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方法文章

基于球囊损伤诱导小鼠腹主动脉内膜增生

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DOI：

10.3791/56477

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2018年2月7日

 ,  ,  ,  , 
1Transplant and Stem Cell Immunobiology Lab, University Heart Center, 2Department of Surgery, Transplant and Stem Cell Immunobiology Lab, University of California San Francisco (UCSF), 3Cardiovascular Research Center (CVRC) and DZHK German Center for Cardiovascular Research, 4Cardiovascular Surgery, University Heart Center

本文内容

摘要

本文展示了一种小鼠模型，用于研究主动脉球囊损伤后肌性内膜增生（MH）的发展过程。

摘要

动物模型的使用对于深入理解动脉狭窄的主要病因之一——内膜增生（MH）至关重要。本文介绍了一种小鼠球囊去内皮损伤模型，该模型与已在大型动物中建立的血管损伤模型具有可比性。利用球囊导管进行主动脉去内皮操作能够模拟临床实际情况，并引发类似的病理生物学和生理学改变。简言之，在对腹主动脉（aorta abdominalis）做一横向切口后，将球囊导管插入血管并逆行推进，随后充盈球囊。球囊充盈会导致内膜损伤及血管过度扩张。取出导管后，以单针缝合方式关闭主动脉切口。本文所述模型具有良好的可重复性，操作简便，且能够快速、可靠地建立。该模型尤其适用于评估价格昂贵的实验性治疗药物，因其可实现经济高效的药物应用。通过使用不同的基因敲除小鼠品系，还可评估特定基因在内膜增生发展过程中的作用。

引言

冠状动脉和外周动脉的动脉狭窄对患者的发病率和死亡率具有重大影响1。其中一种潜在的病理机制是肌性内膜增生（myointima hyperplasia, MH），其特征是血管平滑肌细胞（SMC）增殖、迁移以及细胞外基质蛋白合成增加2。SMC 位于血管的中膜层，在受到刺激后会迁移至管腔表面。刺激信号包括生长因子、细胞因子、细胞间接触、脂质、细胞外基质成分以及机械性剪切力和牵张力3,4,5,6。血管壁的损伤（无论是病理性的还是医源性的）均可导致内皮细胞和平滑肌细胞受损，并引发炎症反应，从而导致 MH7。

目前有多种动物模型可用于研究动脉损伤和内膜增生。猪或狗等大型动物具有与人类相似的动脉和冠状动脉解剖结构，特别适用于血管成形术技术、操作过程及器械的研究8。然而，猪模型存在血栓形成倾向较高的缺点9,10，而狗对血管损伤的反应较轻微11。此外，所有大型动物模型都需要特殊的饲养环境、设备和专业人员，相关成本高昂，且并非所有机构都能具备这些条件。小型动物模型包括大鼠和小鼠。与大鼠相比，小鼠具有成本较低以及存在多种基因敲除模型的优势。本视频中描述的模型可与喂食西方饮食的ApoE-/-小鼠结合使用，以更贴近模拟在动脉粥样硬化血管中进行血管成形术的临床情况12。以往的模型通过导丝损伤13、液体干燥法14、弹簧损伤15或套管损伤16来诱导血管损伤。由于损伤的性质会显著影响内膜增生（MH）的发生和发展，使用球囊导管诱导血管损伤是模拟临床情况的最佳方法。

本文介绍了一种在小鼠中使用球囊导管诱导血管成形术后再狭窄（MH）的新型方法。采用带有RX端口的球囊导管（1.2 mm × 6 mm）（图1A），可刮除血管内膜层，同时诱导血管过度扩张。这两个因素均为MH发生的重要诱因。该模型的观察时间为28天17。

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方案

动物饲养和实验遵循由实验动物资源研究所制定、美国国立卫生研究院发布的《实验动物护理和使用指南》中的原则，给予人道护理。所有动物实验方案均经当地主管部门（“汉堡市健康与消费者保护局”）批准。

1. 导管准备

注意：有关导管的信息，请参见材料表。

  1. 从导管架上取下导管。
  2. 从导管远端孔口将导丝从管腔中抽出。
  3. 在导管远端末端滴一滴氰基丙烯酸酯粘合剂。
    注意：佩戴乳胶或丁腈手套。
  4. 将导丝插入导管的RX端口，并沿管腔推进至远端孔口。随后，将导丝略微回撤，使其末端留出约5 mm的空隙。
  5. 等待5分钟，使粘合剂充分干燥。
  6. 移动导丝，检查其是否固定。若导丝仍可活动，请重复步骤1.3至1.6。
  7. 用3 mL注射器抽取1.5 mL 0.9%生理盐水，并连接至球囊充盈端口。
  8. 推动注射器活塞以测试球囊充胀情况。注射器内保留0.6 mL生理盐水。

