本方案为研究人员提供了使用改良Longa颈外动脉法在小鼠上进行大脑中动脉阻塞手术的逐步操作指南。本文介绍的改良方法旨在提高大脑中动脉阻塞的准确性,并确保完全再灌注。
本方案为研究人员提供了使用改良Longa颈外动脉法在小鼠上进行大脑中动脉阻塞手术的逐步操作指南。本文介绍的改良方法旨在提高大脑中动脉阻塞的准确性,并确保完全再灌注。
大脑中动脉阻塞模型是研究缺血性脑卒中的主要动物模型。尽管该模型已在研究中使用了三十多年,但其标准化程度仍显不足。该手术主要在大鼠和小鼠上进行,而由于小鼠体型更小且更为脆弱,操作难度较大。与Koizumi法通过颈总动脉插线不同,Longa法通过颈外动脉插线是目前唯一能够确保缺血后完全再灌注的血管内线栓脑卒中模型。这一特点对于研究再灌注现象具有重要意义。本文所展示的手术改良方法可确保在整个缺血期及再灌注开始后,颈总动脉的血流持续通畅。这些改良的目的是在缺血期间,选择性地阻塞大脑中动脉,同时保持其近端分支的灌注不中断。此外,再灌注的启动迅速且可精确控制,从而更准确地模拟人类医学中的血管内取栓治疗。本文通过提供这一全面的视频文章,旨在帮助新外科医师的培训,并推动科学界内手术操作的标准化。
脑卒中是导致死亡的第二大原因,也是导致死亡和残疾的第三大原因1。通过 其病因不同,脑卒中可分为缺血性和出血性,其中缺血性脑卒中在临床实践中更为常见。缺血性脑卒中是由于向脑组织供血的动脉发生阻塞,导致脑组织缺血、细胞死亡和炎症反应。自溶栓治疗和机械取栓等再灌注疗法问世以来,脑卒中的治疗已取得重大进展。然而,所有再灌注疗法均存在加重患者病情的风险,可能引发通常所说的再灌注损伤。2再灌注损伤的确切机制尚不明确,需要通过临床前研究来确定其潜在原因和预防措施。为此,建立一个与缺血性卒中后相符合的再灌注损伤动物模型变得至关重要。
大脑中动脉闭塞(MCAO)是研究缺血性脑卒中最常用的动物模型。该模型主要在啮齿类动物中实施,迄今为止科学文献中已描述了多种不同的操作变体3,4。其中两种主要类型为Koizumi法和Longa法,也称为颈总动脉(CCA)和颈外动脉(ECA)入路变体,其技术上的主要区别在于插入线栓时的动脉切开部位5,6。在我们最近的研究中,通过in vivo血管灌注监测发现,只有Longa法才可真正被视为脑缺血/再灌注模型7。该操作包括将线栓插入颈外动脉(ECA),经颈内动脉(ICA)推进,并固定于大脑中动脉(MCA)分叉处,以诱导脑组织缺血。在设定的缺血时间结束后,撤出线栓以实现再灌注,从而模拟一过性脑缺血过程。脑卒中发生后,研究中最常采用的主要结局指标是梗死灶体积,可通过ex vivo组织学方法或in vivo脑部扫描进行测量。MCAO模型面临的主要挑战在于其可重复性较低,这归因于不同变体、不同操作者以及不同个体之间的变异,其中个体间差异在临床前脑卒中研究中构成了重要限制因素4。
此外,啮齿类动物在大脑中动脉阻塞(MCAO)后,梗死区域相对于啮齿类动物脑的大小而言非常广泛。同时,尽管脑的海马后部区域主要依赖于来自大脑后动脉(PCA)的血流供应,而非大脑中动脉(MCA),这些区域仍常常被纳入梗死范围8。与文献中描述的Koizumi法和Longa法类似,由于小鼠Willis环存在不完全通畅 ,在缺血期间颈总动脉(CCA)保持结扎状态,导致诱导的缺血区域远比预期广泛5,6,9。即使在缺血结束后重新开放或修复CCA的方法中,通常30至60分钟的缺血时间仍会导致非MCA供血区域发生不可逆的组织损伤10。此外,与预期相反,先前的研究表明,栓线硅胶涂层的长度对梗死体积并无影响11。然而,关于栓线硅胶涂层长度的选择,迄今仅在缺血期间结扎CCA的模型中被探讨过。
