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方法文章

评估长期单侧输尿管梗阻解除后结构与功能长期转归的小鼠模型

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DOI：

10.3791/68492

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2025年7月18日

 , 
1Division of Nephrology, Department of Medicine, Vanderbilt University Medical Center

本文内容

摘要

本文提供了详细的实验操作指南，使研究人员能够采用一种标准化的模型，在小鼠中实施可逆的单侧输尿管梗阻，从而在长期输尿管梗阻解除后，分析其结构与功能的长期变化结果。

摘要

尿路梗阻（UTO）患者的临床管理需要早期干预以解除梗阻原因，但即便如此，长期存在尿路梗阻的患者仍面临更高的慢性肾脏病（CKD）和反复急性肾损伤（AKI）风险。然而，除了早期解除梗阻以及采用通用疗法延缓CKD进展外，目前尚无任何治疗方法能显著改善解除UTO后的长期肾脏预后。为解决这一问题，多个实验室已开发出可逆性单侧输尿管梗阻（R-UUO）模型，但这些模型技术难度较高，尚未被广泛采用。此外，尽管小鼠R-UUO模型具有吸引力，因其可利用小鼠遗传学优势研究疾病的病理生理机制，但此类模型尤为困难，因为常用方法若梗阻持续时间超过>3天，往往导致不可逆的UUO。同时，由于这些模型本身的局限性，极少有研究评估解除输尿管梗阻后的长期功能结局。为弥补这一空白，我们近期建立了一种带有延迟对侧肾切除的R-UUO小鼠模型，可用于分析解除长期UTO后对肾脏结构和功能长期结局的影响。研究结果显示，尽管在解除梗阻3个月后组织学恢复接近完全，但肾功能仍存在永久性下降，并伴有显著且持续的尿液浓缩能力缺陷，提示肾髓质功能受损。该模型需进行三次主要的存活手术，但可稳定、可重复地产生长期肾功能减退，且通过调整梗阻持续时间，可在不同小鼠品系中重现该效应。本文中，我们提供了实施这些手术的详细操作步骤、优化不同小鼠品系实验条件的方法、肾功能结局的评估手段以及肾脏组织的采集流程。

引言

尿路梗阻（UTO）可为单侧性，通常无症状，晚期表现为慢性梗阻性肾病1；也可急性发作，表现为肾绞痛和/或血尿、急性肾盂肾炎或肾后性急性肾损伤（AKI）2。UTO治疗的关键在于尽早解除梗阻2。然而，尽管有效解除了梗阻并采用了通用疗法以延缓慢性肾脏病（CKD）的进展，患者仍面临较高的进行性CKD和高血压风险3,4。此外，长期尿液浓缩能力（UCC）常受损5，可能使易感患者易于发生脱水和反复发作的AKI，从而加速UTO后肾功能的进行性下降。

部分原因在于，我们依赖不可逆的单侧输尿管梗阻（UUO）模型来研究泌尿系统梗阻（UTO）的病理生物学机制，导致难以确定可改善 UTO 患者长期预后的治疗策略。然而，这些模型并不能模拟临床实际情况，即患者在确诊后很快接受梗阻解除手术，因此无法用于探索在梗阻解除后促进长期修复的机制和治疗方法。为解决这一问题，已开发出可逆性 UUO（R-UUO）模型，但相比不可逆 UUO 模型，其技术难度更高，不同实验室之间重复性较差，因此尚未被科学界广泛采用。小鼠模型具有吸引力，因其可利用小鼠遗传学工具研究疾病的病理生理机制，但其优化尤为困难，因为若梗阻持续超过 3 天，常用方法往往会导致不可逆的 UUO6。已有多种策略被用于应对这一挑战，包括多次手术、每隔 2 天在输尿管上依次放置夹子6,7；UUO 后行膀胱再植术8,9,10,11；以及使用无损伤性夹子和导管阻塞输尿管12,13,14。大鼠和小鼠的长期结局研究表明，在梗阻解除后肾功能有所改善，纤维化程度降低和/或肾小球损伤减轻，但如果 UUO 持续超过 2 天，则仅能实现部分恢复6,7,8,9,12,14,15,16,17,18,19。此外，尽管肾髓质（RM）特别容易受到 UTO 所致损伤的影响20,21，但直到最近，尚无长期啮齿类动物研究系统评估长时间 R-UUO 对 RM 结构与功能的影响。这一点具有重要意义，因为尿液浓缩能力（UCC）以及在不升高血压的情况下排泄盐负荷的能力（即所谓的压力性利钠反应）依赖于 RM 解剖结构的完整性22,23,24，因此 UTO 解除后 RM 修复不完全可能解释为何患者在 UTO 解除后更易发生反复急性肾损伤（AKI）和高血压。然而，评估上述问题所需的许多技术需要进行多轮手术（6 天梗阻需进行五次重大手术6,7），或要求难以传授的外科技术（例如将输尿管外科再植于膀胱8,9,10,11），并且由于梗阻为单侧，研究者在评估梗阻解除后肾功能变化时面临挑战。

