脑卒中是一个全球性难题,目前治疗手段有限,且尚无临床疗法能够实现丢失脑组织的再生。本文介绍了一种在啮齿类动物运动皮层中精确诱导光血栓性脑卒中的方法,以及随后注射水凝胶生物材料以研究其对脑卒中后组织再生影响的实验方案。
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脑卒中是一个全球性难题,目前治疗手段有限,且尚无临床疗法能够实现丢失脑组织的再生。本文介绍了一种在啮齿类动物运动皮层中精确诱导光血栓性脑卒中的方法,以及随后注射水凝胶生物材料以研究其对脑卒中后组织再生影响的实验方案。
脑卒中是美国致残的首要原因和死亡的第五大原因。大约87%的脑卒中为缺血性脑卒中,其定义为向大脑供血的血管突然发生阻塞。在血管阻塞后的数分钟内,细胞开始死亡,导致不可逆的组织损伤。目前的治疗策略主要集中于血栓清除或溶解,以实现再灌注并防止更严重的脑损伤。尽管大脑的短暂可塑性可能随时间推移挽救部分受损组织,但仍有相当比例的患者遗留无法恢复的神经功能缺损。针对脑卒中引起的神经功能缺损,目前缺乏有效的治疗手段,这凸显了开发新策略以应对日益增长的患者群体的迫切需求。可注射生物材料正在被设计用于增强大脑可塑性,并通过递送活性因子或干细胞来促进内源性修复。测试这些方法的一种途径是利用啮齿类动物脑卒中模型,将生物材料注射至脑卒中核心区域,并评估修复效果。明确脑卒中核心的精确位置对于卒中后的准确治疗至关重要,因此,采用可产生可预测卒中位置的动物模型更为理想,以避免注射前必须进行影像学检查。以下实验方案将介绍如何诱导光化学血栓性脑卒中、如何以可控且精确的方式注射水凝胶,以及如何在保持生物材料完整性的前提下提取脑组织并进行冷冻切片。此外,我们将重点说明这些相同的水凝胶材料如何用于干细胞的共递送。本方案可推广应用于其他可注射生物材料向脑卒中核心区域的递送。
脑卒中是美国致残的首要原因,也是第五大死亡原因1。大约87%的脑卒中为缺血性脑卒中,其余13%中大多数为出血性脑卒中2。缺血性脑卒中是指动脉血流受阻,导致周围组织供血中断。这种阻塞会引起组织缺氧,进而发生坏死,常导致存活患者出现永久性残疾。尽管脑卒中的死亡率已有所下降3,但其患病人数预计到2030年将上升至340万人4。残疾幸存者人数的增加及其带来的经济负担,推动了以神经修复机制为重点的脑卒中研究。脑卒中发生后会经历一个炎症期,最终形成瘢痕组织,以防止坏死区域进一步扩大。围绕坏死核心的区域被称为“梗周区”,有充分证据表明,该区域的可塑性变化(包括血管新生、神经发生和轴突发芽)与动物模型及人类患者中观察到的功能恢复直接相关5。由于目前尚无体外模型能够准确模拟脑卒中后的复杂相互作用,动物模型在脑卒中研究中至关重要。
有多种体内模型可用于制备缺血性脑卒中。在小鼠中,最常用的模型之一是大脑中动脉阻塞(MCAo),可通过远端或近端(经动脉内缝线)阻塞实现。近端模型也称为缝线法MCAo(fMCAo),通常导致较大的缺血性脑卒中,梗死范围可占大脑半球的5%至50%,具体大小取决于多种因素6。在这些模型中,将一根缝线或细丝从颈内动脉推进至大脑中动脉(MCA)起始部,并保持一定时间。这种阻塞方法可以是暂时性的或永久性的,所产生的梗死主要位于纹状体,可能累及也可能不累及表层皮质6。最终形成的脑卒中体积变异较大,因此需要使用激光多普勒等成像技术来确认每只小鼠手术操作的有效性。当动脉内或腔内缝线阻塞持续时间超过30分钟时,通常会产生较大体积的脑卒中。一些研究者专注于较短时间的缝线阻塞,但这需要高度精细的实验设计和实验室验证7。小鼠的缝线法MCAo模型在细胞死亡过程、缺血进展以及梗周区域形成等方面,与人类脑卒中病例具有相似的阶段特征;然而,较大的梗死更接近于恶性脑梗死的疾病状态,而这类脑卒中在临床上相对少见且治疗难度更大6。相比之下,远端MCA阻塞需要更复杂的手术操作和开颅。在此模型中,直接通过结扎缝线或电凝方式阻塞沿脑表面走行的大脑中动脉远端部分。在该技术的一些变体中,颈总动脉可被单侧或短暂双侧阻塞。远端MCAo的一个优势是其产生的皮质梗死体积变异较小,相较于缝线模型更为稳定。然而,由于该模型需切断外颈动脉(ECA),导致行为学表现较差,这一点在fMCAo模型中同样值得关注6。
