加州大学旧金山分校(UCSF)REAC基金资助。作者感谢Nikita Derguin、Zinalda Vexler和Joel Faustino在本技术开发过程中提供的帮助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 异氟烷 | Henry Schein | 50033 | 麻醉剂,使用浓度为3% |
| 三目手术显微镜 | World Precision Instruments | PSMT5N | |
| 加热垫 | Sunbeam | 000731-500-000 | 低至中等档位 |
| 红外测温仪 | Extech Instruments | 72-5270 | |
| 小型动物牵开器套装 | Fine Science Tools | 18200-20 | |
| CermaCut 剪刀 | Fine Science Tools | 14958-09 | |
| Dumont #5SF 镊子 | Fine Science Tools | 112522-00 | 2个 |
| Dumont #5/45 镊子 | Fine Science Tools | 11251-35 | 2个 |
| B-2 微型夹钳 | Fine Science Tools | 00398-02 | |
| 用于夹钳操作的持钳器 | Fine Science Tools | 00072-14 | |
| 微型Vannas剪刀 | Fine Science Tools | 15000-03 | 2 mm 刃口 |
| 阻断缝合线 | Doccol | 602123PK10 | 701712PK5Re |
| 尺子 | Fine Science Tools | ||
| 止血剂 | Avitene | DVL1010590 | |
| 6-0 Perma-Hand Silk 反向切割缝线 | Ethicon | 769G | |
| 戊巴比妥钠安乐死溶液(Euthasol) | Virbac | 710101 | 0.22 mL/kg |
| 棉签 | Henry Schein | 100-9249 | |
| 实验室胶带 | VWR | 89097-990 |