为解决这一问题，我们开发了一种相对简单且易于操作和教学的小鼠R-UUO模型，该模型所需的手术次数少于其他技术（3次 手术即可实现5至7天的梗阻），并且无需进行侵入性或昂贵的分肾功能研究即可分析肾功能的恢复情况25。该模型包括三次主要手术：1）在左侧输尿管近端放置无创血管夹；2）根据小鼠品系的不同，在5至7天后移除血管夹；3）再过10天后切除对侧肾脏以评估肾功能。约有20%至40%的小鼠在肾切除术后2至3天内死亡，表明并非所有小鼠的UUO都能成功逆转。对存活小鼠的长期随访显示，尽管在R-UUO术后3个月肾髓质（RM）的组织学结构几乎完全恢复，但通过经皮肾小球滤过率（tGFR）测定发现其肾功能仍有所下降26。此外，在限水后测定尿渗透压发现尿液浓缩能力（UCC）显著降低，提示RM功能存在永久性缺陷。时间进程研究表明，tGFR在R-UUO术后第28天至第56天有所改善，但在第56天至第84天趋于稳定；相比之下，R-UUO术后第28天至第84天期间UCC并未出现改善25。通过分离RM进行单细胞RNA测序（scRNA-Seq），并结合细胞谱系追踪和免疫组织化学研究验证，我们发现存在强烈的再生反应，能够恢复R-UUO后的RM结构尺寸，但RM中所有主要细胞区室的细胞数量和基因表达特征均出现永久性改变，可能影响R-UUO后的功能恢复。其中包括在R-UUO术后84天时，RM集合管和亨利袢细胞群中仍持续存在促炎反应，类似于急性肾损伤（AKI）和UUO后修复失败的近端小管上皮细胞所表现出的炎症和衰老特征27,28,29,30。在复发性肾结石疾病患者的RM集合管中也观察到类似的变化31，提示人类与小鼠在RM损伤后存在共同的损伤反应机制。本文中，我们将详细介绍这些手术的操作步骤、如何针对不同小鼠品系优化实验条件、如何判断输尿管在解除梗阻后是否仍存在阻塞、如何评估关键功能结局指标，以及如何采集肾组织以评估肾髓质结构。

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方案

本文描述了用于长期研究的四步实验方案（图1）。如本文末尾所述，研究人员可根据研究长期结果的兴趣，选择仅执行其中三步（第1、2、4节）或全部四步。本论文中的所有小鼠实验均已获得范德堡大学机构动物护理和使用委员会的批准，并严格遵守动物使用指南。

1. 输尿管夹的放置（每只小鼠 10 - 15 分钟）

注意：由于无法在没有周围结缔组织的情况下直接观察到输尿管，因此需依靠小鼠肾脏解剖学知识来定位输尿管。当肾脏暴露时，输尿管沿肾门组织的下后方走行（图2）。血管夹的选择至关重要。这类器械可能价格较高，但可清洁、高压灭菌并多次重复使用。这些血管夹至少可重复使用100次而无任何问题。

