通过活体显微镜观察肠系膜缺血-再灌注损伤后肠系膜小静脉中中性粒细胞胞外诱捕网的形成

摘要

本方案介绍了一种通过活体显微镜诱导肠系膜缺血-再灌注损伤并可视化观察肠系膜微静脉中中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）的方法。通过阻断肠系膜上动脉血流1小时后进行再灌注，可直接定量分析白细胞黏附和NETosis过程。

摘要

肠缺血-再灌注（I/R）损伤是一种急性病症，其特征是由于肠系膜血管血流受限导致组织损伤，进而引发局部和全身性病理改变，预后较差。缺血和再灌注两个阶段均可触发一系列细胞和分子反应，其中炎症细胞在病理过程中起关键调控作用。这些细胞与缺血内皮之间的相互作用由多种黏附受体介导。已有多种动物模型被建立用于模拟该病理过程，并研究其中涉及的分子通路。本研究结合了一种显微外科I/R损伤模型与活体显微技术，用于观察白细胞滚动、黏附以及中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成。该模型应用于内皮细胞PAR1缺陷型转基因小鼠（F2r），以评估PAR1在缺血后1小时及再灌注即刻对白细胞滚动和NET形成的影响。体内实验中采用吖啶橙对白细胞进行染色，并使用核酸染料对NETs进行可视化观察。有趣的是，在缺乏内皮PAR1受体的小鼠中，白细胞黏附和NET形成均有所减少。该模型可用于对I/R损伤中关键调控因子的体内分析。

引言

急性肠系膜缺血（AMI）是一种罕见的病理状态¹，具有较高的死亡风险²，其特征是由于腹腔干、肠系膜上动脉或肠系膜下动脉内形成血栓，导致肠系膜血流减少。在60%–70%的病例中，肠系膜上动脉因血栓形成或栓塞引起的急性闭塞是导致急性肠缺血的主要原因³。相比之下，在5%–15%的病例中，肠系膜静脉血栓形成可导致肠系膜缺血，主要累及肠系膜上静脉，较少累及肠系膜下静脉⁴。缺血引起的缺氧和营养不良会导致细胞水平的能量代谢紊乱⁵。例如，线粒体功能受损会激活多种信号通路，启动细胞死亡机制⁶。尽管快速再灌注能够恢复有氧代谢，但血流恢复到缺血区域时常因活性氧（ROS）的产生⁷、钙超载⁸、内皮功能障碍⁹以及炎症反应¹⁰而导致广泛的组织损伤。

已建立多种采用暂时性肠系膜上动脉阻断的实验动物模型，以阐明缺血-再灌注（I/R）损伤过程中的分子机制¹¹。将此类模型与活体显微技术（IVM）结合使用，对于深入了解细胞间相互作用及疾病进展至关重要¹¹。肠道屏障功能障碍在缺血后很快出现¹²，表现为上皮完整性丧失¹³，导致细菌易位至肠外部位，如肠系膜淋巴结、脾脏、肝脏和肾脏^12,14。再灌注会进一步加重黏膜损伤¹⁵。小动脉中的炎症反应表现为白细胞在内皮细胞层上的滚动和牢固黏附，这一过程依赖于L-选择素¹⁶、P-选择素（CD62P）¹⁷、血小板GPIIb/IIIa和纤维蛋白原等分子¹⁸。有趣的是，白细胞在肠系膜微静脉中的黏附受到肠道微生物群¹⁹和Toll样受体4信号通路¹⁰的影响。I/R损伤还可触发中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成¹⁰。靶向来源于活化中性粒细胞等白细胞的胞外DNA可改善肠道I/R损伤的预后²⁰。在肝脏中，I/R损伤由定居的巨噬细胞引发²¹，而微小RNA的抑制可显著减轻细胞凋亡²²。值得注意的是，肠系膜I/R损伤会导致肠道菌群失调，这种失调是可逆的，在血管再通后可恢复正常²³。