本方法的目标是改进小鼠的Longa MCAO方法,使缺血期间颈总动脉(CCA)的血流保持持续通畅,从而提高大脑中动脉阻塞(MCAO)的选择性,并确保术后梗死区域完全再灌注。这些改进将显著有利于针对小鼠缺血-再灌注损伤的纵向研究,降低死亡率并减少个体间差异。
所有动物操作和实验程序均经萨格勒布大学医学院伦理许可委员会以及克罗地亚共和国农业部科学用途动物保护伦理委员会批准。实验操作依据克罗地亚《动物保护法》(NN 102/17,32/19)、《动物保护法修正案》(NN 37/13)以及《科学用途动物保护指南》(NN 55/13)进行,上述法规与《欧洲实验动物护理与使用指南》(指令 2010/63/EU)一致。
1. 动物和手术部位的准备
2. 缺血诱导手术

图1:大脑中动脉闭塞线栓通过翼腭动脉分支点的示意图。 正确的线栓推进方式(左侧)是将MCAO线栓调整方向,使其紧贴颈内动脉(ICA)的侧壁,并远离翼腭动脉(PPA)的分支点。若未做到这一点(右侧),线栓可能进入PPA,从而无法引起脑卒中。在此情况下,线栓无法推进至应有位置,手术者应撤回线栓,直至其末端在ICA分叉处可见,然后重新开始推进线栓。绿色动脉代表后交通动脉(PcomA),在小鼠中大多不开放。图示使用BioRender.com制作。 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 缺血期
4. 纤维撤出手术
5. 术后护理
术中或术后磁共振成像(MRI)扫描,特别是灌注加权成像(PWI)和/或弥散加权成像(DWI)扫描(图2),可为手术成功提供明确证据。术中PWI显示同侧大脑中动脉(MCA)区域出现严重缺血,从而证实栓线放置已导致完全闭塞。成功手术的术后PWI显示病灶核心区域出现高灌注,同时MCA区域边缘出现一定程度的再灌注。术中DWI病灶与术中PWI所观察到的缺血区域相对应。术后DWI病灶向缺血核心收缩,并伴随表观弥散系数显著降低,使其较术中DWI病灶及周围再灌注脑组织呈现更暗的信号。标准T2解剖成像在术中和术后通常无明显异常表现,除非发生由栓线引起的出血。
(图3)。在这种情况下,PWI和DWI扫描显示不完全或无缺血。
再灌注过程在接下来的48小时内发生,并通过术后第二天进行的MRI扫描确认其发生(图2,第2天的CBF)。PWI扫描显示病灶部位完全再灌注,病灶核心区域有轻度高灌注。DWI扫描显示由于脑水肿形成,出现多个表观扩散系数降低的区域。T2解剖扫描显示水肿区域呈高信号,包绕大脑中动脉(MCA)区域,而海马等非MCA区域未受累及。
苏醒后,动物表现出急性脑卒中的明显体征。常见的行为学症状包括病灶同侧肌张力增高,导致动物躯干向该侧屈曲。同侧转圈和旋转也是急性脑卒中的明确表现。步态共济失调常提示缺血性病灶累及海马。然而,由于异氟烷麻醉的副作用,在超急性期该症状可能缺乏特异性。在术后随后的数天内,动物应出现同侧前肢屈曲及姿势状态恶化,并伴有胡须反射消失。术后约3天,由于脑水肿,死亡率达到高峰。当脑水肿开始消退后,进入慢性期。在此期间,动物可能出现尿潴留。因此,重要的是检查动物膀胱是否僵硬以及尿道出口处是否有坚实封盖。大多数情况下,可通过轻柔按摩膀胱以促进排尿来解决此问题。卒中发生后最初7天内,通常会出现体重恢复的迹象。