2. 小鼠准备

  1. 获取14周龄、体重约30 g的雄性小鼠。
    注意：我们使用的动物来自实验动物研究所。本实验中使用的是 C57BL/6J 小鼠。
  2. 使用诱导室通过2.0–2.5%异氟烷（氧气流速500 mL/min）对小鼠进行麻醉。
  3. 将小鼠仰卧于加热垫上，并使用覆盖其口鼻的面罩维持麻醉。通过夹捏后肢足部和尾巴检查麻醉深度，确认无反射反应。
  4. 使用理发器去除腹部毛发。
  5. 展开后肢，并用胶带固定其位置。
  6. 使用聚维酮碘对腹部区域进行消毒，随后使用80%乙醇。重复此步骤两次。
  7. 使用手术巾以确保手术部位不受污染。 沿皮肤和肌肉层切开 白线 用剪刀（或手术刀）剪开以暴露腹腔器官。
  8. 将肠管置于用0.9%生理盐水润湿的手套中，并包裹以保持湿润。
  9. 使用两把精细镊子去除腹主动脉上方的脂肪组织。
  10. 使用胰岛素注射器（30G）向下腔静脉（IVC）注入250 µL肝素溶液（50 U/mL），等待3分钟以使其在体内分布。 肝素将抑制止血并防止手术期间发生不必要的凝血。
  11. 使用两把镊子，解剖肾下主动脉至其分叉处及其发出的分支血管。
  12. 使用高温电灼器结扎预计位于钳夹区域内的侧支血管。
  13. 通过夹闭肾动脉下方的肾下主动脉来阻断血流。
  14. 在主动脉分叉上方的远端位置放置第二个止血钳。
  15. 使用剪刀在血管上两个夹钳之间的中点处做一个小的横向切口。
    注意：切口的大小应相当于血管周长的1/3。
  16. 将一支带有（30G）针头的注射器插入切口，用250 µL肝素溶液（50 U/mL）冲洗主动脉。
  17. 使用10-0缝线，在切口两侧各打一个单结。
  18. 通过将血管扩张器插入切口并轻轻撑开血管来扩张主动脉。重复扩张2至3次。
  19. 用0.9%氯化钠溶液润滑球囊导管。
  20. 将压扁的球囊导管插入主动脉，并向前推进至主动脉近端的血管夹处。
  21. 当到达近端夹钳时，小心打开近端夹钳，并通过注入约 0.6 mL 生理盐水使球囊充气，以防止血液泄漏。
    注意：球囊扩张后直径与血管直径的比值为1.5:1。
  22. 将导管逆行推进约2 cm。
  23. 在回撤扩张后的导管时，通过松开注射器使球囊略微放气。
  24. 当导管到达主动脉切口时，重新夹闭近端夹子。完全放气球囊后将其取出。
  25. 使用30G注射器，以250 µL肝素溶液（50 U/mL）冲洗主动脉。
  26. 使用10-0缝线缝合主动脉切口。在两侧分别缝合间断缝线，随后在腹侧缝合一至两针。
  27. 打开远端夹钳。若发生出血，应重新关闭夹钳并加缝数针。
  28. 小心打开近端钳夹。
  29. 在缝线上放置两根棉签以支撑并止血。
  30. 将可吸收性止血材料置于缝线上以加固。
    注意：切口远端应可见主动脉搏动。
  31. 将肠道放回腹腔内。
  32. 用预热至 37 °C 的无菌 0.9% 氯化钠溶液冲洗腹腔。
  33. 使用6-0连续缝合线缝合腹肌层。
  34. 用5-0连续缝合关闭皮肤。
  35. 在小鼠苏醒前，皮下注射4-5 mg/kg卡洛芬。密切监测动物直至其恢复意识，并保持胸卧位。在完全恢复前，将动物单独饲养于笼中。
  36. 将安乃近（50 mg/100 mL）加入饮水中作为镇痛药物，持续3天，并每天监测动物状况。 小鼠通常喜欢安乃近的甜味，术后会立即开始饮用。如果需要，可使用缓释型注射剂替代安乃近。
    注意：该模型的观察期为28天。

