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在糖尿病小鼠模型中,通过在全层皮肤伤口后诱导高水平的氧化应激,使急性伤口发展为慢性伤口。通过使用过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶抑制剂处理伤口,导致皮肤微生物组中存在的细菌愈合受损并形成生物膜。
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在糖尿病小鼠模型中,通过在全层皮肤伤口后诱导高水平的氧化应激,使急性伤口发展为慢性伤口。通过使用过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶抑制剂处理伤口,导致皮肤微生物组中存在的细菌愈合受损并形成生物膜。
慢性伤口是由于参与正常愈合过程的一个或多个复杂的细胞和分子过程调控失常所致。仅在美国,慢性伤口影响约650万人,每年耗费约400亿美元。尽管人们已投入大量努力来理解人类慢性伤口的发生机制,但一些基本问题仍未得到解答。最近,我们开发了一种新型的小鼠糖尿病慢性伤口模型,该模型具有许多人类慢性伤口的特征。利用db/db-/-小鼠,我们可通过一次性使用过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的特异性抑制剂处理,在伤口形成后立即在伤口组织中诱导高水平的氧化应激(OS),从而产生慢性伤口。这些伤口具有高水平的氧化应激,可自然形成生物膜,处理后20天内完全转为慢性状态,并可持续开放超过60天。这一新型模型具备人类糖尿病慢性伤口的多种特征,因此可显著推动对伤口慢性化机制的基础性理解。这一突破意义重大,因为人类的慢性伤口会给患者带来显著的疼痛与痛苦,若无法解决,可能导致截肢。此外,这些伤口治疗成本高昂且耗时,还会导致患者个人收入的重大损失。通过使用我们的慢性伤口模型推进该领域的研究,有望显著改善数百万受此衰弱性疾病困扰者的医疗保健水平。在本实验方案中,我们详细描述了使急性伤口转为慢性伤口的操作步骤,此前尚无此类方法报道。
伤口愈合涉及复杂且在时间和空间上受到调控的细胞与分子过程,这些过程按顺序并部分重叠地进行,包含多种不同类型的细胞,包括但不限于免疫反应和血管系统1。皮肤受到损伤后,立即有多种因子和血细胞聚集至伤口部位,启动凝血级联反应以形成血凝块。在实现稳态后,血管扩张,使氧气、营养物质、酶、抗体以及趋化因子进入伤口部位,趋化中性粒细胞至伤口床以清除异物碎片,并分泌蛋白水解酶2。活化的血小板释放多种生长因子,刺激伤口边缘的角质形成细胞,促进其重新上皮化。募集至伤口部位的单核细胞分化为巨噬细胞,吞噬细菌和已死亡的中性粒细胞,并分泌额外因子,以维持角质形成细胞的增殖和促迁移信号。在增殖阶段,随着重新上皮化的持续进行,由成纤维细胞、单核细胞/巨噬细胞、淋巴细胞和内皮细胞组成的新肉芽组织继续组织修复过程2。血管生成通过促进内皮细胞的增殖和迁移而被激活,从而形成新的血管。上皮化以及细胞外基质的重塑构建起抵御外界环境的屏障。随着伤口愈合,肉芽组织逐渐演变为瘢痕,细胞凋亡清除炎症细胞、成纤维细胞和内皮细胞,且不引起额外的组织损伤。成纤维细胞通过重塑细胞外基质的多种组分(如胶原蛋白),增强组织的抗张强度,使新生组织的强度和柔韧性几乎接近未受损皮肤2。