图 2:通过 MRI 扫描证实完全再灌注的大脑中动脉闭塞(MCAO)成功模型的代表性示例。CBF、ADC 和 T2w 分别代表脑血流图谱、表观扩散系数图谱和 T2 加权解剖扫描。IntraOP、postop 和 D02 分别表示缺血发生后、再灌注开始后以及 MCAO 后第二天这三个不同时间点的成像结果。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:MCAO手术过程中由线栓引发出血的代表性MRI扫描图像。 CBF、ADC和T2w分别代表脑血流图、表观扩散系数图和T2加权解剖扫描图像。IntraOP、postOP和D02表示成像的三个不同时间点:缺血开始后、再灌注开始后以及MCAO术后第二天。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:大脑中动脉分支处线栓正确放置的示意图。 大多数情况下,线栓的硅胶部分(白色部分)会卡在前 cerebral 动脉(ACA)近端,位置比大脑中动脉(MCA)分支点远约2 mm。通常小鼠的ACA脑区不会受到影响,因为ACA会与对侧ACA汇合形成单一的无名ACA。受影响的动脉以灰色显示。左侧图中,在缺血期间颈总动脉(CCA)保持通畅,因此可向所有颈内动脉(ICA)分支供血,直至被线栓硅胶部分阻塞的大脑中动脉(MCA)。右侧图中,线栓位置相同,但缺血期间保持CCA结扎。由于后交通动脉(PcomA,绿色部分)在大多数情况下不通畅,若持续结扎CCA,卒中将非选择性地累及同侧半球的大部分区域,包括MCA、AchA、VTA、HTA和PCA。在这些情况下,由于脉络膜前动脉(PPA)受阻,还可观察到眼部急性梗死的体征(如白瞳症和瞳孔不等大)。图示使用BioRender.com制作。 请点击此处查看该图的放大版本。
大脑中动脉阻塞(MCAO)是一种对操作者要求极高且对动物造成显著损伤的手术操作。因此,研究人员必须制定标准操作流程,以最大程度降低卒中严重程度、减少手术失败率,并改善术后动物的福利状况。本MCAO实验方案重点阐述了在小鼠上实施该操作时需要考虑的一些关键环节。
MCAO 手术中栓线的选择会影响所诱导脑卒中病灶的大小和位置,因此是该操作中的关键步骤11。由 Doccol 率先开发的硅胶包被栓线显著降低了栓线诱导出血的发生率,取得了重大进展12。然而,硅胶包被栓线具有多种尺寸和长度,这为新研究人员在为实验动物选择合适的栓线时带来了挑战。尽管栓线制造商通常会提供根据动物体重选择合适直径栓线的指导建议,但硅胶包被的长度通常被认为取决于操作者的个人偏好,且应仅基于操作者的技术水平进行选择。在本研究中,我们主张尽量缩短硅胶包被的长度,以确保所诱导的脑卒中病灶仅局限于大脑中动脉(MCA)供血区域,从而提高实验的可重复性。图4 显示,大脑后动脉(PCA)是颈内动脉(ICA)的第一个颅内分支,负责供应脑部后部区域,包括海马的部分区域。近期针对小鼠的显微CT研究表明,在 MCA 分支点之前,ICA 还发出另外三个较小的分支13。按其分支顺序排列的下丘脑动脉(HTA)、腹侧被盖动脉(VTA)和脉络膜前动脉(AChA)结构精细且存在个体差异,显著增加了个体间和个体内变异程度8。此外,显微CT研究显示,在小鼠中,MCA 与 PCA 分支点之间的平均距离约为 1.7 mm,明显短于大多数商用栓线的硅胶包被长度14。由于操作者在推进栓线时唯一可获得的反馈是在栓线到达 MCA 分支点时阻力突然增加,因此栓线硅胶包被的尾端长度决定了 MCA 区域缺血的程度,并可能根据硅胶包被长度的不同,进一步影响 AChA、VTA、HTA 甚至 PCA,从而引入与预期 MCAO 模型相悖的变异性。因此,为了保证实验的可重复性以及术后动物的健康状况,操作目标应仅为实现 MCA 的闭塞。Doccol 提供的 MCAO 栓线其硅胶包被长度范围为 1 至 2 mm,但我们的经验表明,使用 1–2 mm 的包被长度常常导致假手术结果,未能成功诱导脑卒中。术中 MRI 扫描显示,栓线在到达 MCA 分支点后会继续向前推进达 2 mm,进入大脑前动脉(ACA),才会向操作者提供明显的阻力反馈。基于此,我们强烈建议使用硅胶包被长度为 2 至 3 mm 的栓线,这种规格可减少海马区域在脑卒中病灶中的受累程度,相较于使用更长硅胶包被的 MCAO 栓线更具优势。