内皮细胞也受到缺血/再灌注（I/R）损伤有害作用的影响，其中活性氧（ROS）在该过程中起关键作用²⁴。可观察到白细胞黏附于内皮细胞层、内皮损伤以及一氧化氮（NO）代谢的改变⁹。然而，所涉及的分子通路尚未被充分研究。

蛋白酶激活受体1（PAR1，F2r）是一种由多种细胞（包括内皮细胞）表达的膜受体，在炎症条件下被激活²⁵。当丝氨酸蛋白酶在受体的N端将其切割时，暴露出连接的配体，该配体继而通过与分子的第二个胞外环结合来激活受体²⁶。内皮蛋白C受体（EPCR）-PAR1信号通路影响内皮一氧化氮（NO）的稳态，并促进外周缺血时血流的恢复²⁷。

本研究将缺血/再灌注（I/R）损伤应用于内皮细胞特异性PAR1缺陷的遗传性小鼠模型，以观察白细胞滚动、黏附及中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成。结合遗传性小鼠模型与I/R显微手术后的活体显微成像技术，可深入揭示疾病进展中所涉及的特定细胞类型。将I/R损伤应用于遗传性小鼠模型，有助于识别潜在的治疗靶点，从而改善疾病的进程。此外，研究还证实了内皮细胞PAR1在NETosis过程中的重要作用。

方案

所有涉及小鼠的操作均经当地动物实验法规委员会批准（Landesuntersuchungsamt Rheinland-Pfalz，Koblenz，德国；G21-1-041）。实验使用6至8周龄的雄性和雌性B6.FVB-F2rtm1a(EUCOMM) Tg/Cdh5-cre)7Mlia/Tarc小鼠。内皮细胞特异性调控的 F2r (PAR1) 发生 通过 VE-钙黏蛋白 Cre 启动子²⁸. 在本研究中，flox-F2r x VE-钙粘蛋白 Cre⁺ (F2R^ΔEC) 表现出减少 F2r 内皮细胞上的（PAR1）表达， 和 flox-F2r x VE-钙粘蛋白 Cre^- （野生型）表达正常内皮 F2r (PAR1) 水平。本研究中所用试剂和设备的详细信息列于下文 材料表.

1. 手术准备

1. 将必要的手术器械（超细直剪、镊子、血管夹等）进行灭菌处理。
2. 准备好基于氧气和异氟烷的麻醉系统，配备鼻罩和加热板。

2. 动物准备

1. 称量动物体重。
2. 实施麻醉：对小鼠进行麻醉 通过 按照机构批准的方案，腹腔（i.p.）注射含咪达唑仑（5 mg/kg）、美托咪定（0.5 mg/mL）和芬太尼（0.5 mg/kg）的溶液。
3. 使用小型动物专用电动剃毛器去除颈部和腹部手术区域的毛发。
4. 将小鼠置于加热垫上呈仰卧位，并连接至氧气系统 通过 鼻锥。固定小鼠的四肢 用手术胶带将小鼠固定在加热垫上。确保乳胶鼻罩膜紧密贴合小鼠头部。使用专用于啮齿类动物的体温计经直肠监测动物体温。
5. 在颈部手术区域涂抹脱毛膏以去除残留毛发，并用70%乙醇擦拭手术区域皮肤。
6. 通过脚趾捏压测试（足底反射）确认动物已完全麻醉。