任何偏离这种高度协调的伤口闭合进程的情况都会导致愈合受损和/或形成慢性伤口3。慢性伤口的特征是伤口局部氧化应激增强、慢性炎症、微血管损伤以及胶原基质异常4。氧化应激,尤其是在伤口局部,可能延缓伤口闭合过程2,5。在伤口愈合的第一阶段,当炎症期失去调控时,由于持续有炎症细胞浸润5,释放细胞毒性酶、活性氧自由基增加以及炎症介质失控,导致宿主组织遭受严重损伤,并引发细胞死亡6,7。
在这种具有破坏性的微环境中,形成生物膜的细菌会利用宿主的营养物质,并导致宿主组织的损伤2。由于生物膜由蛋白质、DNA、RNA和多糖组成的水合胞外聚合物构成,寄居其中的细菌对抗生素治疗具有耐受性,且能够逃避免疫系统的先天性和适应性免疫应答,因此这类生物膜难以控制和清除2,8,9。
研究慢性伤口至关重要,仅在美国,慢性伤口就影响约650万人,每年造成约400亿美元的医疗成本10。糖尿病患者发生慢性伤口的风险更高,且常需通过截肢来控制感染的扩散。这些患者在截肢后5年内的死亡率高达50%,这与糖尿病的病理生理机制密切相关11。宿主免疫系统与伤口微生物组在伤口愈合过程中的相互作用是当前研究的重要课题,因为若慢性伤口无法得到有效治疗,其后果可能包括截肢甚至死亡12。
尽管人们已投入大量努力来理解人类慢性伤口的形成机制,但目前仍不清楚慢性伤口是如何以及为何形成的。在人体上开展研究愈合障碍机制的实验十分困难,伤口愈合专家通常只能见到那些伤口已经持续数周至数月并进入慢性状态的患者。因此,专家无法研究导致伤口发展为慢性的关键异常过程2。目前尚缺乏能够重现人类慢性伤口复杂性的动物模型。在我们的模型建立之前,尚不存在可用于慢性伤口研究的模型。
慢性伤口模型是在瘦素受体存在突变(db/db-/-)的小鼠中建立的13。这些小鼠表现为肥胖、糖尿病,并伴有愈合能力受损,但不会自发形成慢性伤口14。其血糖水平平均约为200 mg/dL,最高可达400 mg/dL15。若在伤口形成后立即诱导伤口组织中产生高水平的氧化应激(OS),则伤口将发展为慢性状态16。db/db-/-小鼠的伤口通常在20天时被认定为慢性伤口,并可持续开放60天或更长时间。伤口中细菌形成的生物膜在受伤后第3天开始出现;受伤后20天可观察到成熟的生物膜,并持续存在直至伤口闭合。我们在这些小鼠中发现的可形成生物膜的细菌,同样存在于人类糖尿病慢性伤口中。
通过使用两种抗氧化酶抑制剂——过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的抑制剂处理伤口,可诱导产生氧化应激。过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶均具有分解过氧化氢的能力。过氧化氢是一种活性氧,可通过氧化蛋白质、脂质和DNA引起细胞损伤。过氧化氢酶可催化过氧化氢分解为危害较小的氧气和水。3-氨基-1,2,4-三唑(ATZ)通过特异性且共价结合于过氧化氢酶的活性中心,抑制该酶并使其失活17,18,19. ATZ 已被用于研究氧化应激的影响 体外 和 体内 通过抑制过氧化氢酶20,21,22,23,24谷胱甘肽过氧化物酶通过抗氧化剂谷胱甘肽催化过氧化氢的还原反应,是保护细胞免受氧化应激损伤的重要酶类。25巯基琥珀酸(MSA)通过其巯基与谷胱甘肽过氧化物酶的硒代半胱氨酸活性位点结合,从而抑制该酶并使其失活。26. MSA 已被用于研究氧化应激的影响 体外 和 体内 以及20,27,28.