  1. 所有手术器械在手术前于121 °C高压灭菌30分钟。若对多只小鼠进行手术，每次使用后应清除器械上的血液和碎屑，并根据机构规定，使用热珠灭菌器灭菌10-15秒，或为每只小鼠单独进行高压灭菌。再次使用前需让器械冷却。
  2. 称量小鼠体重。
  3. 通过腹腔注射给予小鼠5-10 mg/kg的赛拉嗪（Xylazine）和90-120 mg/kg的氯胺酮（Ketamine）进行麻醉（参见材料表）。通常需3-5分钟起效。
  4. 根据机构政策，术前镇痛可对所有小鼠给予，或仅在使用其他麻醉剂（如异氟烷）时给予，因为与赛拉嗪不同，异氟烷不具有镇痛作用。
  5. 在准备区域（非手术操作区）剃除从髋部到肋骨 cage 并环绕侧腹部的手术区域毛发，边缘需足够宽，以防止毛发污染切口部位。
  6. 用无菌手术巾覆盖加热的手术区域，有助于防止散落的毛发进入手术区，并提供放置无菌器械的空间。
  7. 将眼用润滑软膏涂抹于眼睛表面。
  8. 使用浸有聚维酮碘（betadine）的纱布进行无菌准备：从手术区域中心向外周擦拭3至4次，每次擦拭后用酒精棉片擦拭一次。切口前须彻底清除手术区域内的所有聚维酮碘残留。
  9. 确认小鼠进入手术麻醉状态后，使用剪刀和镊子在背部正中线处穿过皮肤和皮下层做一条1.5 cm的纵向切口。
  10. 在左肾上方的左侧腹侧肌肉和筋膜上做一个小切口，将左肾轻柔地外置。
  11. 仔细分离输尿管周围区域的下极脂肪及部分结缔组织。在不破坏周围结缔组织的情况下无法直接观察到输尿管。随后，将输尿管及其周围结缔组织从包含肾静脉和肾动脉的肾蒂中分离出来，确保肾蒂不被包含在输尿管夹闭范围内（图2）。
  12. 使用血管夹施加器打开夹子，并将其直接置于肾盂下方的输尿管上。利用血管夹上的刻度标记，确保每只小鼠输尿管所受压力一致（图3）。切勿夹闭后取下重新定位，以免损伤输尿管。
  13. 夹闭完成后，使用浸有生理盐水的无菌棉签轻轻将带夹的肾脏推回腹膜后腔。
  14. 使用可吸收缝线缝合肌肉层。
  15. 使用皮肤夹闭合皮肤层。
  16. 给予缓释型布托啡诺（Buprenorphine）3.25 mg/kg作为镇痛剂（参见 材料表），并皮下注射0.5 mL无菌生理盐水以补充水分。
  17. 将小鼠留在加热的硬质手术垫上，或转移至其饲养笼内，笼子一半下方放置温控加热垫，直至小鼠苏醒。
  18. 将小鼠送回动物房。
  19. 密切监测小鼠状况，并在术后48至72小时内根据需要追加布托啡诺以缓解疼痛或不适。提示小鼠需要额外镇痛的临床疼痛与痛苦体征包括：精神抑郁或其他行为改变、外观异常或异常姿势（如毛发竖立、弓背、缺乏理毛和进食行为，或活动减少）。

2. 移除输尿管夹（每只小鼠 10 - 15 分钟）

  1. 使用原始的皮肤和肌肉切口，按照夹钳放置步骤 1.1–1.10 开始移除夹钳。在清洁手术区域前，先移除伤口夹。通常无需再次剃毛，因为毛发尚未重新生长。
  2. 由于已形成组织粘连，使用镊子仔细在腹膜后间隙中定位夹钳，无需先将肾脏外置。使用夹钳施加器轻轻打开夹钳，同时用镊子将夹钳头部周围的组织向下牵拉，以取出夹钳。
  3. 现在将肾脏外置，以便观察肾盂，判断是否存在梗阻。肾盂应呈现肿胀状态，提示存在肾积水。
  4. 检查完肾脏后，使用浸有生理盐水的无菌棉签轻轻将肾脏推回腹膜后间隙。
  5. 按照上述步骤 1.13–1.18 进行操作。