3. 组织病理学

  1. 按照步骤 2.2 至 2.9 所述方法准备小鼠，在术后 28 天收获球囊损伤的主动脉。
  2. 使用剪刀取出球囊损伤的主动脉（范围自分叉处至肾血管上方 0.3 mm），并通过切除心脏处死小鼠。
  3. 用 0.9% NaCl 冲洗血管管腔。
  4. 将收获的血管在 4% 多聚甲醛（PFA）中固定过夜，并用梯度乙醇脱水：依次为 70% 乙醇处理 2 小时、80% 乙醇处理 1 小时、95% 乙醇处理 2 小时、100% 乙醇处理 5 小时。然后将样本在二甲苯中孵育 2 小时，重复 3 次，再进行石蜡浸润。
    注：可选择用 4% PFA 代替 0.9% NaCl 冲洗收获的血管。
    注意：PFA 和二甲苯具有毒性，操作时需格外小心。
  5. 将样本包埋于石蜡中，并使用切片机切成 5 µm 厚的切片。
  6. 用二甲苯脱蜡，每次 5 分钟，重复 3 次。
  7. 使用梯度递减的乙醇对组织切片进行再水化：先用 100% 乙醇处理 2 次，每次 5 分钟，随后依次用 95%、80% 和 70% 乙醇各处理 3 分钟。
  8. 按照文献18所述方法对切片进行马松三色染色（Masson's trichrome staining）。
  9. 染色后的切片用 100% 乙醇脱水 2 次，每次 10 分钟；二甲苯透明 2 次，每次 10 分钟，最后用封片剂封片。
  10. 在明场显微镜下观察切片。使用放大倍数为 5×、数值孔径为 0.12 的物镜拍摄概览图像，或使用放大倍数为 20×、数值孔径为 0.35 的物镜进行详细观察。

4. 免疫荧光显微镜

  1. 使用递减浓度的乙醇对组织切片进行复水处理：先用100%乙醇处理两次，每次5分钟，随后依次用95%、80%和70%乙醇各处理3分钟。
  2. 将切片置于抗原修复液中，在蒸锅中加热20分钟以进行抗原修复。
  3. 让切片冷却至室温。
  4. 用磷酸盐缓冲液（PBS）洗涤切片三次后，向切片上加入抗原封闭液，孵育30分钟。
  5. 用PBS洗涤切片三次，每次5分钟。
  6. 将切片与用一抗稀释液稀释的一抗共同孵育。
    注意：每种一抗应单独确定合适的浓度和孵育时间。
  7. 用PBS洗涤切片三次，每次5分钟，以去除未结合的一抗。
  8. 将切片与用二抗稀释液稀释的预偶联二抗共同孵育。
    注意：每种二抗应单独确定合适的浓度和孵育时间。
  9. 用PBS洗涤切片三次，每次5分钟，以去除未结合的二抗。
  10. 使用4',6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）对细胞核进行复染，孵育15分钟；DAPI的最终浓度应为350 nM。
  11. 使用适用于免疫荧光的封片液封片。
    注意：使用不合适的封片液可能会掩盖荧光信号。
  12. 使用荧光显微镜观察切片，建议采用数值孔径为1.3的40倍物镜。

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结果

球囊剥脱是研究小鼠MH发展的合适模型。动物术后恢复良好，且术后身体状况优异。我们已在50只小鼠中成功建立该模型，手术相关死亡率低于3%。图1B-C展示了关键的手术步骤。沿腹白线（linea alba）做皮肤切口后，辨认腹主动脉（aorta abdominalis）。放置显微外科夹（图1B）。在腹主动脉中部做一小切口，将球囊导管插入血管并逆血流方向推送（图1C）。充气球囊的移动可刮除内膜，同时造成血管过度扩张。主动脉切口需用单针缝合关闭。切口远端应可见主动脉搏动。

移植血管中的移植血管病（MH）随时间推移逐渐进展。Masson三色染色显示内弹力板内出现肌性内膜增生（图...