这种慢性伤口的新模型是一种强大的研究工具,因为它具有与人类糖尿病性慢性伤口相似的多种特征,包括因氧化应激(OS)增加导致的持续性炎症以及由皮肤微生物组自然形成的生物膜。这些伤口表现出表皮-真皮相互作用受损、基质沉积异常、血管生成能力差以及血管结构损伤。雄性和雌性小鼠均可形成慢性伤口,因此两种性别均可用于慢性伤口的研究。因此,该慢性伤口模型可显著促进人们对慢性伤口发生机制的基础性理解。利用此慢性伤口模型,可以回答关于慢性状态如何通过受损的伤口愈合生理过程及宿主微生物组的共同作用而启动和维持等基本科学问题。
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所有实验均按照联邦法规以及加州大学的政策和程序进行,并已获得加州大学河滨分校动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
1. 动物
2. 动物饲养设施与饲养管理
3. 慢性伤口形成的要求
4. 剃毛与脱毛乳液的使用
注意:在造伤前去除小鼠背部不需要的毛发。以下操作在手术前一天对未麻醉的活体 db/db-/- 小鼠进行。需采取预防措施,避免对动物造成应激和伤害。
5. 试剂配制
注意:通过使用过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的特异性抑制剂——3-氨基-1,2,4-三唑(ATZ)和巯基琥珀酸(MSA)处理,可在db/db-/-小鼠中建立慢性伤口模型16。以下操作步骤根据小鼠体重详细说明镇痛剂及抑制剂的剂量与给药方法。
6. 手术
注意:慢性伤口模型的成功依赖于非无菌条件。这些小鼠并非无菌动物,饲养于常规动物房中。皮肤中存在的细菌微生物组对于使用抗氧化酶抑制剂处理后慢性伤口的后续启动和发展至关重要。因此,不建议进行传统的术前手术部位准备。
7. 术后治疗与恢复
8. 数据采集、生存策略、伤口处理后的小鼠管理及其他提示
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图5展示了一个未经抑制剂治疗而趋向愈合的伤口示例,以及一个经抑制剂治疗后趋向慢性化的伤口示例。慢性伤口上保留了透明敷料,以便观察生物膜和液体积聚情况。
慢性伤口的形成在6小时之内即开始,伤口边缘因氧化应激而发生明显改变。组织学证据显示,该伤口边缘组织已发生坏死,无法参与伤口愈合过程。伤口中形成生物膜的细菌随后可利用这些坏死组织作为营养来源和结构组分,以生成生物膜。慢性伤口是指伤口持续开放,且较初始伤口扩大,含有生物膜(即在人类慢性伤口中发现的胞外多糖基质及致病菌),并根据生物膜的数量和成分不同,需数月甚至数年才能愈合。在慢性伤口模型中,慢性状态的完全建立定义为术后>20天,因为未使用抑制剂处理的伤口将在该时间内闭合(图5)。通常情况下,愈合过程需要>60天,具体时间取决于伤口中主要存在的致病菌种类。当更具侵袭性的生物膜形成...
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在小鼠身上建立慢性伤口后,该模型可用于研究与慢性化启动相关的受损伤口愈合过程。该模型还可用于测试多种化学物质和药物在逆转慢性伤口发展及促进伤口闭合与愈合方面的有效性。可研究慢性化发生后的不同时间点:例如,创伤后第1至5天用于研究慢性化的早期阶段,第20天及以后用于研究完全形成的慢性伤口。
慢性伤口模型也是研究伤口愈合各个方面以及诸如生物负荷和恶病质等并发症的有力模型。在此模型中可研究的慢性伤口特征之一便是生物负荷,因为生物负荷同样影响人类的慢性伤口。我们的操作流程和动物使用方案明确指出了需要监测的症状以及具体的监测时间表。根据IACUC批准的标准被判定为病态的动物将被实施安乐死,以避免其遭受严重痛苦。此外,当出现特定症状时,还会咨询校园兽医和动物健康技术人员,以获得关于评估标准的支持性指导。
方案中的关键步骤包括饲养 db/db-/- 在常规动物房中饲养小鼠,使用脱毛膏去除毛发,并在给予异氟烷前进行加热处理。慢性伤口模型中慢性伤口的形成依赖于非无菌的环境与操作条件。这些...
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作者声明不存在相互竞争的经济利益。
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| 布托啡诺(盐酸布托啡诺) | 亨利·斯坦动物健康 | 059122 | 0.3 mg/ml,III类 |
| 3-氨基-1,2,4-三唑(ATZ) | TCI | A0432 | |
| 巯基丁二酸(MSA) | Aldrich | 88460 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | 高压灭菌消毒的 | ||
| 异氟烷 | Henry Schein 动物健康 | 029405 | NDC 11695-6776-2 |
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