3. 手术步骤

1. 颈静脉导管植入
   1. 在气管上方做一横向切口（约0.5 cm），去除覆盖颈部的皮肤，并分离右侧颈静脉。
   2. 使用约5 cm的丝线结扎静脉远端，并用手术镊固定。在静脉下方约2 cm处放置三条丝线：一条靠近颈静脉远端，两条靠近近端。打外科结，但不要闭合血管。
   3. 准备一根充满0.9% NaCl并用1 mL注射器封堵的聚乙烯导管（内径0.28 mm，外径0.61 mm）。使用剪刀在第二和第三个结扎结之间剪开一个切口，将导管插入颈静脉。回抽注射器，确认导管内有血液进入。
   4. 用丝线结扎固定静脉内的导管，确保牢固。使用医用胶带固定注射器。
   5. 制备吖啶橙：将2 mg/mL的储备液用无菌生理盐水稀释4倍（终浓度为0.5 mg/mL），置于1 mL注射器中。避光保存，并向小鼠注射50 µL。
   6. 制备核酸染料：将5 mM储存液用无菌生理盐水稀释1000倍（终浓度为5 µM），加入1 mL注射器中。将注射器避光保存，并向小鼠注射50 µL。
   7. 体内注射吖啶橙（50 µg/µL，每只小鼠50 µL） 通过 通过颈静脉导管注入染色的白细胞和一种细胞外DNA荧光染料，以类似方法标记中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）（5 µM，每只小鼠50 µL）。NETs与白细胞同时成像。
2. 肠系膜缺血-再灌注损伤模型
   1. 用70%乙醇对腹部皮肤进行消毒。
   2. 沿腹部进行3-5厘米的剖腹手术 白线 使用手术剪。
   3. 使用两个浸有生理盐水的棉签，轻轻移除肠道并找到脂肪覆盖较少的区域。将小肠分支置于黑色面团上，以降低背景信号。
   4. 在缺血/再灌注（I/R）前获取视频（缺血前）。
   5. 用氯化钠制备湿敷压缩物，并将肠管置于其中。确保 在步骤5.6中，肠道应被敷料包裹并保持湿润。
   6. 用小型血管夹夹闭肠系膜上动脉。
   7. 使用浸有生理盐水的棉签轻轻将肠管推回腹腔，并用7-0缝线缝合腹壁，以防止水分和热量丢失。维持缺血状态60分钟，每20分钟至少检查一次麻醉深度。
   8. 1小时后，通过移除夹子开始再灌注。
      注意：正确执行缺血操作后会出现可见变化。最初，由于血流中断，受影响区域会呈现苍白或白色。移除血管夹后，血液将逐渐重新流入缺血区域，组织颜色随之恢复至正常，表明阻塞成功。在缺血阶段，必须持续密切观察小鼠状态。
   9. 缺血期结束后，在夹闭区域滴加少量生理盐水，然后使用动脉夹施加器轻轻移除微血管夹。
   10. 使用生理盐水湿润的棉签轻轻再次移除肠管，将静脉的小分支置于黑色琼脂上，再次注入50 µL吖啶橙，并在同一位置（缺血后）采集同一静脉的视频。

4. 活体高速视频落射荧光显微镜技术

1. 使用配备长距离聚光镜、单色器、10倍水浸物镜和电荷耦合器件相机的高速宽场荧光显微镜观察白细胞和中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）。图像采集的曝光时间为30 ms，使用Alexa Fluor 488（495/519）和Rhodamine Red（570/590）滤光片。
2. 使用成像软件进行图像采集与分析。
3. 在0.06 mm²的兴趣区域内定量细胞募集情况。
4. 将黏附的白细胞定义为在20秒观察期间保持静止或附着于血管内皮表面的细胞，并对其进行定量。
5. 通过白细胞标记物与细胞外核酸荧光染料双重标记的细胞外结构来识别NETs。
6. 实验结束后，按照机构批准的方案，通过颈椎脱位法处死动物。