3. 对侧肾切除术（10 - 15 分钟/小鼠）

  1. 如有毛发生长，需剃除该区域毛发。
  2. 使用1-5%异氟烷/空气混合气体进行麻醉，以便在既往有麻醉史的情况下实现更顺利的恢复。在清洁手术区域前，移除伤口夹。
    注意：由于本手术不会诱发可能通过吸入麻醉减轻的肾损伤32。
  3. 术前给予布托啡诺镇痛（见材料表）。
  4. 按照步骤1.1–1.9的操作流程，从原始皮肤切口处开始手术。
  5. 在右肾区背部肌肉和筋膜上方做一小切口，游离并暴露右肾。
  6. 用光滑的弯头镊子轻柔夹持肾脏，仔细分离肾脏上下极与周围组织的连接。
    注意：上极周围组织包含肾上腺及其独立血供，可将其从肾脏上分离，但显然不应将其从小鼠体内移除（见图2）。
  7. 在将肾脏完全游离后，用4-0丝线在肾血管和输尿管周围结扎，并打双重外科结。若结扎约30秒后，肾脏颜色变暗。用光滑的弯头镊子固定肾脏，使用弯剪在结扎远端剪断，摘除肾脏。
  8. 用浸有生理盐水的无菌棉签轻柔地将残留的肾蒂推回腹膜后间隙。
  9. 按照上述步骤1.13–1.15、1.17–1.18进行操作。

4. 组织采集

  1. 根据机构政策，通过腹腔注射每公斤体重5-10 mg的赛拉嗪和120 mg的氯胺酮麻醉小鼠，或在终末操作前使用5%异氟烷/空气混合物过量麻醉。
  2. 打开腹腔以暴露左肾。
  3. 检查肾脏，观察肾盂是否有肿胀（见步骤2.3）。
  4. 如果肾盂看起来仍然肿胀，插入连接有注射器的小号蝶形针，注射器内含有0.5 mL用磷酸盐缓冲液（PBS）稀释至1:5000的亚甲蓝溶液。如果输尿管通畅，蓝色溶液将从肾盂流向膀胱并可见；如果不通畅，肾盂会因积聚蓝色溶液而膨胀，且溶液不会出现在膀胱中。
  5. 为了灌注固定肾脏，打开胸腔并暴露心脏。
    1. 在心脏仍在跳动时，将23-25 G的蝶形针插入左心室，开始生理盐水灌注，同时剪开右心房或右心室以用生理盐水置换血液。
    2. 约一分钟后，确认肾脏变为白色。继续生理盐水灌注一分钟，或更换为10%福尔马林溶液灌注1-2分钟以固定组织。
    3. 此时小鼠已死亡；收集组织。若组织将用于RNA或蛋白质研究，则不应进行灌注固定。
  6. 从小鼠体内取出肾脏后（无论是否进行了灌注固定），使用剃刀刀片在肾脏中心切出最多三个2-3 mm厚的矢状切片（图4）。这样可获得包含肾髓质和皮质的代表性切片，并提供足够的组织用于组织学、蛋白质或RNA检测。
  7. 根据研究需求，继续对样本进行固定或冷冻处理。