该操作的第二个关键步骤是正确放置大脑中动脉阻塞(MCAO)线栓,以实现大脑中动脉(MCA)的完全闭塞。操作者常遇到的一个问题是线栓误入颈内动脉(ICA)的第一个分支——蝶腭动脉(PPA),因为在推进过程中几乎无法获得线栓是否走偏的反馈信息。因此,我们建议以轻微侧向角度推进线栓,使线栓的硅胶涂层尖端偏离PPA的分叉点,从而更有可能进入ICA的颅内段。图1 如方案部分所述,观察线栓尾端剩余长度对于判断其位置是否合适至关重要。如果线栓自ICA分叉点起无法插入至少7 mm,操作者应撤回线栓并重新尝试。在插入线栓过程中施加任何不必要的力量都可能导致出血并使操作失败。为此,可采用连续激光多普勒血流监测来确认线栓位置是否正确。
在缺血期间确保颈总动脉(CCA)血流畅通是本方案中的另一个关键步骤。与大多数描绘小鼠具有完整Willis环的示意图相反,研究表明,小鼠的后交通动脉(PcomA)通常并非双侧通畅,当缺血期间颈总动脉保持闭塞时,无法可靠地向Willis环的同侧供血15,16。在这些情况下,即使研究者仔细选择了合适硅胶涂层长度的线栓,脑卒中范围仍可能累及整个半球或仅限于大脑中动脉(MCA)区域,具体取决于PcomA的通畅性,从而导致梗死体积出现不可控的变异。因此,我们对操作流程进行了改进,在插入阻塞性MCAO线栓后,立即要求操作者移除颈总动脉夹。这些改进可提高手术的精确性和可重复性,同时降低实验结果的异质性。方法的标准化将进一步提高实验成功率和结果的可比性,并增强研究结果的转化潜力17。
该技术最主要的局限性在于,手术后颈外动脉(ECA)仍处于结扎状态,这可能会在动物恢复期间加重其病情18。迄今为止,我们在尝试修复ECA的同时保持手术成功率方面尚未成功。这仍是该方法未来改进的潜在方向。此外,尽量缩短颈总动脉(CCA)夹闭的时间是一个挑战,但对防止脑卒中过程中非大脑中动脉(MCA)区域的参与至关重要。由于这可能成为操作者间和操作者内变异的来源,建议测量CCA夹闭的持续时间,从而可能使研究人员在统计学上至少解释部分观察到的脑梗死体积的总体变异。另一方面,操作者的技能和经验在缩短CCA结扎时间及整体手术时长方面起着关键作用11。
该方法具有重要意义,因为它能够使研究人员选择性地阻断大脑中动脉(MCA),从而实现再灌注的突然发生并具有高度可控性。与目前可用的方法相比,该方法更准确地模拟了血管内取栓术及其随后的再灌注损伤,为建立可重复且具有临床相关性的动物缺血/再灌注损伤模型提供了详细方案。
作者无任何利益冲突需要披露。作者与本作品中提及的任何商业名称和商标均无关联。
本工作由克罗地亚科学基金会项目BRADISCHEMIA(UUP-2017-05-8082)资助;GA KK01.1.1.01.0007由欧洲联盟通过欧洲区域发展基金资助,以及根据资助协议编号KK.01.1.1.07.0071,由欧洲联盟通过欧洲区域发展基金资助,项目"SineMozak。博士生Rok Ister和Marta Pongrac的工作得到了克罗地亚科学基金会“青年研究人员职业发展项目——博士生培训”""的全额支持,该基金由欧洲社会基金通过欧洲联盟资助。实验过程使用安装在手术显微镜上的通用相机支架固定的安卓智能手机进行拍摄。视频材料的剪辑及配音录制均使用Wondershare Filmora视频编辑软件完成。
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