5. 肝脏内皮细胞（LEC）的分离与定量 RT-PCR

1. 分离 LEC 通过 磁性细胞分选（MACS）²⁹.
2. 提取总RNA。
3. 进行互补DNA（cDNA）合成²⁷ 将 2 µg 总 RNA 与 2 µL RT 缓冲液、0.8 µL dNTP 混合物、2 µL RT 随机引物、1 µL 逆转录酶以及 4.2 µL 无菌蒸馏水混合₂O.
4. cDNA 转录按以下条件进行：25 °C 反应 10 分钟，37 °C 反应 120 分钟，85 °C 反应 5 分钟。
5. 使用20 ng cDNA进行qPCR。
6. 使用以下引物： F2r （正向）：TGAACCCCCGCTCATTCTTTC， F2r （反向）：CCAGCAGGACGCTTTCATTTTT， L32 （正向）：CCTCTGGTGAAGCCCAAGATC， L32 （反向引物）：TCTGGGTTTCCGCCAGTTT。使用以下条件：95 °C 预变性 30 秒，45 个循环（95 °C 变性 10 秒，60 °C 退火 25 秒），然后从 60 °C 升至 95 °C，每步 6 秒，温度增量（ΔΤ）为 1 °C。

结果

为了研究内皮细胞依赖性对白细胞滚动和黏附以及中性粒细胞胞外诱捕网（NET）形成的影响，首先检测了在内皮细胞中诱导型 VE-Cadherin Cre 介导的 F2r 基因缺失的有效性。采用磁性细胞分选法分离肝脏内皮细胞，随后提取RNA，并进行定量实时荧光PCR（qRT-PCR）。在Cre重组酶受VE-Cadherin启动子调控而缺失的 F2r^ΔEC 小鼠中，F2r（PAR1）mRNA水平较野生型（WT）对照组显著降低（约降低三分之一）（图1）。

在确认小鼠品系的基因缺陷后，进行肠系膜缺血/再灌注（I/R）损伤实验，以检测血管内皮细胞表达的PAR1对白细胞滚动和黏附的影响，并通过活体显微镜观察（图2A，B）。缺血1小时后，移除夹闭血管的夹子，使血管恢复灌注。观察并记录白细胞的滚动和黏附情况（染成绿色，由白色箭头指示）。尽管两组在I/R损伤后均出现黏附白细胞数量增加，但内皮细胞F2r（PAR1）缺陷导致白细胞黏附于I/R激活的肠系膜内皮的程度明显降低，尽管差异未达到统计学显著性，提示内皮PAR1的激活在白细胞募集至缺血肠系膜微静脉过程中发挥积极作用（图2C）。

下一个目标是检测内皮细胞 PAR1 表达是否调控缺血/再灌注（I/R）损伤诱导的中性粒细胞胞外诱捕网（NET）形成。因此，使用细胞非渗透性染料对细胞外核酸进行染色³⁰，并通过活体显微镜观察生成的 NETs（以黑色箭头指示）（图 2A、B）。在 I/R 损伤后，仅在内皮细胞表达正常水平 PAR1 的野生型（WT）组中观察到 NETs，表明 PAR1 在 NETosis 过程中具有调控作用（图 2C、D）。值得注意的是，当内皮细胞 F2r 表达被抑制时，在受损的肠系膜微静脉中未发现 NETs。

图 1：F2r（PAR1）mRNA 表达水平。野生型（n = 6）和 F2r^ΔEC（n = 9）小鼠肝脏内皮细胞中 F2r 相对于管家基因 L32 的表达水平。数据以中位数及 95% 置信区间表示。采用 Mann-Whitney 检验比较两个独立组别，*p < 0.05。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：内皮细胞PAR1影响肠系膜微静脉在缺血/再灌注（I/R）损伤后白细胞的黏附及中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成。 代表性活体显微镜图像显示了在I/R损伤前（pre）和损伤后（post）野生型（WT）和F2r^ΔEC 小鼠中用吖啶橙染色的黏附白细胞（白色箭头）以及用Sytox Orange染色的NETs（黑色箭头）：(A) 10倍放大和(B) 20倍放大。比例尺：A，50 µm；B，20 µm。(C) 白细胞黏附数量和(D) 每mm²面积内的NETs数量，分别来自WT（n = 7）和F2r^ΔEC （n = 4）小鼠在I/R损伤前（pre）和损伤后（post）的数据。所有数据均以中位数及95%置信区间表示。统计分析采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）检验，**p< 0.01，并使用Sídák多重比较检验对各时间点（缺血前和缺血后）不同基因型组间的均值进行比较。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