另一种侵入性较小的卒中模型是光化学血栓形成(PT)模型。该模型可产生位置明确的缺血区域,且具有较高的存活率8。该技术依赖于腹腔注射一种光敏染料,通过光照或激光照射目标组织即可实现血管内光氧化反应9。染料在激发后产生氧自由基,导致内皮细胞损伤,从而激活血小板聚集并在照射区域形成血栓8,9。由于PT模型对卒中大小和位置具有高度可控性,且可重复性高,因此非常适合用于生物材料的研究。尽管可通过激光与立体定位坐标实现精确控制,但该模型仍存在一些局限性,可能使其在某些研究中不够理想。与fMCAo模型不同,PT卒中模型无法实现再灌注,因此不适合用于研究针对再灌注后损伤或再灌注相关机制的神经保护剂8。此外,由于PT模型主要造成微血管损伤,其缺血半暗带相对较小,反而容易出现局部血管源性脑水肿,这与人类卒中的病理特征不符,因此该模型不适用于以梗死周围区域为重点的临床前药物研究6,8。
生物材料策略在脑卒中治疗中的总体目标是递送生物活性物质,或作为脑组织生长的替代性细胞外基质。我们将通过本方法探讨的一种策略是将水凝胶直接递送至脑卒中病灶核心区域,而非目前许多细胞疗法所针对的梗周组织10。该策略的理论依据在于,将材料递送至病灶核心的坏死组织中,可避免对周围健康或正在恢复的脑组织造成干扰。我们假设,生物材料中包含的任何活性物质均可从病灶核心扩散至梗周区域,尤其是我们发现水凝胶生物材料的递送能够减少胶质瘢痕的厚度11。这一点至关重要,因为已有研究表明,梗周区域在脑卒中后具有神经可塑性,因而成为极具吸引力的治疗靶点。此外,向脑卒中病灶核心递送的替代基质可负载促血管生成12或促神经发生13因子,以引导新组织的形成,同时也可携带细胞进行递送14。使用基质可显著增强细胞递送效果,因为基质能够保护细胞免受注射过程中强烈的机械力和局部恶劣环境的影响,同时促进细胞的分化与植入15。
这些可注射治疗性生物材料在脑卒中治疗中具有临床相关性,因为目前尚无能够促进卒中后神经元恢复的医学疗法。参与恢复过程的潜在神经回路位于紧邻卒中病灶核心的脑组织中16,而卒中病灶核心本身则缺乏可存活的神经组织。我们预计,将生物材料递送至坏死的卒中核心区域,有可能通过前述多种机制刺激邻近组织向再生过程发展,包括生长因子的储库式释放13、促进组织长入及恢复性脑组织发育11,12、调节免疫反应17,以及递送干细胞来源的治疗因子14,18。然而,为了有效研究这些应用的可能性,需要建立一种稳定且可重复的诱导卒中并注射生物材料的方法。光血栓形成(PT)卒中模型所采用的技术可精确控制卒中的方向和位置。立体定位装置上连接的激光用于引导定位方向,而连接在立体定位装置上的泵则可控制材料的注射速率,无需额外的成像手段。因此,本文选择描述在小鼠运动皮层实施PT卒中及向卒中核心注射生物材料的方法。在此,我们采用微孔退火颗粒(MAP)水凝胶作为注射用生物材料,未添加任何细胞或生长因子。此外,我们还解释了如何成功获取保留完整生物材料的脑组织,并讨论了用于分析注射与未注射生物材料情况下卒中结局的免疫组织化学检测方法。
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实验按照杜克大学和加州大学洛杉矶分校的IUCAC规定进行。本研究使用8至12周龄的雄性C57Bl/6J小鼠。动物饲养环境温度控制在(22 ± 2 °C),光照-黑暗周期为12小时,可自由获取颗粒饲料和水 。镇痛和镇静方案均经IUCAC批准,但可能与其他实验室所用方案有所不同。