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讨论

本文展示了一种用于研究内膜增生发展的鼠类模型，可用于探索其潜在的病理过程，并测试新的药物或治疗方案。

该方案中最关键的步骤是主动脉的去外膜操作。在此步骤中需格外小心，因为过度去外膜会导致动脉瘤形成，从而使模型失败；反之，若去外膜不充分，则新生内膜增生过少。因此，去外膜操作的强度对该动物模型的结果和成功至关重要。

在手术过程中，缝合时必须避免刺穿血管的两层管壁，否则可能导致血管通畅性早期丧失。我们此前曾描述过一种小鼠模型，通过该模型可在小鼠腹主动脉中诱导血管狭窄18。然而，该模型及其他大多数模型仅能提供极少量的组织用于分析。本方法的优势在于可获得相对较多的组织（约1 cm长的血管节段）。因此，单个血管移植物可被分割为多个部分，用于多种不同的分析，从而有效减少所需实验动物的数量。

此外，可利用合适的基因敲除动物来研究不同疾病条件下肌性内膜增生的发展。也可将不同的遗传背景与该动物模型相结合，以阐明在多种情况下肌性内膜增生的机制或特...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢 Christiane Pahrmann 提供的技术支持。

D.W. 获得了马克斯·卡德基金会的资助。T.D. 收到了来自Else Kröner基金会（2012_EKES.04）和德国研究基金会（DE2133/2-1_）的资助。S.S. 收到了来自德国研究基金会（DFG；SCHR992/3-1, SCHR992/4-1）的研究资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
10-0 Ethilon 缝线Ethicon2814G
3 mL 注射器BD Medical309658
37% HClSigma-AldrichH1758
5-0 prolene 缝线EthiconEH7229H
6-0 prolene 缝线Ethicon8706H
酸性品红Sigma-AldrichF8129-25G三色染色
抗原修复液DakoS1699
偶氮品红Waldeck1B-103三色染色
Bepanthen 眼鼻软膏Bayer1578675眼用软膏
聚维酮碘溶液Betadine Purdue PharmaNDC:67618-152
C57BL/6JCharles River库存编号 000664
夹钳施加器Fine Science Tools18056-14钳口尺寸：4 × 0.75 mm 长度：13 mm
胶原蛋白 3abcamab7778抗体
DAPIThermo FischerD1306
驴抗山羊 IgG AF555InvitrogenA21432二抗
驴抗兔 IgG AF488InvitrogenA21206二抗
驴抗兔 IgG AF488InvitrogenA11055二抗
驴抗兔 IgG AF555InvitrogenA31572二抗
70% 乙醇Th. Geyer2270
96% 乙醇Th. Geyer2295
无水乙醇Th. Geyer2246
FAPabcamab28246抗体
精细镊子Fine Science Tools11251-20
标准镊子Fine Science Tools11023-10
冰醋酸Sigma-Aldrich537020
毛发修剪器WAHL8786-451A ARCO SE
肝素RotexmedicaPZN 386234025,000 I.E./mL
高温电凝套装Bovie18010-00
Image-iT FX 信号增强剂InvitrogenI36933封闭液
亮绿 SFWaldeck1B-211三色染色
显微外科夹钳Fine Science Tools18055-04微型止血夹 - 4 mm
MINI TREK 冠状动脉扩张导管 1.20 mm × 6 mm / 快速交换Abbott1012268-06U
钼磷酸水合物Merck1.00532.0100三色染色
0.9% NaClB.BraunPZN 06063042 货号：3570160
持针器Fine Science Tools12075-14
诺瓦明磺酸RatiopharmPZN 03530402安乃近
橙黄 GWaldeck1B-221三色染色
石蜡Leica biosystems货号 39602004
PBS pH 7.4Gibco10010023
4% PFAElectron Microscopy Sciences#157135S
丽春红 S 溶液Serva Electrophoresis33427三色染色
一抗稀释液DakoS3022
Prolong Gold 封片液Thermo FischerP36930免疫荧光染色切片封片液
可更换精细尖头BovieH101
Weigert 复红间苯二酚Waldeck2E-30三色染色
RimadylPfizer400684.00.00卡洛芬
剪刀Fine Science Tools14028-10
Vannas 型剪刀Fine Science Tools15000-03
二抗稀释液DakoS0809
快干胶 MINIS 3×1gUHU45370氰基丙烯酸酯
载玻片架Ted Pella21057
SM22abcamab10135抗体
SMAabcamab21027抗体
染色缸Ted Pella21075
手术显微镜LeicaM651
Tabotamp 纤维止血材料Ethicon431962可吸收性止血剂
Transpore 外科胶带3M1527-1
U-100 胰岛素注射器BD Medical324825
血管扩张器Fine Science Tools18603-14
Vitro-CludLangenbrinck04-0001
Weigert 铁苏木素染色试剂盒Merck1.15973.0002三色染色
二甲苯Th. Geyer3410

参考文献

  1. Kochanek, K. D., Xu, J., Murphy, S. L., Minino, A. M., Kung, H. C. Deaths: final data for 2009. Natl Vital Stat Rep. 60 (3), 1-116 (2011).
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