肠系膜缺血-再灌注损伤联合活体显微镜技术应用于一种遗传性小鼠模型 F2r 内皮细胞中（PAR1）的缺乏 体内 缺血1小时后白细胞和中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）的分析。肠系膜缺血/再灌注（I/R）损伤模型在啮齿类动物中常用，缺血和再灌注时间从数分钟至数小时不等^23,31，影响炎症反应的结果³² 和死亡率³³该模型还依赖于多种因素，包括微生物群^19,34，免疫受体^10,35,36,37性别^38,39和年龄³⁵除了缺血/再灌注时间的不同之外，该模型的另一个变量是肠道不同部位对损伤的差异性反应，其中小肠的黏膜损伤较结肠更为严重⁴⁰微血管夹的位置会影响缺血区域，这对方法的可重复性至关重要^32,33重要的是，肠系膜上动脉闭塞联合侧支血流阻断所导致的死亡率与缺血持续时间呈稳定的相关性⁴¹.

在本研究中，小鼠经历了1小时的缺血， 体内 再灌注后立即观察白细胞黏附和中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成，以检测缺血状态下在缺乏内皮细胞的情况下所触发的早期炎症反应 F2r 表达。将这些方法应用于基因工程小鼠模型，可研究特定靶分子在缺血后及再灌注期间对细胞行为和炎症反应的影响。

该实验方案中有多个关键步骤，包括维持肠道完整性。操作肠道时必须轻柔，以避免组织损伤。为此，湿润的棉签是暂时将肠道从腹腔中分离的合适工具。在肠道重新放回腹腔之前，必须始终保持其湿润。轻微的操作损伤可能激活多种细胞类型（如血小板和内皮细胞），从而影响实验结果。

为了保持一致性，必须在缺血前后观察肠道节段的相同部位。由于缺血后肠道在腹腔内的位置可能发生改变，这一步骤具有挑战性。为解决此问题，可在缺血前观察过的肠段部位放置一小块湿润纱布作为标记。

可视化白细胞滚动、黏附及中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成 体内通过颈静脉向小鼠注射白细胞荧光染料和核酸荧光染料。白细胞染料（见材料表）是一种可穿透细胞的异色性荧光染料，能够结合白细胞而不会结合红细胞，已广泛用于白细胞染色。 体内^17,42染料通过静脉注射应用，可在数秒内实现强烈的白细胞染色。然而，其特异性存在一定局限，因为也会对其他有核细胞（如内皮细胞）进行染色。尽管如此，由于洗脱效应，循环中的细胞能够更长时间地保留染色⁴³. 核酸荧光染料（参见 材料表是一种不可穿透细胞的核酸染料，常用于观察中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成^30,44,45也可通过静脉注射给药，具有高亲和力，使用快速简便。然而，其特异性仍是不足之处，因为该染料会与任何细胞膜不完整的细胞结合。理想情况下，应将其与中性粒细胞标记物（如 CD15、CD11b）或 NETosis 标记物（如抗 citH3 抗体）联合使用，以提高特异性。这些染料能够 体内 实验室动物肠系膜小静脉中白细胞的成像

该技术的主要局限在于内脏脂肪的存在，其会阻碍肠毛细血管的可视化，并显著影响图像采集。为避免这一问题，有必要使用内脏脂肪较少的年轻实验动物（6–8 周龄）。此外， 离体 组织学分析因使用 体内 染色。另一个局限性在于肠道微生物群和饮食对该模型的影响，这种影响在不同小鼠饲养环境中可能存在显著差异⁴⁶为解决这一局限性，可考虑采用无菌小鼠模型进行研究¹⁰.