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结果

对于长期研究，我们通常通过测量清醒小鼠连续的血尿素氮（BUN）和经皮肾小球滤过率（tGFR）来评估肾功能（参见此前发表的描述该方法的文章26），此外还通过检测禁水18小时后采集的随机尿样中的尿渗透压来评估尿液浓缩能力（UCC）。尽管我们始终会进行BUN检测，但该指标在评估肾切除术后早期时间点的损伤严重程度时最为有用（见讨论部分）。然而，在长期研究中，BUN（以及血清肌酐）检测的敏感性不足以发现肾功能发生的细微变化。这些检测通常在肾切除术后的不同时间点进行（图1A）。UCC分析可简单反映肾髓质功能，通常显示在相同时间点，其实验组小鼠的尿渗透压值显著低于肾切除对照组小鼠。图1B–E展示了R-UUO术后84天的典型生存曲线、BUN、tGFR以及尿渗透压测量结果。

有关更详细的信息，包括在不同小鼠品系中优化输尿管夹闭时间的研究，以及在不同时间点肾皮质和髓质的...

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讨论

与以往用于研究小鼠长期单侧输尿管梗阻（UUO）逆转的一些方法6,7,8,9,10,11,12,13,14相比，本文所述方案相对简便，无需操作者具备高深的外科手术经验。该方法涉及的存活手术次数较少（最多3次），可用于评估长期功能结局。为确保该技术的成功与可重复性，需注意若干关键步骤：1）夹闭钳在输尿管上的位置应保持一致，因为已有证据表明，梗阻部位距离肾盂越远，在梗阻期间肾损伤进展越慢33。采用背...

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致谢

本研究由国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（NIDDK）资助，资助编号为 RO1DK128823 和 UC2DK126122。

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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
0.9% 氯化钠范德比尔特大学医学中心药房多个
可吸收缝合线Vicryl 6-0国际医学与兽医学-ETHICONJ492G
酒精棉片BD 品牌异丙醇擦拭巾BD 326895
聚维酮碘溶液Hanna Pharmaceutical Supply Co., Inc67618015017
施加压力的钳夹止血钳：S&T CAF-4Fine Science Tools00071-14
Deltaphase 等温垫Braintree ScientificDPIP
电动修枝剪奥斯特多个
ENCORE 乳胶纹理外科手套安塞尔5785003
Ethiqa XR 布洛芬诺 (CIII) VI 1.3 mg/mLPatterson Veterinary- Ethiqa86084010030
EZ Clip 9 mmBraintree ScientificEZC-CS或 7 mm
EZ Clip施夹器 9 mm Braintree ScientificEZC-APL或 7 mm
EZ Clip 移除器 9 mm Braintree ScientificEZC-RMV或 7 mm
纱布垫 2 ´ 2Fisher Scientific22-362178
Graefe 角形或弯曲锯齿状尖端Fine Science Tools11049-10
格劳夫直齿锯齿尖端Fine Science Tools11050-10
加热硬垫 15 ´ 24Braintree ScientificHHP 2
加热硬垫泵连接器布雷因特里科学公司HHP Gaymar 连接器
热珠灭菌器Fine Science Tools18000-45
胰岛素注射器 0.5 mL 29 GExel International26028
异氟烷 Patterson Veterinary- Pivetal78949580
氯胺酮 100 mg/mL范德比尔特大学医学中心药房
不可吸收丝线 4-0国际兽医医学 - ETHICON683G
Olsen Hegar持针器：带缝线切割器Fine Science Tools12002-12
Optixcare 眼用润滑膏 20 g医学与兽医国际PHOPTIXCARE
剪刀-钝头持针器-婴儿Fine Science Tools14078-10
剪刀-尖锐弯曲型Fine Science Tools14005-12
无菌棉签Puritan25806 2WC
无菌纱布垫 4 ´ 4Fisher Scientific22-415-469
无菌外科一次性手术单 18 ´ 26医学与兽医国际20001
灭菌器械袋 5 ´ 10Fisher Scientific01-812-54
T/pump 加热冷却泵Braintree ScientificTP-700
泰勒镊，弯型，光滑Fine Science Tools11017-17
血管钳：S&T 5 至 15 克压力Fine Science Tools00396-01
赛拉嗪 100 mg/mLPatterson Veterinary- CronusCR04305

参考文献

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