若动物在生存手术后出现过度躁动、发声(提示无法控制的疼痛)、自残行为、活动能力下降或受损、皮肤感染的体征、食欲减退和/或体重减轻超过10%-15%,则可能需要提前实施安乐死。注射凝胶预计不会产生不良反应,因其成分来源于天然 大脑中发生的聚合物。动物应 每天监测,包括周末和节假日,并每隔一天重新称重。本实验室及其他实验室的研究发现,小的皮质或皮质下脑卒中后的小鼠未出现理毛行为异常、体重减轻或戒断症状/慢性应激迹象。若动物出现局部头部伤口感染的任何征象,应 实施安乐死。还应监测动物的理毛情况、伤口状况以及动物间打斗的迹象(如背部伤口)。如果 如有打斗迹象或伤口裂开,动物应 首先在联系兽医后进行治疗。通常包括在饮水中添加抗生素和/或局部外用抗生素。如果这些措施未能促进愈合,应将动物 安乐死处死。
1. 材料与仪器的准备
2. 光化学血栓性脑卒中模型9
3. 假手术操作
4. 注射水凝胶或其他生物材料
5. 灌注与样本采集
6. 冷冻切片与染色
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本方法旨在演示如何在脑卒中后向脑内注射生物材料。采用玫瑰红(rose bengal)结合520 nm激光的光化学血栓模型,以精确控制脑卒中病灶的大小和位置。脑卒中发生5天后,可在手术过程中观察到梗死区域(图1B),并通过TTC染色及成像IHC切片进一步确认(图2)。使用2倍镜头扩大激光直径后,脑卒中病灶在视觉上明显扩大,范围超过2.5 mm,而仅使用激光时病灶仅为1 mm的单一片段(图2)。由于该光化学血栓(PT)模型为微创操作,术中死亡率极低,不足1%。术后死亡率也较低,小鼠死亡比例低于5%。
在卒中发生五天后,注射透明质酸基水凝胶微粒(HMPs)(图3)。HMPs 注射至卒中病灶后发生退火,形成微退火颗粒(MAP),其具有多孔支架结构,可允许细胞迁移进入卒中核心区域(图4)。注射后第...
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本文展示了一种易于重复、创伤最小且永久性的脑卒中模型,并描述了如何在脑卒中发生五天后将生物材料注射至梗死区域。通过使用光化学血栓染料玫瑰红(Rose Bengal)以及连接到立体定位仪的520 nm准直激光器,可精确地将脑卒中定位在小鼠的运动皮层。脑卒中发生五天后,梗死区域在肉眼可见,位于前囟点外侧2.0 mm的照射中心处。随后使用注射泵将水凝胶精确注入脑卒中核心区域。该模型在手术期间及脑卒中后的死亡率几乎为零,仅有极少数小鼠因麻醉相关并发症而在术后死亡。尽管光化学血栓(PT)性脑卒中模型在生物材料应用方面具有优势,但仍存在若干生物学限制和技术难点需要解决。
从生物学局限性来看,挫伤模型(PT)并非一种能够提供脑部再灌注选项的卒中模型,而再灌注过程在人类卒中中可能自发发生,或通过血管内取栓/溶栓治疗实现。此外,与通过阻塞主要脑血管来模拟大多数人类卒中病因的MCAo模型不同,PT是通过影响许多较小血管的血流来发挥作用。注射水凝胶生物材料存在一项技术难点,即此类材料在手术过程中容易粘附于注射器,或在组织取出时粘附于颅骨。设计一种在注射时保持液态、注入后原位成胶的水凝胶可解决第一个问题;...
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作者声明,TS 是 Tempo Therapeutics 的创始人,该公司致力于 MAP 水凝胶的商业化。
我们感谢美国国立卫生研究院和国立神经疾病与卒中研究所提供的资助(R01NS079691)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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