本研究探讨了缺血后细胞的即时反应，观察到白细胞在活化的肠系膜内皮上的沉积减少以及体内中性粒细胞胞外诱捕网（NET）的形成减少。in vivo。缺血后1小时静脉注射DNase降解NET，可减轻早期促炎反应，并改善肠道屏障的破坏⁴⁷。值得注意的是，使用血栓调节蛋白（thrombomodulin）——一种可抑制凝血酶活性的跨膜糖蛋白⁴⁸——治疗，可提高严重肠缺血/再灌注（I/R）损伤小鼠的存活率，减轻内皮功能障碍引发的炎症反应，并减少远端器官中组蛋白的大量积聚⁴⁹。本研究显示，内皮细胞上的凝血酶受体可影响I/R损伤的结局，突显了将肠I/R损伤模型与基因工程小鼠的活体显微技术相结合，以研究疾病病理过程中关键介质的重要性。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
吖啶橙	Sigma-Aldrich	A-6014
96孔PCR板	Sarstedt	721977202.00
啮齿类动物麻醉系统	GROPPLER medizintechnik	Uni Vet -Porta T-8
注射用水 IVM	B Braun Melsungen	53402101
黑色橡皮泥	Staedtler		油灰
CD146微珠，小鼠	Miltenyi Biotec	130-092-007
cellSens	Olympus	Olympus cellSense Dimension Desktop 2.3	软件
电荷耦合器件相机	Hamamatsu Photonics	ORCA-R2	相机
棉签	Böttger	09-119-9100
弯止血钳 125mm/5"	Indigo Instruments	22466
脱毛膏	Balea	不适用
Dorbene Vet	zoetis
Dumont镊子	Fine Science Tools	11251-35
乙醇 p.a. 99.5%	Roth	5504.20
超细剪刀 – 直头/锐-锐/10.5	FST	14088-10
芬太尼	Janssen-Cilag GmBH
镊子 "Dumont #5"（不锈钢，尖端0.1 mm，长度11 cm）	FST	11251-20
GentleMACS C管	Miltenyi Biotec	130-093-236
Graphpad Prism	Graphpad	Prism 10	软件
异氟烷	Piramal	4150097146757.00
iTaq Universal SYBR Green Supermix 10x5ml	BioRad	1725125.00
Leukofix医用胶带	BSNMedical	0213600
肝脏解离试剂盒，小鼠	Miltenyi Biotec	130-105-807
LS分离柱 MACS	Miltenyi Biotec	130-042-401
MACS Smart筛网 100 µm	Miltenyi Biotec	130-098-463
Microseal B密封膜	Biorad	MSB1001
咪达唑仑	hameln	5918501.00
NaCl	Braun	2350748
持针器	FST	12001-13
不可吸收编织丝线，规格：7/0，91米	Fine Science Tools	18020-70
Olympus BX51WI荧光显微镜	Olympus		显微镜
PCR管条	Sarstedt	72985002.00
PCR管盖	Sarstedt	65989002.00
聚乙烯导管	Smith Medical Deutschland GmbH	800/100/100
Prolene (8648G)，聚丙烯 6-0，缝合材料	Johnson & Johnson Medical GmbH	8695H
Relia Prep RNA微量提取系统	Promega	Z6112
逆转录试剂盒（高容量cDNA）	Applied Biosystems	4368813.00
实验室天平	KERN & SOHN GmbH	EMB 500-1
弹簧剪 - 侧向倾斜	FST	15006-09
体视显微镜	Leica	M50
直止血钳 135mm/5.5"	Indigo Instruments	22468
1 mL注射器	Braun	9166017V
SYTOX Orange	Thermo Fisher Scientific	S11368
温度控制器 TC-1000	FMI Föhr Medical Instruments GmbH	不适用
组织镊 - 1x2齿	FST	18057-14
血管夹	Fine Science Tools	18055-02
Vetiva mini	WAHL	1584-0480